腺苷酸活化蛋白激酶調(diào)節(jié)糖脂代謝的研究進展

俞牧雨，殷峻

(上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院·上海市糖尿病研究所，上海200233)

腺苷酸活化蛋白激酶調(diào)節(jié)糖脂代謝的研究進展

俞牧雨，殷峻

(上海交通大學附屬第六人民醫(yī)院·上海市糖尿病研究所，上海200233)

腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)是一種廣泛存在于真核細胞中的絲氨酸/蘇氨酸激酶，在維持細胞能量代謝平衡中發(fā)揮重要作用。AMPK激活時，一方面可增強機體分解代謝，使脂肪酸β氧化增強，促進ATP產(chǎn)生；另一方面可抑制合成代謝，使脂肪酸、膽固醇的合成減少，ATP消耗降低，胰島素敏感性增強及攝食量增加。AMPK有望成為2型糖尿病、肥胖癥和代謝綜合征等代謝性疾病防治的新靶點。

碳水化合物代謝障礙；脂肪代謝障礙；腺苷酸活化蛋白激酶

腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)廣泛存在于真核細胞中，對機體能量代謝平衡起調(diào)節(jié)作用，被稱為“細胞能量調(diào)節(jié)器”。 近年研究發(fā)現(xiàn)，AMPK的激活可使機體分解代謝增強，合成代謝減弱，減少脂質(zhì)沉積，促進脂肪酸氧化和線粒體生物合成，增強胰島素敏感性,而抑制下丘腦AMPK活性，則機體食物或能量攝入減少。AMPK信號通路可能是代謝性疾病防治的新靶點。現(xiàn)就其研究進展作一綜述。

1 AMPK的結(jié)構(gòu)及其激活機制

AMPK由催化亞基α和調(diào)節(jié)亞基β、γ共同組成。β亞基像一個支架，將α和γ亞基連接起來。AMPK的α和β亞基分別有兩個亞型(α1、α2、β1、β2)，γ亞基有三個亞型(γ1、γ2、γ3)，因此理論上AMPK可形成12種異三聚體。AMPK α亞基的N末端是發(fā)揮催化作用的關(guān)鍵部位，其中蘇氨酸172磷酸化對于AMPK活性的調(diào)節(jié)最為重要。C端臨近激酶域處有約70個殘基的自身抑制序列，而395～550殘基處為α亞基與β、γ亞基相互作用的結(jié)構(gòu)域，C端末尾處約20個殘基在不同物種間具有高度保守性，可能為核輸出序列[1]。β亞基N端之后緊跟著KIS結(jié)構(gòu)域，為功能性糖原結(jié)合域，可感應以糖原形式儲存的細胞能量狀態(tài)[2]。γ亞單位含有4個串行重復的胱硫醚β合酶結(jié)構(gòu)域，形成Bateman域，結(jié)合一磷酸腺苷(AMP)。

AMPK的活性主要與AMP/三磷酸腺苷(ATP)比值變化有關(guān)。饑餓、缺血缺氧、電刺激、熱休克、三羧酸循環(huán)或氧化磷酸化抑制劑等可使AMP/ATP比值增高，AMPK激活。AMP通過與AMPK γ亞基結(jié)合改變其構(gòu)象，增加AMPK活性。 AMP、二磷酸腺苷(ADP)或ATP與AMPK的結(jié)合可使其在對脫磷酸作用敏感與不敏感的狀態(tài)中相互轉(zhuǎn)換，影響AMPK的活性[3]。

AMPK的上游激酶包括腫瘤抑制蛋白(LKB1)、鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶(CaMKK β)和TGF-β活化激酶-1(TAK1)等。其中，LKB1可直接磷酸化AMPK α亞單位上的172位蘇氨酸而激活AMPK。近期研究表明，LKB1對AMPK的激活過程可發(fā)生于溶酶體表面，說明晚期溶酶體在機體代謝中的確發(fā)揮作用[4]。而CaMKK β主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)，對蘇氨酸172的磷酸化作用主要依賴于胞內(nèi)Ca2+濃度的改變，與ATP水平無關(guān)。TAK1的活性受多種細胞因子影響，如IL-1、TGF-β和CD40等，最新研究表明TAK1可能是通過激活LKB1間接激活AMPK，而非以往認為的直接激活[5]。

此外，AMPK可被5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(AICAR)特異性激活，AICAR被細胞攝取，在腺苷激酶的磷酸化作用下形成一磷酸衍生物ZMP。ZMP具有AMP樣作用，可激活AMPK。AMPK α2基因敲除小鼠骨骼肌中α2活性及蘇氨酸172的磷酸化受到抑制。而AMPK α1基因敲除小鼠除α1活性減弱外，蘇氨酸172活性無明顯變化，說明骨骼肌的α2亞基在AMPK的激活中發(fā)揮關(guān)鍵作用[6]。

