腺苷酸活化蛋白激酶在肺部疾病中的作用

韓 冬，王貴佐，李滿祥

(西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院呼吸病研究室，呼吸內(nèi)科，陜西西安 710004)

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一種重要的蛋白激酶，廣泛參與人體內(nèi)的能量代謝活動。AMPK作為3-羥基-3甲基戊二酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMGR)和乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase，ACC)的上游激酶被首次發(fā)現(xiàn)，其自身磷酸化后可抑制HMGR和ACC的活性，HMGR和ACC分別是調(diào)控膽固醇/異戊二烯和脂肪酸合成的關(guān)鍵酶。AMPK亦參與調(diào)節(jié)人體內(nèi)能量形式之間的轉(zhuǎn)化過程，在維持骨骼肌、肝臟和脂肪細胞中葡萄糖和脂肪酸的動態(tài)平衡中發(fā)揮重要作用［1］。隨后的研究發(fā)現(xiàn)AMPK對能量形式的調(diào)節(jié)作用也存在于下丘腦中，參與下丘腦對食物攝入、能量消耗、體重等的調(diào)節(jié)功能［2］。

新近的研究發(fā)現(xiàn)，AMPK與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。動物研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可參與胰島素抵抗的發(fā)生，敲除AMPK-α2基因的小鼠其胰島素水平降低、血糖水平升高［3］。AMPK亦是心臟應(yīng)激中的一個關(guān)鍵信號通路［4］，他汀類藥物對心血管系統(tǒng)的保護作用亦是部分通過激活A(yù)MPK信號通路實現(xiàn)的［5］。近年來，AMPK與肺部疾病的關(guān)系愈發(fā)受到人們的重視，目前研究認為AMPK在肺癌、支氣管哮喘及肺動脈高壓等肺部疾病中亦發(fā)揮著重要的作用。本文就AMPK的生物學(xué)特性及其在肺部疾病中的潛在治療作用做一綜述。

1 AMPK的基本結(jié)構(gòu)和功能

AMPK是由1個催化亞基(α)和2個調(diào)節(jié)亞基(β和γ)構(gòu)成的異三聚體蛋白酶［6］。3種亞基均有各自的異構(gòu)體亞型，即 α1、α2、β1、β2、γ1、γ2 和 γ3［7］。α1、β1 及 γ1 亞型在不同組織中廣泛表達，而α2和β2主要在橫紋肌細胞中表達。α、β和γ 3個亞基對于AMPK的活化都是必需的。α亞基的氨基端包含有絲/蘇氨酸蛋白激酶的催化結(jié)構(gòu)域，即蘇氨酸172位點(Thr172residue)，其磷酸化是AMPK活化的關(guān)鍵［8］。β亞基在糖原和AMPK 的相互作用中是不可或缺的，其氨基端包含有一個糖原結(jié)合結(jié)構(gòu)域(carbohydrate-binding module，CMB)，研究認為 AMPK通過 CMB與糖原結(jié)合［9］。此外，β亞基也通過其羧基端的一個結(jié)構(gòu)域(第186-270位氨基酸)在穩(wěn)定α和γ亞基的相互定位關(guān)系中發(fā)揮作用［10］。γ 亞基包含 4 個胱硫醚 β-合成酶(cystathionine βsynthase，CBS)結(jié)構(gòu)域［11］，AMP、ADP 和 ATP 均可與其結(jié)合，改變α亞基的構(gòu)象，進而調(diào)節(jié)AMPK被上游激酶的磷酸化［12］及 Thr172的去磷酸化［13］，從而調(diào)節(jié) AMPK 的活性。

