蔗糖非發(fā)酵1相關激酶在能量代謝及炎癥中的作用及機制研究進展*

蔡勁薇，李 杰，鄺 建

［1廣西醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科，廣西南寧530021；2廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學科學院）國際健康研究中心，廣東廣州510199；3廣東省人民醫(yī)院（廣東省醫(yī)學科學院）廣東省老年醫(yī)學研究所內(nèi)分泌科，廣東廣州510080；4南方醫(yī)科大學第二臨床醫(yī)學院，廣東廣州510515］

隨著分子克隆技術的誕生和許多致癌基因編碼蛋白激酶的發(fā)現(xiàn)，目前人類激酶組已鑒定出538種蛋白激酶［1］，約占人類所有基因的2%［2］。蛋白激酶及其同源磷酸酶通過催化可逆的蛋白磷酸化在信號轉導中起著重要作用。通過改變底物活性，蛋白激酶控制著許多細胞過程，包括代謝、轉錄、細胞周期/增殖、細胞骨架重排及細胞遷移、凋亡和分化。常見特定氨基酸殘基絲氨酸（serine，Ser）、蘇氨酸（threonine，Thr）、酪氨酸（tyrosine，Tyr）、組氨酸（histidine，His）和天冬氨酸（aspartate，Asp）上的磷酸化可以直接誘導活性部位構象變化或間接調(diào)節(jié)蛋白間相互作用而調(diào)控目標蛋白活性［3］。

蔗糖非發(fā)酵1相關激酶（sucrose non-fermentation 1-related kinase，SNRK）是一種Ser/Thr蛋白激酶，廣泛存在于動植物中，包括SNRK1、SNRK2和SNRK3亞家族。SNRK1與酵母和哺乳動物同源，具有高度保守的末端催化結構域，在調(diào)節(jié)碳代謝和能量狀態(tài)方面起著重要作用。SNRK2和SNRK3亞家族是植物特有的，比SNRK1亞家族更為多樣［4］。

在哺乳動物中，SNRK是1996年從大鼠脂肪細胞cDNA文庫中克隆出來的，是蔗糖非發(fā)酵1/AMP活化蛋白激酶（sucrose non-fermentation 1/AMP-activated protein kinase，SNF1/AMPK）家族的一個重要成員。SNRK通過含有谷胱甘肽S-轉移酶的重組融合蛋白催化了組蛋白的自磷酸化和磷酸化，在小鼠3T3-L1細胞分化為脂肪細胞樣表型中特異性表達［5］。SNRK參與調(diào)控了包括哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）、核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）和Rho相關激酶（Rho-associated kinase，ROCK）在內(nèi)的多種蛋白質(zhì)和信號通路［6-8］，并參與了多種細胞代謝和疾病過程，包括脂肪和心肌細胞炎癥及代謝［6-7，9-11］、心臟線粒體效率穩(wěn)態(tài)［12］、小腦顆粒神經(jīng)元凋亡［13］、腎小球內(nèi)皮細胞炎癥及纖維化［8］、癌細胞增殖［14-16］、促血管生成［17-18］，是新興研究領域。本文就SNRK的生物化學結構及其對能量代謝和炎癥的調(diào)控作用相關研究進展進行綜述。

1 SNRK的生物化學結構及關聯(lián)激酶

1.1 SNRK的結構人SNRK基因在第3號染色體3p21區(qū)域跨越39.8 kb，由6個外顯子和5個內(nèi)含子［19］，746個氨基酸組成，分子量為81.627 kD［13］。SNRK激酶結構域（kinase domain，KD）-泛素相關結構域（ubiquitin-associated domain，UBA domain）包括KD（第24～270位氨基酸）和UBA結構域（第292～344位氨基酸），通過一個柔性連接體（第271～291位氨基酸）連接。UBA結構域由3個α螺旋（α1～α3）組成，并在KD的N和C葉之間的界面上折疊；KD顯示典型的雙葉激酶折疊，包括一個小N葉和一個大C葉。KD的N葉由β片（β2～β5）和突出的αC螺旋組成；KD的C葉主要是α螺旋結構，包含催化環(huán)（包含HRD基序）和活化段（包含DFG和APE基序）。UBA結構域可能通過限制αC螺旋和活化段的構象來抑制激酶活性。野生型SNRK KD-UBA很容易被磷酸化，而活化段中Thr173的突變則消除了磷酸化，證實了SNRK可以被肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）磷酸化，是AMPK家族的真正成員［20］。

