LKB1-AMPKα-SIRT1信號通路在奶牛脂肪組織脂代謝中的調控作用

明鵬飛 黃瑩瑩 董妍麗 聶星燦 馮士彬 王希春 程建波 李錦春吳金節(jié) 李玉

（安徽農業(yè)大學動物科技學院，合肥 230036）

奶牛體內的脂肪組織主要分布在腹部、皮下和內臟等部位，由脂肪細胞、血管和神經組成，主要含有甘油三酯，既是一個儲能器官，也是全身最大的內分泌器官，通過脂肪細胞分泌脂肪酸、細胞因子、酶等，與肝臟等眾多組織器官相互聯(lián)系，進而參與機體脂代謝。肝激酶B1（Liver kinase B1，LKB1）也稱為絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶11（Serine-threonine kinase 11，STK11）主要位于細胞核中，但其功能的表現(xiàn)主要是由細胞漿內的部分引發(fā)，在控制和調節(jié)細胞能量代謝、細胞凋亡等過程中起重要作用［1］。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是一種高度保守的蘇氨酸激酶，廣泛存在于各種真核細胞中，在維持細胞內能量代謝平衡過程中起著重要的作用［2］。沉默信息調節(jié)因子1（Silent mating type information regulation 2 homolog1，SIRT1）是輔酶Ⅰ（Nicotinamide adenine dinucleotide，NAD+）依賴的組蛋白去乙?；?，主要定位于細胞核中，在哺乳動物的多種組織中廣泛表達，通過使底物發(fā)生去乙?；饔脜⑴c細胞生存和物質代謝等過程的調節(jié)［3］。LKB1還可以作為AMPKα的上游磷酸化并激活AMPKα，繼而激活下游SIRT1、過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔助激活因子-1α（Peroxisome proliferator-activated receptor gamma co-activator，PGC-1α）及一些轉錄因子等，抑制耗能過程［4-5］。此外，SIRT1可通過去乙?；疞KB1繼而增加AMPKα的活性［6］。近年來，LKB1、AMPKα、SIRT1信號通路在脂代謝中的作用引起了廣泛關注。本文就LKB1、AMPKα、SIRT1在奶牛脂肪組織脂代謝中的作用機制做一綜述與分析，旨在為研究奶牛脂代謝紊亂性疾病提供新的思路。

1 LKB1分子結構及其對奶牛脂代謝的影響

LKB1是一種與腫瘤發(fā)生緊密相關的基因，廣泛分布于胚胎及成人的多種組織中，通過磷酸化和細胞定位兩種機制進行信號調節(jié)，可參與細胞內脂肪分化和生成等過程［7］。LKB1基因屬于AMPKK家族成員，可作為AMPKα相關的13種激酶的上游激酶，磷酸化并激活AMPKα，促進LKB1從細胞核內移位到細胞漿內［8］，而且這種激活屬于組成性激活，不依賴細胞內腺苷一磷酸/腺苷三磷酸（Adenosine monophosphate，AMP/Adenosine-triphosphate，ATP）比率等因素的刺激。研究表明LKB1可通過激活其 上 游 PI3K（Phosphatidylinositol-3-kinase）-AKT（Related to the A and C kinase）信號通路抑制總膽固醇（Total cholesterol，TC）、甘油三酯（Triglyceride，TG）和低密度脂蛋白膽固醇（Low-density lipoprotein cholesterol，LDL-C）的合成，參與脂肪生成調節(jié)，從而抑制奶牛脂肪組織脂肪酸的合成［9］。另外，LKB1可使乙酰輔酶A羧化酶（Acetyl CoA carboxylase，ACC）活性降低，ACC活性降低會導致脂肪酸合成速率降低，還可增加肉堿棕櫚酰轉移酶 1（Carnitine palmitoyltransferse1，CPT1）、肉堿棕櫚酰轉移酶2（Carnitine palmitoyltransferse2，CPT2）的活性，使脂氧化速率增加，進而減少奶牛體內的脂肪含量［10］。因此，激活的LKB1可以調控脂質合成與分解代謝，最終降低脂肪的儲存。

