腺苷酸活化蛋白激酶與心肌缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展

劉家袁，梁貴友,王紅陽(yáng)

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院,貴州遵義 563000)

·綜述·

腺苷酸活化蛋白激酶與心肌缺血再灌注損傷的研究進(jìn)展

劉家袁，梁貴友,王紅陽(yáng)

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院,貴州遵義 563000)

腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)作為心肌細(xì)胞的能量感受器，其不僅能調(diào)節(jié)并感知心肌細(xì)胞內(nèi)的能量狀態(tài)，還能在心肌細(xì)胞缺血、缺氧條件下被激活，通過(guò)抑制ATP的消耗代謝途徑，刺激ATP的生成代謝途徑，維持心肌細(xì)胞的能量穩(wěn)態(tài)，減少能量供應(yīng)不足對(duì)心肌產(chǎn)生的損傷。此外，激活的AMPK還能通過(guò)抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激、抑制細(xì)胞凋亡、優(yōu)化能量代謝、調(diào)節(jié)自噬等作用減少缺血-再灌注過(guò)程中心肌細(xì)胞的損害面積，從而延長(zhǎng)心肌細(xì)胞的存活率。

心肌缺血再灌注損傷；腺苷酸活化蛋白激酶；能量代謝；心肌細(xì)胞；細(xì)胞自噬

心肌缺血再灌注損傷(MIRI)是指心肌組織細(xì)胞在低灌流缺血后恢復(fù)血液再供應(yīng)時(shí)，心肌組織細(xì)胞的缺血性損害并未減輕或恢復(fù)，反而加重了其缺血性損傷的現(xiàn)象。如心臟手術(shù)、冠脈搭橋、臟器血供梗塞后再通、器官移植以及休克臟器低灌流糾正后都可能發(fā)生再灌注損傷。腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)廣泛存在于真核細(xì)胞中，是一種進(jìn)化上保守的能量傳感器，在調(diào)控能量平衡和代謝方面起著重要的作用。其不僅能夠維持缺血再灌注過(guò)程中心肌的能量平衡，還能產(chǎn)生心肌保護(hù)作用，抑制心肌細(xì)胞的凋亡。AMPK是由一個(gè)催化亞基α、兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基β和γ組成的進(jìn)化上保守的異源三聚體。其中催化亞基α包含兩種亞型即α1和α2，調(diào)節(jié)亞基β包含兩種亞型即β1和β2，以及調(diào)節(jié)亞基γ包含γ1、γ2、γ3三種亞型[1～3]。AMPK廣泛分布于真核細(xì)胞中，不同的組織和細(xì)胞具有不同的同分異構(gòu)體[4]。

1 AMPK的活性及調(diào)節(jié)

1.1 AMP/ATP比值調(diào)節(jié) 在生理?xiàng)l件下，真核細(xì)胞內(nèi)AMP的含量很低，AMPK基本處于冬眠狀態(tài)。然而細(xì)胞在缺血、缺氧、饑餓、能量消耗、氧化應(yīng)激等條件刺激下，均會(huì)導(dǎo)致機(jī)體內(nèi)AMP/ATP比值升高，促使AMPK快速激活，從而關(guān)閉ATP的消耗代謝途徑，開(kāi)啟ATP的生成代謝途徑，維持機(jī)體的能量供應(yīng)需求，因而，AMPK也被稱(chēng)為“細(xì)胞的能量調(diào)節(jié)器”。此外，AMP能夠通過(guò)與γ亞基的結(jié)合，變構(gòu)激活A(yù)MPK，并能磷酸化α亞基蘇氨酸172位點(diǎn)從而使其不被去磷酸化，提高及維持AMPK激酶的活性。5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸作為AMPK的常用激活劑，能被細(xì)胞所攝取，通過(guò)磷酸化作用形成與AMP作用相似的一磷酸衍生物5-氨基-4-甲酰胺核苷酸，變構(gòu)激活A(yù)MPK。

1.2 非AMPK依賴(lài)的調(diào)節(jié)通路 在骨骼肌中瘦素能夠激活A(yù)MPK的亞單位，通過(guò)抑制?；o酶A羧化酶的活性，促進(jìn)脂肪酸的β氧化。血漿中的瘦素多是以游離及結(jié)合的形式存在的，肥胖患者循環(huán)中的瘦素大多是處于游離狀態(tài)的，以單體形式分布于血漿中。此外，瘦素還能夠選擇性激活骨骼肌中的α2亞基，抑制下丘腦中AMPK的活性，抑制機(jī)體的食欲，導(dǎo)致體重下降。近年發(fā)現(xiàn)，脂聯(lián)素能夠快速激活A(yù)MPK，在提高糖脂代謝、促進(jìn)新血管形成、抗炎、緩解胰島素抵抗等方面具有重要的作用，然而其激活A(yù)MPK的具體信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制仍不確定[5]。此外，二甲雙胍、羅格列酮、非洛貝特、氟伐他汀等臨床上常用的藥物都能激活A(yù)MPK。