1.2 LKB1、AMPK與SNRK家族人類LKB1又稱Ser/Thr激酶11（Ser/Thr kinase 11，STK11），其基因位于染色體19p13.3上，由10個外顯子組成，全長23 kb。LKB1基因編碼約50 kD的Ser/Thr激酶，首次在Peutz-Jeghers綜合征（Peutz-Jeghers syndrome，PJS）中檢測到突變。PJS是一種罕見的遺傳性疾病，特征是黏膜皮膚色素沉著、胃腸道錯構瘤性息肉病以及腫瘤的風險增加。LKB1在不同的細胞類型中可以形成不同的蛋白復合物，具有不同的細胞定位，其下游通路包括SNRK、AMPK、微管親和力調(diào)節(jié)激酶（microtubule affinity-regulating kinase，MARK）、鹽誘導激酶（salt-inducible kinase，SIK）、NUAK家族SNF1樣激酶1（NUAK family SNF1-like kinase 1，NUAK1）和腦特異性激酶（brain-specific kinase，BRSK）等信號轉導途徑。LKB1在不同的條件下可以磷酸化、預酸化和泛素化。大多數(shù)AMPK相關激酶包括SNRK在催化結構域的C端有一個UBA結構域，是LKB1介導的磷酸化和激活其激酶活性所必需的［21］。研究顯示SNRK是LKB1的新底物，LKB1通過磷酸化T環(huán)殘基（Thr173）激活SNRK，暴露于LKB1/STE20相關銜接蛋白（STE20-related adaptor protein，STRAD）/小鼠蛋白25（mouse protein 25，MO25）異三聚體復合物和鎂-ATP條件下可誘導時間依賴性SNRK的5倍激活。含 有LKB1、STRADα（或STRADβ）及MO25α（或MO25β）的異三聚體復合物對SNRK的顯著活化是必要的，其中LKB1/STRADα/MO25α異三聚體復合物能最有效地激活SNRK［22］。

AMPK是一種高度保守的Ser/Thr蛋白激酶，是細胞和全身能量穩(wěn)態(tài)的關鍵調(diào)節(jié)因子，其底物多種多樣，具有廣泛的作用［23］。AMPK通過感知AMP∶ATP和ADP∶ATP比值的增加來響應能量應激而激活［24］。AMPK通過α亞單位KD促進段內(nèi)Thr172磷酸化而激活，Thr172磷酸化可使AMPK活性增加2～3個數(shù)量級［25］。哺乳動物的AMPK上游激酶有LKB1、鈣離子/鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶β［24-25］，其中LKB1是經(jīng)典的AMPK上游激酶，它同時也是SNRK的上游激酶。特征性AMPK相關激酶（AMPK-related kinases，AMPKRKs）包括AMPKα1/2亞單位和其他12種相關激酶［3，23］。除母體胚胎亮氨酸拉鏈激酶（maternal embryonic leucine-zipper kinase，MELK）激酶T環(huán)殘基的自磷酸化外，13種AMPK-RKs均能被LKB1與STRAD和MO25復合物磷酸化T環(huán)Thr殘基而激活，使AMPKRKs活性增加450倍［21-23］。AMPK-RKs激活后參與調(diào)節(jié)細胞極性、細胞遷移、細胞周期和細胞代謝［23］。

SNRK家族包括在人類激酶組樹上與AMPK同一分支的8種激酶。它們在T環(huán)序列中具有相同的保守蘇氨酸殘基，與其他AMPK-RKs的整體序列一致性較低。根據(jù)磷酸化激活方式的調(diào)控，8種激酶中只有SNRK才被認為是真正的AMPK相關激酶［23］。

2 SNRK與糖、脂代謝及能量代謝

維持細胞能量儲備及代謝穩(wěn)態(tài)至關重要，AMPK是調(diào)控細胞能量需求的關鍵傳感器。AMPK家族的新成員SNRK也在包括脂肪和心臟在內(nèi)的多種組織的能量代謝中發(fā)揮了重要作用。

2.1 SNRK與糖代謝慢性高血糖是糖尿?。╠iabetes mellitus，DM）常見的病理表現(xiàn)。臨床上常見的2型DM發(fā)病機制為胰島素受體缺陷，受胰島素分泌影響的器官包括肌肉（葡萄糖攝取和儲存增多）、肝臟（葡萄糖生成減少）、脂肪細胞（脂肪生成增加）。SNRK與糖代謝的關聯(lián)最初是通過SNRK對脂肪細胞的作用研究而觀察到的。