2 AMPK結構及對脂代謝的影響

AMPK是一個進化保守的蘇氨酸蛋白激酶，由催化亞基α、調節(jié)亞基β和γ組成，AMPK活性調節(jié)需要3個亞基共同完成，AMPKα可通過對靶蛋白的磷酸化調節(jié)，影響脂代謝［11］。胞內AMP/ATP比值的變化對AMPKα活性影響甚大，當AMP/ATP增加時，AMPKα被活化，使脂肪合成抑制［12］。AMPKα激活后可磷酸化膽固醇合成關鍵酶3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶（3-hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A reductase，HMGR）， 抑 制 膽 固醇的合成，磷酸化脂肪酸合成關鍵酶ACC、脂肪酸酰基化關鍵酶甘油磷酸?；D移酶（Glycerol-3-phosphate acyltransferase，GPAT），抑制脂肪酸和TG的合成，磷酸化激素敏感酯酶（Hormone-sensitive triglyceride lipase，HSL）促進脂酰甘油酯和膽固醇脂水解［13-14］。因此，AMPK活性降低可能導致血漿游離脂肪酸升高，以及脂質在體內的異位沉積，進而導致脂質代謝紊亂性疾病的發(fā)生。

3 SIRT1信號轉導通路

SIRT1是目前為止在Sirtuin家族中研究最為深入的一個成員［15］。SIRT1活性受NAD+/NADH調節(jié)，NAD+的生物合成隨著年齡的增加逐漸下降，導致SIRT1活性下降［16］。Kim等［17］研究表明 DHA可通過增加AMPKα表達、導致SIRT1的過表達。目前已發(fā)現(xiàn)SIRT1可與多種蛋白分子、因子相互作用，如叉頭轉錄因子O亞家族（Forkhead box-containing protein O subfamily，F(xiàn)OXOs）、 肝 x受 體（Liver x receptors，LXR）等，SIRT1通過使上述蛋白分子特定部位發(fā)生去乙?；?，產生多種生物學效應［3］。SIRT1可以調節(jié)膽固醇的重要感受器LXR和脂質合成關鍵調節(jié)蛋白固醇調節(jié)元件結合蛋白（Sterol regulatory element-binding protein，SREBP）、過氧化物酶激活受體γ（Peroxisome proliferators-activated receptors，PPARγ）的活性進而調節(jié)脂類和膽固醇代謝，抑制脂類的合成，從而減少脂質儲存［18］。

4 奶牛脂肪組織脂代謝

奶牛體內的脂肪組織主要包括白色和棕色脂肪組織，其分泌的細胞因子和肽類激素會影響和調節(jié)脂肪組織乃至整個奶牛機體的代謝，隨著脂肪組織的聚集，其釋放大量的游離脂肪酸（Free fatty acid，F(xiàn)FA）被運送到非脂肪組織，將導致脂質代謝發(fā)生變化［19］。研究表明白色脂肪組織還可以通過PPARγ、腺苷等信號分子和miRNAs等轉化為棕色脂肪組織［20］，降低奶牛機體脂肪的儲藏量。因此，有效控制脂肪的合成與分解，對奶牛肥胖、高脂血癥及其相關代謝綜合征的治療有重要的作用。

奶牛脂肪組織脂質代謝由許多轉錄因子調節(jié)，其體內的脂肪儲藏量取決于脂肪的合成與分解代謝，脂合成和脂質分解是通過內源基因與外部調控因子之間相互作用完成的。奶牛脂合成是脂肪酸在細胞液內由脂肪酸合成酶（Fatty acid synthetase，F(xiàn)AS）等酶的催化下，以乙酰CoA為引物，通過丙二酰單酰CoA，合成長鏈脂肪酸，其中DGAT是合成甘油三酯的關鍵酶，DGAT表達升高可以促進TG合成［21-22］。