2 AMPK活性的調(diào)節(jié)

AMPK在調(diào)節(jié)細胞的能量代謝過程中發(fā)揮重要作用。當細胞內(nèi)AMP水平增高時，AMPK即被激活。AMP可與AMPK的γ亞基結(jié)合，引起 AMPK的構(gòu)象改變，從而使AMPK的活性增加2-5倍［6］。在各種構(gòu)型中，由 α2和 γ2亞基構(gòu)成的AMPK構(gòu)型被激活的程度最高，而由γ3亞基構(gòu)成的AMPK被激活的程度最低［6］。除了受AMP的變構(gòu)調(diào)節(jié)外，AMPK還受上游激酶的調(diào)節(jié)。絲氨酸-蘇氨酸激酶11(serine/threonine kinase，STK11，又稱LKB1)和鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶 β(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase β，CaMKKβ)為兩種研究較為明確的AMPK上游激酶。在體外試驗中，純化重組的LKB1復(fù)合體可直接磷酸化AMPK的Thr172［14-15］，激活 AMPK。之后在 LKB1缺陷細胞的研究中發(fā)現(xiàn)了AMPK的另一種上游激酶-CaMKKβ［16-17］。體外實驗中，從大鼠腦組織分離或在大腸桿菌中表達的CaMKKβ 可 以 磷酸化 并 激活 AMPK［17］。CaMKKβ 激 活A(yù)MPK并不依賴于細胞內(nèi)AMP的濃度增高，但有賴于細胞內(nèi)Ca2+含量的增高［17］。AMPK被上游激酶磷酸化的過程是可逆的，由蛋白磷酸酶調(diào)控。已有研究證實［17］PP2A和PP2C可使AMPK去磷酸化，從而抑制其活化。近年來有學(xué)者提出了調(diào)節(jié)AMPK活性的新機制，其研究認為AMPK能被誘導(dǎo)細胞死亡的DFF45樣效應(yīng)因子A(cell-death-inducing DNA fragmentation factor-α-like effector A，CIDEA)通過泛素依賴的蛋白酶體(ubiquitin-dependent proteasome)途徑降解，同時在AMPK的β亞基上發(fā)現(xiàn)了一個CIDEA的結(jié)合位點［18］。

3 AMPK的主要激動劑

AMPK是一種絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，與酵母菌的Snf1激酶同源。一般來講，能使AMP/ATP比例增高的應(yīng)激事件均可使AMPK的活性上調(diào)，如缺氧、低血糖或骨骼肌的收縮等。近年來，其他激活A(yù)MPK的機制日益引起人們的關(guān)注，例如活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)等。表1列出了AMPK的主要激動劑的類型及其名稱。

4 AMPK在肺部疾病中的作用

4.1AMPK與肺癌肺癌是目前我國惡性腫瘤中首位的死亡原因，占全部惡性腫瘤死亡的22.7%，且其發(fā)病率和死亡率仍在上升。最近，越來越多的研究聚焦于AMPK的調(diào)控與肺癌發(fā)生之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，LKB1是AMPK的兩個主要上游激酶之一，抑制其活性可協(xié)同Kras基因突變促進肺癌的發(fā)生［19］。值得注意的是，相較于缺少p53或Ink4a/Arf的腫瘤細胞，Lkb1基因缺陷的腫瘤細胞表現(xiàn)出更頻繁的轉(zhuǎn)移［19］。另有一項研究表明魚藤素(deguelin)可通過激活A(yù)MPK并抑制蛋白激酶B(protein kinase B，又稱AKT)的活性，進而抑制凋亡抑制蛋白survivin的翻譯，從而抑制肺癌的發(fā)生［20］。在小鼠中的一項研究表明二甲雙胍可以預(yù)防煙草致癌物誘導(dǎo)的小鼠肺癌的發(fā)生［21］。該研究認為二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK，進而抑制哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin，mTOR)通路的過度激活，從而抑制肺癌的發(fā)生［21］。此外，還有研究證實在肺癌細胞中，洛伐他汀可抑制AKT的活性并激活A(yù)MPK信號通路，進而通過誘導(dǎo)細胞凋亡的方式抑制肺癌細胞的生存并增強其對放療的敏感性［22］?？傊?，近年來的研究大多證實AMPK通路的激活可抑制肺癌的發(fā)生，為肺癌治療提供了新靶點的可能。

表1 AMPK的主要激動劑的類型及名稱

4.2AMPK與支氣管哮喘近年來的研究提出AMPK作為一種新型的信號蛋白在調(diào)節(jié)炎癥和免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用［23-24］。在幾種炎性疾病的動物模型中，證實AMPK的激動劑可阻斷炎癥反應(yīng)的進程［23，25-26］。而氣道炎癥正是支氣管哮喘的主要發(fā)病機制之一。一項研究表明，AMPK的特異性激動劑AICAR能減輕小鼠哮喘模型中poly(I∶C)誘發(fā)的氣道高反應(yīng)性(airway hyperresponsiveness，AHR)及氣道炎癥。其機制在于AICAR能減少炎癥細胞向肺內(nèi)的遷移，降低肺內(nèi)Th1和Th2細胞因子如IL-5、IL-13、IFN-γ和TNF-α的水平，進而抑制NF-κB的激活，發(fā)揮抗炎作用［26］。近來有學(xué)者在甲苯二異氰酸酯誘發(fā)的小鼠哮喘模型研究中，發(fā)現(xiàn)AMPK的活化可抑制HIF/VEGFA信號通路，進而減輕氣道炎癥、降低氣道反應(yīng)性及血管通透性，從而減輕哮喘的嚴重程度［27］。該研究主要證實了以下兩個分子機制:①AMPK信號通路通過抑制ROS的生成，增高白介素10(IL-10)的表達，而IL-10是一種已證實可抑制哮喘發(fā)生的抗炎因子［28］。②活化的AMPK可通過抑制ROS-HIF-VEGFA軸的作用，降低血管通透性，減少細胞和炎性因子的滲出，減輕哮喘的臨床經(jīng)過。