SNRK在人類和小鼠白色脂肪組織（white adipose tissue，WAT）及小鼠棕色脂肪組織（brown adipose tissue，BAT）中廣泛表達，其表達由胰島素誘導［6］。當SNRK表達下降時，炎癥通路激活導致脂解增加，胰島素信號傳導受損，并減少胰島素刺激的葡萄糖攝取。脂肪細胞中SNRK基因敲除對糖代謝產(chǎn)生以下影響：（1）胰島素反應性葡萄糖轉運蛋白4和胰島素增敏因子脂聯(lián)素的mRNA表達水平顯著降低；（2）胰島素刺激Ser473位點上的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶（protein kinase B，PKB/AKT）磷酸化和葡萄糖攝取顯著降低；（3）極長鏈?；o酶A脫氫酶和中鏈?；o酶A脫氫酶的表達水平顯著降低，提示脂肪酸氧化受損，游離脂肪酸（free fatty acid，F(xiàn)FA）增多；（4）降低了包括線粒體磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶、線粒體丙酮酸羧化酶、含patatin樣磷脂酶結構域的蛋白質(zhì)2、ATP檸檬酸裂解酶、氧甾醇結合蛋白和氧固醇結合蛋白相關蛋白11在內(nèi)的參與糖脂代謝的蛋白激酶磷酸化［6］，影響其活性。SNRK通過蛋白磷酸酶2調(diào)節(jié)亞單位B′delta磷酸化控制胰島素信號傳導，進而影響WAT和BAT中的蛋白磷酸酶2A活性和AKT磷酸化，調(diào)控葡萄糖攝取及胰島素抵抗（insulin resistant，IR）［26］。

此外，磷酸化蛋白質(zhì)組學分析顯示，脂肪細胞中SNRK基因敲除可顯著降低49種蛋白質(zhì)的磷酸化水平25%或以上，提高43種蛋白質(zhì)磷酸化水平1倍或以上。部分磷酸化水平升高的蛋白參與了炎癥途徑，并引起mTOR信號傳導障礙［6］。SNRK敲除導致脂肪細胞中mTOR信號通路減弱，mTOR信號通路障礙很可能是SNRK表達減少引起的效應的部分原因。mTOR在關聯(lián)營養(yǎng)感應和肥胖方面的作用是復雜的。在脂肪細胞中，雷帕霉素對mTORC1信號（該靶點可被支鏈氨基酸及胰島素和葡萄糖通過細胞ATP的有效性激活）［27］的急性抑制會增加胰島素刺激的葡萄糖攝取，但慢性抑制時則通過減少AKT2活化而損害胰島素刺激的葡萄糖攝?。?8］。上述研究均證實SNRK激活胰島素刺激脂肪細胞AKT磷酸化和葡萄糖攝取，影響糖代謝穩(wěn)態(tài)。

2.2 SNRK與脂肪代謝、肥胖肥胖是IR和脂肪代謝紊亂的主要危險因素和誘因。肥胖與脂肪組織和脂肪細胞的異常堆積和形態(tài)改變密切相關。脂肪的主要功能是FFA的儲存和釋放［29］。脂肪組織包含大脂肪細胞和小脂肪細胞，脂肪細胞的特性廣泛用于研究細胞大小與各種疾病情況之間的關系［30］，如炎癥、IR和DM。WAT中包含充滿單個大脂滴的大脂肪細胞，具有儲能作用，過量可導致肥胖。相比之下，BAT中的脂肪細胞較小，細胞中含有多個能產(chǎn)熱的小脂滴。BAT通過利用葡萄糖和脂類產(chǎn)熱，減少它們在循環(huán)中的過度沉積。BAT產(chǎn)熱過程受交感神經(jīng)支配，且與解偶聯(lián)蛋白1（uncoupling protein-1，UCP-1）的表達有關，可以預防肥胖性疾病和代謝異常。此外，BAT還能釋放多種棕色脂肪細胞因子，調(diào)節(jié)機體多種代謝過程，具有良好的抗肥胖作用［31］。

在肥胖的人體和小鼠模型，脂肪細胞中SNRK表達水平均降低［6，9］。在小鼠模型中，脂肪細胞特異性SNRK敲除可引起WAT炎癥、肝臟和肌肉異位脂肪沉積及BAT的適應性產(chǎn)熱障礙，引起能量消耗減少、體重增加、IR、線粒體形態(tài)破壞及密度降低［9］，F(xiàn)FA釋放和炎癥因子生成增多［6］，進一步誘導了IR、高血糖和肥胖的發(fā)生。