1.3 AMPK激酶通路 截至目前發(fā)現(xiàn)的AMPK上游激酶有三種，即LKB1、CaMKKβ和TAK1。LKB1是一種抑癌基因，其能直接磷酸化α亞基中蘇氨酸172位點(diǎn)從而促進(jìn)AMPK的激活。已有研究發(fā)現(xiàn)，LKB1可以與另外兩個(gè)亞基STRADα/β和MO25α/β形成復(fù)合物，作為AMPK級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的上游激酶，從而活化AMPK及其亞家族的多種激酶[6]。CaMKKβ主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)中，主要是通過(guò)增加細(xì)胞內(nèi)Ca2+的濃度來(lái)激活A(yù)MPK，不依賴(lài)于AMP/ATP比值影響。此外，體外TAK1及其相關(guān)蛋白TAB1能夠通過(guò)磷酸化AMPKα亞單位中蘇氨酸172位點(diǎn)來(lái)刺激AMPK的激活。

2 AMPK與心肌缺血再灌注損傷

2.1 調(diào)節(jié)心肌能量代謝 研究顯示，AMPK的快速激活可以提高骨骼肌和心肌細(xì)胞膜上的Glut4 mRNA的表達(dá)水平從而促進(jìn)Glu的跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)[7，8]。AMPK激活后，能夠通過(guò)促進(jìn)缺血心肌內(nèi)ATP的生成途徑，抑制ATP的消耗途徑來(lái)維持心肌細(xì)胞內(nèi)的能量平衡，減少心肌細(xì)胞的損傷，產(chǎn)生心臟保護(hù)作用。在缺血缺氧情況下，激活的AMPK能夠促進(jìn)心肌細(xì)胞膜上Glut4的跨膜轉(zhuǎn)位，增加葡萄糖的攝取和利用。在再灌注早期，激活的AMPK可以抑制ACC的活性，減少丙二酰輔酶A的含量，促進(jìn)脂肪酸的氧化，彌補(bǔ)機(jī)體的能量消耗[9]。然而，AMPK的激活還增加了過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活劑-1α以及錳超氧化物歧化酶mRNA的活性，促進(jìn)了線粒體的生物合成，抑制了線粒體活性氧簇的生成，從而促進(jìn)了脂肪酸的氧化。此外，在缺血缺氧期間，AMPK的激活還能通過(guò)磷酸化糖酵解過(guò)程的限速酶--磷酸果糖激酶-2刺激2,6-二磷酸果糖的生成，加速機(jī)體的糖酵解途徑，從而為機(jī)體產(chǎn)熱提供能量。

2.2 抑制蛋白質(zhì)的合成 研究表明，AMPK對(duì)蛋白質(zhì)合成途徑的調(diào)控主要表現(xiàn)在翻譯過(guò)程。其主要機(jī)制有：① AMPK的激活能夠?qū)е卵娱L(zhǎng)因子2激酶的激活和增加其磷酸化，從而抑制蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程的延長(zhǎng),減少蛋白質(zhì)的合成，減少機(jī)體的能量消耗。②磷酸化的AMPK能夠致使哺乳動(dòng)物體內(nèi)雷帕霉素靶蛋白(mTOR)失活，從而抑制蛋白質(zhì)的生物合成。在缺血缺氧條件下，mTOR活性減弱，導(dǎo)致mTOR對(duì)其效應(yīng)器真核細(xì)胞啟始因子4E結(jié)合蛋白、S6激酶、核糖體蛋白S6激酶和真核細(xì)胞起始因子4G的磷酸化作用減弱，從而抑制機(jī)體的蛋白質(zhì)合成途徑，減少ATP的消耗[10]。③AMPK能夠直接磷酸化，導(dǎo)致其上的結(jié)合蛋白raptor的解離，使得mTOR喪失活性，從而抑制機(jī)體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成途徑，減少能量消耗[11]。

2.3 保護(hù)心肌內(nèi)皮細(xì)胞的功能 Gonon等[12]研究發(fā)現(xiàn)，脂聯(lián)素能夠促進(jìn)心肌內(nèi)皮細(xì)胞產(chǎn)生NO，降低內(nèi)皮細(xì)胞粘附分子的表達(dá)，抑制心肌內(nèi)皮細(xì)胞的凋亡，減少巨噬細(xì)胞中細(xì)胞因子的生成。脂聯(lián)素在心肌缺血再灌注過(guò)程中能夠刺激AMPK的快速激活，激活的AMPK能夠通過(guò)磷酸化內(nèi)皮型NO合酶的Ser1177位點(diǎn)和Ser633位點(diǎn)增加NO的產(chǎn)生，促進(jìn)血管平滑肌的舒張，增加血流，改善心肌缺血再灌注損傷。此外，AMPK還能通過(guò)增加內(nèi)皮細(xì)胞對(duì)游離脂肪酸(FFA)的氧化利用，減輕FFA堆積所造成的心肌內(nèi)皮細(xì)胞脂毒性，降低心肌內(nèi)的膽固醇水平，從而產(chǎn)生保護(hù)效應(yīng)。AMPK激活后能夠抑制中性粒細(xì)胞與內(nèi)皮細(xì)胞間黏附和減少cAMP介導(dǎo)的上皮氯化物的分泌，從而減輕心肌內(nèi)皮細(xì)胞的炎癥反應(yīng)。