4.3AMPK與急性肺損傷中性粒細胞是固有免疫和炎癥反應(yīng)中不可或缺的細胞因素［29］，但其過度激活會導(dǎo)致過量的細胞因子和炎癥介質(zhì)釋放，從而引起組織損傷和器官功能障礙，如急性肺損傷(acute lung injury，ALI)的發(fā)生［30-31］。已有研究證實小鼠肺內(nèi)AMPK的激活可以減輕脂多糖(LPS)誘發(fā)的ALI的嚴重程度［32］?；罨腁MPK可以減少LPS誘導(dǎo)的中性粒細胞中NF-κB的核內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而抑制NF-κB的功能，進而抑制NF-κB依賴基因如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)的表達，減少IL-6等細胞因子和炎癥介質(zhì)的釋放，從而減輕ALI的疾病經(jīng)過［32］。該研究提示調(diào)節(jié)AMPK的活性有可能作為ALI及其它中性粒細胞主導(dǎo)的急性炎癥性疾病治療的新靶點。

4.4AMPK與肺動脈高壓肺動脈高壓(pulmonary artery hypertension，PAH)是一種臨床綜合征，當肺動脈壓異常增高超過正常范圍時即稱為PAH，它可由許多心、肺和肺血管疾病引起。一項研究證實二甲雙胍，一種可激活A(yù)MPK的治療糖尿病藥物，可明顯改善慢性缺氧或野百合堿誘導(dǎo)的大鼠肺動脈高壓模型的嚴重程度［33］。Apelin是近年來發(fā)現(xiàn)的一種小分子舒血管活性多肽，其受體為G蛋白偶聯(lián)受體-血管緊張素受體AT-1相關(guān)的受體蛋白(putative receptor protein related to the angiotensin receptor AT1，APJ)。近年來的研究提示低氧引起的APJ表達下調(diào)是低氧性肺動脈高壓(HPH)發(fā)生發(fā)展的一個重要的病理機制［34-35］，而AMPK在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。該研究認為Apelin通路的激活可誘導(dǎo)AMPK的活化，進而提高KLF2和eNOS的表達，從而抑制肺動脈高壓的發(fā)生，而Apelin的抑制則會加重肺動脈高壓的嚴重程度［36］。上述研究提示AMPK信號通路可作為治療肺動脈高壓的新靶點。

4.5AMPK與囊性纖維化囊性纖維化(Cystic fibrosis，CF)是一種常染色體隱性遺傳病，可累及全身各器官的上皮組織，尤以肺部受累最為多見和嚴重，目前尚無根治方法［37］。在肺部其病理機制主要是病變的氣道上皮細胞頂膜的CF跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)器(CF transmembrane conductance regulator，CFTR)Cl-通道發(fā)生了基因突變，導(dǎo)致呼吸道表面液體層(airway surface liquid，ASL)功能失調(diào)，損害肺黏液纖毛清除功能，導(dǎo)致支氣管肺部感染等并發(fā)癥的發(fā)生［38］。一項在取自CF病人原代培養(yǎng)的人CF支氣管上皮細胞(primary human bronchial epithelial cell，HBE)中進行的研究證實，通過AICAR或二甲雙胍激活A(yù)MPK，可抑制CFTR介導(dǎo)的Cl-過度分泌和上皮細胞鈉離子通道(epithelial sodium channel，ENaC)介導(dǎo)的Na+的吸收減少，進而減少ASL的重吸收，維持ASL的穩(wěn)定;同時可抑制NF-κB和過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)的上調(diào)，減少IL-6、IL-8和GM-CSF等炎癥因子的釋放［39］。過度的ENaC的電流、ASL的重吸收和炎癥是CF肺損傷發(fā)病機制中的主要元兇［38-39］。該研究認為二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK，抑制CF HBE中過表達的ENaC，并減少炎癥介質(zhì)的釋放［39］，為治療囊性纖維化提出了新的思路。

5 小結(jié)

綜上所述，通過藥理學(xué)方法激活A(yù)MPK具有廣泛的抗炎、抑制細胞增殖等保護性作用，體外研究證實激活A(yù)MPK信號通路具有治療肺癌、肺動脈高壓、支氣管哮喘等疾病的潛在價值，但其是否在臨床上可用于上述疾病的治療有待于進一步驗證。

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