與野生型小鼠相比，SNRK基因雜合缺失小鼠的脂肪生成轉錄因子過氧化物酶體增殖物激活受體γ（peroxisome proliferator-activated receptorγ，PPARγ）、重組人CCAAT增強子結合蛋白α和胰島素增敏性脂肪因子（瘦素和脂聯(lián)素）的表達均顯著降低。脂肪細胞中，SNRK敲除顯著降低了產(chǎn)熱標志性蛋白UCP-1、PR結構域16和PPARγ輔激活因子1α的表達（約減少60%）［9］。綜上所述，SNRK是抑制WAT炎癥、促進BAT產(chǎn)熱的一個重要因素，是肥胖及其并發(fā)癥的新潛在治療靶點。

2.3 SNRK與心臟能量代謝心肌細胞（cardiomyocytes，CMs）是心臟產(chǎn)生ATP的能量庫，心臟工作強烈依賴ATP的能量供給。在正常代謝條件下，哺乳動物心臟產(chǎn)生的ATP，95%以上來自線粒體中的氧化磷酸化，剩下的來自糖酵解和三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循環(huán)［32］。FFA是靜息狀態(tài)下心肌氧化代謝的主要能量來源，并提供60%～90%的ATP用于心臟收縮［33］，ATP供能異?？裳杆僬T發(fā)收縮功能障礙。脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，F(xiàn)AO）代替胎兒期的葡萄糖在出生后直至成人的成熟過程中成為了心臟的主要能量底物［10］。由系統(tǒng)性高血壓、局部缺血和梗死引起的心臟肥大被證實與能量底物的代謝轉換有關，表現(xiàn)為FAO減少，葡萄糖代謝增加［33］。

SNRK在成人組織［6］和細胞中表達，包括多種心臟細胞類型如冠狀動脈內(nèi)皮細胞（endothelial cells，ECs）、血管平滑肌細胞、心內(nèi)膜細胞和CMs。SNRK在血管平滑肌細胞、ECs和CMs的細胞核和細胞質(zhì)中均有定位，并廣泛表達于包括外胚層、內(nèi)胚層和中胚層的各種組織中［10］。在SNRK全基因敲除的E17.5期和P0期小鼠中可觀察到心臟增大并導致新生小鼠死亡，E17.5期心臟的微陣列分析顯示系統(tǒng)代謝失調(diào)；SNRK全基因敲除的E17.5期小鼠心臟中也出現(xiàn)糖原及脂質(zhì)沉積減少，循環(huán)血漿脂質(zhì)水平降低。因此，SNRK全基因敲除可以導致心臟組織能量代謝障礙和心臟發(fā)育缺陷［10］。

磷酸化AMPK/磷酸化乙酰輔酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）是新生兒和成人心臟代謝相關的關鍵信號傳導途徑之一。AMPK通過在S79殘基磷酸化ACC1以及在S212殘基磷酸化ACC2來降低FAO。ACC從乙酰輔酶A（FAO途徑的副產(chǎn)物）生成丙二酰輔酶A（malonyl-CoA）。ACC被磷酸化后其活性受到抑制，阻止malonyl-CoA，解除對肉堿棕櫚酰轉移酶（carnitine palmitoyl transferase，CPT）的抑制，允許酰基輔酶A進入線粒體進行β氧化和TCA循環(huán)以分別生成乙酰輔酶A和ATP［22］。p-ACC是新生兒心肌細胞FAO的常見標志，在SNRK基因敲除的CMs中p-ACC和p-AMPKα的比率顯著降低，提示malonyl-CoA積累，CPT被抑制，導致β氧化或FAO障礙。因此，SNRK通過p-AMPK/p-ACC途徑促進了新生兒P0期心臟中的FAO［10］。此外，CMs特異性Cre重組酶小鼠系MYH6CRE-Snrk-LoxP/LoxP中舒張末期和收縮末期容積顯著增加，提示不良心肌重構；左心室收縮功能射血分數(shù)和短軸縮短分數(shù)也有顯著降低，表明SNRK對正常成人心臟功能至關重要［10］。