2 AMPK與脂代謝

脂代謝紊亂主要表現(xiàn)為血漿脂質(zhì)(甘油三酯、游離脂肪酸等)水平的升高。AMPK能抑制脂肪酸及膽固醇合成、促進脂肪酸氧化。同時，AMPK可抑制脂肪細胞的前體細胞分化為脂肪細胞，調(diào)節(jié)脂肪組織的形成。Yin等[7]用AMPK抑制劑compound C處理肝細胞，發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)甘油三酯含量顯著升高，而用AMPK激活劑AICAR處理可發(fā)現(xiàn)細胞內(nèi)甘油三酯含量大幅下降，表明AMPK可降低細胞甘油三酯水平。

AMPK的活化可抑制脂肪酸和膽固醇的合成。乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和羥甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(HMGR)分別為脂肪酸合成和膽固醇合成的關(guān)鍵酶，同時ACC和HMGR也是AMPK下游的靶分子，可被磷酸化失活，使脂肪酸和膽固醇的合成被抑制。HMGR可催化羥甲基戊二酸單酰輔酶A(HMG CoA)生成甲羥戊酸，AMPK使其磷酸化失活，抑制HMG CoA向甲羥戊酸轉(zhuǎn)化，膽固醇合成減少[8]。同時，AMPK對脂肪酸合成酶、檸檬酸激酶等其他脂肪酸合成相關(guān)酶亦有一定的抑制作用。此外，亦有研究表明AMPK活化后可抑制SREBP-1c和ChREBP等的表達和轉(zhuǎn)錄活性，下調(diào)相關(guān)靶基因表達，抑制脂質(zhì)合成[9]。

AMPK的活化可促進脂肪酸氧化。ACC主要作用于乙酰輔酶A，使其羧化形成丙二酰輔酶A(McoA)。McoA是脂肪合成的第一步產(chǎn)物，可反饋抑制肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT-1)活性，從而抑制長鏈脂肪酸進入線粒體內(nèi)進一步氧化分解。當AMPK被激活時，ACC發(fā)生磷酸化而喪失功能，McoA含量減少，CPT-1作用增強，最終導致脂肪酸β氧化增加。研究顯示，胰高血糖素可以刺激AMPK對ACC1及ACC2進行調(diào)節(jié)，并且CaMKK β作為AMPK的上游激酶調(diào)節(jié)此代謝[10]。同時，有研究表明AMPK α活化后可激活PPAR α，上調(diào)相關(guān)靶基因，促進脂肪酸氧化[9]。

AMPK的活化可抑制脂解作用。研究發(fā)現(xiàn)，在大鼠的脂肪細胞過表達組成性激活的AMPK可以抑制異丙腎上腺素誘導的脂解作用。AMPK α1敲除小鼠的脂肪細胞體積變小，基礎(chǔ)水平和異丙腎上腺素誘導下的脂解水平均比對照組高。激素敏感性脂肪酶(HSL)是甘油三酯水解的關(guān)鍵酶，腎上腺素β受體激動劑升高胞質(zhì)cAMP水平，激活蛋白激酶A(PKA)，進而磷酸化HSL，使之轉(zhuǎn)位至脂滴發(fā)揮作用。當AMPK激活時，可磷酸化其下游靶蛋白HSL的絲氨酸565位點，抑制PKA磷酸化HSL，從而阻止異丙腎上腺素所誘導的HSL轉(zhuǎn)位，最終抑制脂解作用[11]。

此外，Puljak等[12]發(fā)現(xiàn)AMPK還可以激活另一條以前未發(fā)現(xiàn)的通路，與胞外脂蛋白的分泌有關(guān)，這條通路與脂肪酸氧化通路協(xié)同調(diào)控胞內(nèi)脂質(zhì)含量，在維持脂質(zhì)平衡中發(fā)揮重要作用。

3 AMPK與糖代謝

除脂代謝紊亂外，糖代謝紊亂也常發(fā)生于各種代謝性疾病中，如空腹血糖受損、糖耐量異常、糖尿病等。以往研究認為，AMPK活化時，可磷酸化磷酸果糖激酶和己糖激酶，抑制果糖-1,6二磷酸激酶、葡萄糖-6-磷酸酶及糖原合酶，從而促進糖酵解，抑制糖異生及糖原合成。同時，AMPK可磷酸化激活AS160可促進葡萄糖轉(zhuǎn)運體4(GLUT-4)從胞質(zhì)囊泡轉(zhuǎn)運至細胞膜表面并通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子，將血漿葡萄糖轉(zhuǎn)運入細胞，促進葡萄糖攝取利用，被認為在糖尿病的發(fā)病中發(fā)揮重要作用。

二甲雙胍是AMPK激活劑，目前廣泛應用于2型糖尿病的治療。有研究認為二甲雙胍通過AMPK通路發(fā)揮降血糖作用，而我們的研究表明在小鼠AMPK被敲除后，二甲雙胍仍可使血糖降低，機制可能為通過抑制線粒體電子傳遞鏈復合物刺激糖酵解促進葡萄糖代謝[13]。因此AMPK對糖代謝的確切作用及具體作用機制還需進一步研究。