當機體缺乏能量時，脂肪分解作用增強，主要通過線粒體中β-氧化作用釋放FFA和甘油進入血液，經由大循環(huán)，進入到其他組織［23］。HSL和脂肪甘油三酯脂肪酶（Adipose triacylglyceride lipase，ATGL）在脂質分解代謝過程中，分工協(xié)作，各自發(fā)揮作用，共同完成對TG的分解作用。甘油作為脂肪分解釋放的產物，被運輸到肝臟，經過甘油激酶催化和糖異生作用釋放氫供能，同時脂肪分解產生的FFA在脂酰CoA合成酶和ACC氧化酶（1-aminocyclop ropane-1-carboxylic acid oxidase，ACO）的催化下進行氧化反應，之后被轉移到不同的組織器官中提供能量［24-25］。

5 LKB1-AMPKα-SIRT1信號通路對奶牛脂肪組織脂代謝的調節(jié)

5.1 LKB1-AMPKα-SIRT1相互作用的方式

AMPKα是Sirt1上游，可通過升高細胞內AMP/ATP的比例，特別是NAD+/NADH的水平來提高Sirt1的活性［26］，而Sirt1通過使AMPKα上游激酶LKB1去乙?；源龠MLKB1移位至胞質中，繼而增加AMPKα磷酸化和活性，調節(jié)脂代謝［27］。LKB1作為AMPKα的上游激酶，可以通過不依賴細胞內AMP/ATP比率的方式與STRAD（STE20 related adaptor protein）-MO25（Mouse protein 25）組成異源三聚體磷酸化AMPKα進而參與奶牛脂肪組織脂代謝的調節(jié)［28］，通過抑制脂質合成和促進脂肪酸氧化來減少脂質積聚。因此，LKB1-AMPKα-SIRT1信號通路與奶牛脂代謝密切相關，在奶牛脂肪組織脂代謝過程中起重要調節(jié)作用。LKB1-AMPKα-SIRT1信號通路，如圖1所示。

5.2 LKB1-AMPKα-SIRT1對奶牛脂肪組織脂代謝的調節(jié)

奶牛脂肪組織脂代謝由脂肪酸合成酶FAS、脂肪酸氧化酶（ACO、CPT1和CPT2），脂肪酸轉運蛋 白（Apolipoprotein B，ApoB、Apolipoprotein E，ApoE）、脂肪酸調控關鍵酶脂聯(lián)素（Adiponectin，ADPN）、脂蛋白脂酶（Lipoprteinlipase，LPL）以及轉錄調節(jié)因子PPARγ和SREBP-1c、碳水化合物反應元件結合蛋白（Carbohydrate response element binding protein，ChREBP）等多種因子相互作用共同調節(jié)。LKB1-AMPKα-SIRT1信號通路可通過上述一種或多種因子調控奶牛脂肪組織脂質代謝，減少奶牛的脂肪沉積。

HMGR是AMPKα的一種作用底物，主要調節(jié)膽固醇的合成，AMPKα通過磷酸化HMGR肽鏈中的Ser871位點抑制HMGR的活性，HSL是膽固醇脂的水解酶，活化的AMPKα可以抑制HSL mRNA的表達，抑制機體FFA的釋放［29］。ACC是脂肪酸從頭合成過程中的限速酶，催化乙酰CoA形成丙二酸單酰CoA，抑制脂肪酸氧化限速酶CPT-1活性，阻礙脂肪酸進入線粒體，降低脂肪酸的氧化［30］。AMPKα的激動劑5-氨基咪唑-4-氨甲酰核糖核苷（5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofuranoside，AICAR）可激活AMPKα活性并減少內源性FAS基因的表達，磷酸化ACC（Ser79），進而減少丙二酸單酰CoA的生成，減少脂肪酸的合成并解除丙二酸單酰CoA對CPT-1的抑制，增加CPT-1的活性，促進脂肪酸進入到線粒體內進行β氧化，減少細胞內甘油三酯的含量，從而降低奶牛機體脂肪量［31-32］。當AMPK活性升高后，使脂肪酸?；透视腿ズ铣申P鍵酶GPAT失活，不僅抑制了脂肪酸的合成，還促進了脂肪酸的氧化分解［33］。