2.4 抑制心肌細(xì)胞凋亡 Raymond等[13]對(duì)AMPK活性被長(zhǎng)期抑制的轉(zhuǎn)基因小鼠進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，與野生型小鼠相比其左室收縮壓的變化速率較低，且在缺血再灌注后其心功能恢復(fù)時(shí)間延長(zhǎng)，Caspase-3的活性增加，導(dǎo)致心肌細(xì)胞凋亡率升高。Chin等[14]在C57BL/6J小鼠心臟移植模型中發(fā)現(xiàn)激動(dòng)劑二甲雙胍能夠通過(guò)刺激AMPK的快速激活抑制心臟移植過(guò)程中缺血再灌注損傷所引起的心肌細(xì)胞凋亡，改善移植心臟功能及其移植后的慢性排斥反應(yīng)。Shibata等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在接扎小鼠冠狀動(dòng)脈左前降支血管30 min再灌注48 h之后,與野生型小鼠相比在心肌缺血再灌注期間脂聯(lián)素基因敲除小鼠的心肌梗死面積增加，心肌細(xì)胞的凋亡活性升高，TNF-α基因的表達(dá)增加，AMPK的磷酸化能力下降。但在缺血再灌注后給脂聯(lián)素基因敲除的小鼠補(bǔ)充脂聯(lián)素后，其心肌細(xì)胞的凋亡率明顯降低，磷酸化AMPK的含量增加。此外，在應(yīng)用脂聯(lián)素后小鼠新生的心肌細(xì)胞具有一定的抵抗缺血缺氧的能力。而使用突變的具有抑制作用的AMPK預(yù)處理小鼠心臟后，則其心肌細(xì)胞的凋亡率明顯增加。Timmermans等[16]研究發(fā)現(xiàn)，在給予A-769662激活A(yù)MPK的小鼠離體心臟中，其左室的收縮功能恢復(fù)良好，心肌壞死及梗死面積縮小，并伴有心肌真核延長(zhǎng)因子-2的磷酸化和失活，維持了心肌缺血期的能量供應(yīng)，抑制了缺血性攣縮的發(fā)展過(guò)程，減輕了心肌細(xì)胞的壞死和凋亡。

2.5 調(diào)節(jié)自噬 Matsui等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在心肌再灌注過(guò)程Beclin-1基因的表達(dá)水平顯著升高，而在缺血期則無(wú)此現(xiàn)象。相反，在敲除Beclin-1基因的小鼠心臟中，自噬體在再灌注過(guò)程的形成受到了明顯的抑制。由此說(shuō)明，在心肌缺血再灌注期間Beclin-1基因能夠誘導(dǎo)心肌發(fā)生自噬現(xiàn)象。然而，Beclin-1基因和Beclin-2基因間平衡關(guān)系能夠間接的調(diào)控心肌細(xì)胞的自噬過(guò)程，Beclin-2基因的表達(dá)水平下降不但可以誘發(fā)心肌細(xì)胞凋亡還能通過(guò)激活Beclin-1基因來(lái)激活自噬，此時(shí)的自噬對(duì)心肌是有害的，能夠誘導(dǎo)心肌細(xì)胞壞死和凋亡。此外，在模擬心肌缺血誘導(dǎo)細(xì)胞自噬的葡萄糖缺乏小鼠心臟中，AMPK被激活和mTOR信號(hào)通路受到抑制，抑制AMPK的活性能夠減少葡萄糖缺乏引起的保護(hù)性自噬，表明缺血期AMPK的激活可以誘發(fā)心肌保護(hù)性自噬現(xiàn)象。

2.6 抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng) Dong等[18]研究發(fā)現(xiàn)，在敲出小鼠AMPKα2亞基后，其內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)會(huì)顯著增加，由此證明，AMPK可以作為內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激的抑制劑。Tao等[19]在小鼠缺血再灌注模型試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，激活的AMPK能夠通過(guò)抑制心肌內(nèi)異常的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激反應(yīng)產(chǎn)生心肌缺血再灌注損傷保護(hù)效應(yīng)。此外，激活的AMPK會(huì)增加糖調(diào)節(jié)蛋白-78表達(dá)水平，降低促凋亡分子CHOP、caspase-3和caspase-12的表達(dá)水平，促進(jìn)抗凋亡蛋白Bcl-2在心肌內(nèi)表達(dá)，從而抑制內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞的凋亡。

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國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(81360035、81560058)；貴州省科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目(黔科合SZ字2014-3022號(hào))；貴州省教育廳自然科學(xué)招標(biāo)項(xiàng)目(黔教科合KY字2013-165號(hào))。

10.3969/j.issn.1002-266X.2017.17.033

R654

A

1002-266X(2017)17-0093-03

;2017-01-17)