4 AMPK與胰島素抵抗

胰島素抵抗常存在脂肪組織巨噬細胞炎癥反應的積累。AMPK的活化可改善脂肪組織巨噬細胞炎癥反應，進而改善胰島素抵抗，而敲除AMPK α2、β1亞基可引起胰島素敏感性下降。高脂飲食時，AMPK β1敲除小鼠血清葡萄糖和胰島素水平較對照組明顯升高，肝糖輸出增加，胰島素對肝糖產(chǎn)生的抑制作用減弱，同時，肝臟蛋白激酶磷酸化程度較對照組低[14]，表明AMPK β1敲除小鼠在高脂飼喂時的確存在肝臟胰島素抵抗。而小鼠α1敲除后未發(fā)現(xiàn)明顯代謝缺陷而AMPK α2敲除小鼠葡萄糖促胰島素分泌功能受損[15]。與之相一致的是，紅酒中發(fā)現(xiàn)的可激活AMPK的多酚類物質(zhì)——白藜蘆醇可預防高脂飲食的野生型小鼠發(fā)生胰島素抵抗，但對AMPK α2敲除的小鼠卻無此作用[16]。最新研究表明，AMPK激活劑可上調(diào)骨骼肌IRS-1蛋白和GLUT-4蛋白的表達，促進葡萄糖攝取，同時還可抑制IL-6、IL-8、MCP-1、COX-2等因子的釋放，改善胰島素抵抗[17]。以上結(jié)果說明AMPK α2、β1亞基可調(diào)控脂肪組織巨噬細胞炎癥反應，進而提高胰島素敏感性，而α1亞基無此作用。

脂肪組織可分泌多種生物活性物質(zhì)如脂聯(lián)素、瘦素和抵抗素等，稱為脂肪細胞因子，與胰島素抵抗、代謝綜合征等密切相關(guān)。在肥胖和2型糖尿病的發(fā)生發(fā)展中，血漿脂聯(lián)素水平的下降與胰島素抵抗的進展程度相平行?？崭沟饶芰肯臓顟B(tài)時血漿脂聯(lián)素水平上升，而機體處于肥胖等能量過剩狀態(tài)時脂聯(lián)素水平下降。脂聯(lián)素可通過促進骨骼肌細胞的脂肪酸氧化等途徑改善胰島素敏感性，并可以顯著降低TNF-α引起的炎癥反應。研究表明上述作用均依賴于AMPK的激活[18]。在骨骼肌，脂聯(lián)素通過磷酸化AMPK激活下游靶點MAPK，增強PPAR α轉(zhuǎn)錄活性及靶基因的表達，促進脂肪酸氧化，降低脂質(zhì)堆積。在肝臟中，脂聯(lián)素磷酸化AMPK，減少肝糖輸出，其中AMPK α2亞單位是關(guān)鍵靶點。

5 AMPK與攝食

2型糖尿病、肥胖和代謝綜合征等疾病均存在食欲增加、攝食增多等表現(xiàn)，導致攝入熱量多于消耗熱量，多余熱量以脂肪形式儲存在體內(nèi)，從而導致脂代謝的紊亂。下丘腦具有多個攝食調(diào)節(jié)區(qū)域，與機體攝食密切相關(guān)。

AMPK高表達于哺乳動物下丘腦弓狀核、外側(cè)區(qū)、腹內(nèi)側(cè)核和視上核等攝食調(diào)節(jié)區(qū)域，參與機體攝食調(diào)節(jié)。AMPK活性受饑餓、飽食等多種因素影響，與機體能量狀態(tài)密切相關(guān)，可作用于下丘腦，影響食物攝入。脂聯(lián)素、胃促生長素和瘦素等激素可作用于下丘腦，通過AMPK調(diào)節(jié)食欲。脂聯(lián)素可通過磷酸化AMPK促進攝食，抑制能量消耗，機制可能為增加AgRP mRNA的表達。胃促生長素激活AMPK后可促進脂肪酸氧化及線粒體生物合成，能量消耗時通過AgRP神經(jīng)元持續(xù)不斷釋放遞質(zhì)增加突觸的適應性，促進食物攝入。而瘦素可抑制下丘腦AMPK活性，增加抑制食欲的神經(jīng)肽釋放，減少食物攝入。中樞AMPK的慢性激活會增加糖尿病小鼠攝食，增加肝糖輸出，減弱葡萄糖刺激的胰島素分泌，加劇肝胰島素抵抗，導致葡萄糖代謝紊亂，能量代謝失衡，而中樞AMPK抑制劑可改善這種失衡，說明AMPK的激活在中樞和外周的作用是截然相反的。

綜上所述，AMPK廣泛參與機體代謝調(diào)控過程，可作為糖尿病、高血脂、肥胖癥、代謝綜合征等能量代謝紊亂疾病的治療靶點。

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國家自然科學基金資助項目(31171128)。

殷峻(E-mail:yinjun@sjtu.edu.cn)

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.01.039

R589.1;R589.2

A

1002-266X(2017)01-0109-03

2016-10-12)