AMPKα還可以通過調節(jié)PPARγ在奶牛脂肪細胞中的表達來發(fā)揮作用。PPARγ具有脂肪組織特異性，在脂肪細胞分化和脂肪代謝調控中起著重要作用，其主要通過誘導脂肪酸轉位酶（Fatty acid translocase，F(xiàn)AT）表達來促進脂肪酸的跨膜轉運［34］。奶牛脂肪組織中SIRT1可負調控脂肪細胞中的PPARγ，正調控PGC-1α表達，使FAS表達減少，降低脂肪沉積［35］。SREBP-1c轉錄因子通過促進脂肪和膽固醇生成基因的表達促進脂肪的儲存，SIRT1的激活引起SREBP-1c蛋白表達水平下降，使其目的基因如HMGR和FAS的表達量減少［36-37］，抑制了脂質的合成，使奶牛體內脂肪蓄積減少。

研究表明在奶牛體內NEFA可以上調LKB1，促進AMPKα磷酸化與PPARα表達，促進脂氧化基因 ACO 等的表達［10，37］。LKB1的受體 LXRQ 和其靶向基因SREBP-1c在脂肪的形成中扮演重要的角色，SREBPl-1C的作用分子包括ACC、膽固醇合成酶基因（3-hy-droxy-3-methylglutaryl coenzyme A，HMG-CoA）、HMG-CoA還原酶基因、FAS、脫羧酶基因等，SREBP-1c的活化由LXR-α介導完成，使SREBP下游脂肪合成酶基因激活，導致血漿甘油三酯合成增加［38-39］。當細胞內AMP/ATP比例升高時，促進LKB1對AMPKα磷酸化，繼而激活SIRT1，最終使下游靶點基因PGC-1α等發(fā)生去乙?；?，促使脂合成基因ACC、FAS失活［40］?；罨腖KB1促進脂解基因CPT1、CPT2的表達和轉錄，抑制脂肪生成基因SREBP-1c和ChREBP的表達和轉錄活性，研究表明ChREBP與SREBP-1c既相互獨立又相互協(xié)同共同調控脂肪組織脂質合成作用，不飽和脂肪酸（Polyunsaturated fatty acid，PUFA）可通過AMPKα信號通路負向調控ChREBP的轉錄活性，促進ChREBP與SREBP的蛋白降解，使細胞內含量降低，減少下游靶標脂合成基因的表達，以此來控制奶牛體內脂肪的生成［41］。此外，LKB1-AMPKα-SIRT1可通過載脂蛋白、維生素E、miRAN等多種調控因子間接調控奶牛脂肪組織的脂代謝過程［42-46］。因此，LKB1- AMPKα-SIRT1可通過調控脂肪酸合成與分解相關的基因來控制脂肪在奶牛體內的含量。

綜上所述，LKB1-AMPKα-SIRT1相關信號通路可通過調節(jié)TG的合成與轉化及脂合成、脂氧化基因與轉錄因子來控制奶牛脂肪組織脂質代謝。其與奶牛脂肪組織脂質代謝密切相關，當此信號通路出現(xiàn)功能失調時，奶牛脂質代謝就會紊亂，導致脂代謝綜合征及其并發(fā)癥的形成。LKB1-AMPKα-SIRT1信號通路調控脂代謝的方式，如圖2所示。

圖2 LKB1-AMPKα-SIRT1信號通路調控脂代謝的方式

6 結語

奶牛脂肪代謝的調控涉及心、腦、腎、脂肪、肝臟和肌肉等多個組織器官的功能協(xié)調及脂肪、糖類、蛋白質等物質代謝途徑之間的相互關系，因而對奶牛脂肪組織脂代謝的研究，應運用整體與部分的原理，結合基因組學、代謝組學和蛋白質組學等，繪制參與相關調控的網絡，在調控網絡中探究關鍵的基因或代謝途經，以期發(fā)現(xiàn)更多的治療靶標。目前，LKB1的研究還未完全成熟，其生物學結構及功能尚未得到全面的揭示，有關AMPK調控脂肪代謝的研究主要集中于相關轉錄因子活性及表達，今后應結合分子生物學等多種技術手段在細胞與整體水平上深入研究其調控機理。另外，隨著SIRT1上下游分子的不斷發(fā)現(xiàn)以及基因研究的進一步開展，可最終為LKB1-AMPK-SIRT1作為治療靶點提供依據。