此外，CMs中的SNRK基因敲除會降低線粒體效率，通過敲除UCP3基因可恢復效率。SNRK基因敲除小鼠心臟的葡萄糖、棕櫚酸酯氧化和UCP3增加。心臟中SNRK的另一種底物Tribbles同源物3（AKT信號上游的一種胰島素抑制分子）［34］協(xié)調(diào)糖脂代謝、IR、炎癥和腫瘤發(fā)生等重要代謝過程［35］，可以與SNRK結合，并通過PPARα下調(diào)UCP3［12］。在心肌病患者中，SNRK增加可縮小缺血再灌注后的梗死面積，并以UCP3依賴方式減少心肌細胞死亡。上述研究均證實了SNRK可減少心臟代謝底物和線粒體解偶聯(lián)，提高線粒體效率，并對缺血再灌注心肌起保護作用［12］。

與動脈粥樣硬化、高血壓、慢性心衰和心肌纖維化等心血管疾病有關的ROCK信號通路［36-38］也與SNRK密切相關。ROCK可能是CMs中的SNRK底物，ROCK抑制劑Fasudil可以減輕CMs特異性SNRK敲除心臟的功能缺陷［7］?？傊募〖毎鸖NRK是改善心臟功能代謝及治療疾病的新靶點，是心臟組織中的代謝傳感器，維持心臟能量代謝和功能穩(wěn)態(tài)。

3 SNRK與炎癥

長期炎癥反應會激活纖維化，引起膠原結締組織在器官中的過度和異常積聚，損害功能，甚至會導致器官衰竭［39］。越來越多的新證據(jù)表明，SNRK通過抑制NF-κB信號介導的炎癥通路來控制脂肪組織、腎小球內(nèi)皮細胞、心肌細胞炎癥和纖維化［6，8，11］。

3.1 SNRK與脂肪細胞炎癥脂肪功能失調(diào)尤其是全身慢性脂肪炎癥是代謝紊亂的主要促進因素，如肥胖、2型DM和心血管疾病。研究顯示，脂肪細胞特異性SNRK表達通過c-Jun氨基末端激酶和核因子κB抑制蛋白激酶β信號途徑抑制WAT炎癥反應［6］。肥胖引起的脂肪炎癥和/或脂毒性可使SNRK表達下降，促進WAT及循環(huán)中的炎性因子表達上調(diào)［9］。SNRK基因敲除的脂肪細胞中炎癥增加的另一個潛在機制是自噬障礙。SNRK定位于脂肪細胞中的溶酶體，溶酶體是通過自噬作用降解細胞內(nèi)大型細胞器或蛋白質(zhì)聚集體的重要場所，自噬已被證明在抑制脂肪細胞炎癥中發(fā)揮作用［6］。

3.2 SNRK與腎小球內(nèi)皮細胞炎癥在腎臟系統(tǒng)中，腎小球ECs中的SNRK直接與血管緊張素II（angiotensin II，Ang II）介導的NF-κB p65亞基結合，抑制炎癥信號傳導。研究證實，Ang II可以增加循環(huán)miR-103a-3p水平（一種非編碼小RNA），降低腎小球ECs中的SNRK，誘導NF-κB/p65過度激活，從而導致腎臟炎癥和纖維化。miR-103a-3p/SNRK/NF-κB p65是Ang II誘導的腎臟炎癥和纖維化的調(diào)節(jié)軸。SNRK抑制誘導的NF-κB活化在腎損傷中起著關鍵的作用［8］。

3.3 SNRK與心肌細胞炎癥在心臟炎癥及纖維化的機制研究中，Ang II可通過NF-κB作用激活心臟的促炎癥環(huán)境［40］，而心臟炎癥通常與膠原沉積導致的心肌纖維化有關［41］。Ang II誘導心肌細胞SNRK特異性敲除小鼠心臟中促炎細胞因子白細胞介素6和腫瘤壞死因子α水平升高，巨噬細胞浸潤增多，大量膠原沉積，加劇了心臟重構及纖維化。研究顯示，CMs中的SNRK通過抑制NF-κB信號以及抑制Ang II對pAKT介導的CMs炎癥來調(diào)控心臟炎癥，NF-κB信號在Ang II相關的心臟重構中減弱，揭示了Ang II/SNRK/NF-κB通路在心肌細胞炎癥中的作用。CMs中的SNRK阻止炎癥向纖維化的發(fā)展，保護心臟免受Ang II誘導的心臟重構及炎癥的影響，對心臟功能至關重要。

ECs及其主要產(chǎn)物一氧化氮和前列環(huán)素在調(diào)節(jié)血管穩(wěn)態(tài)中起著關鍵作用。DM是心血管疾病的重要危險因素，慢性高血糖引起的內(nèi)皮功能障礙是糖尿病血管并發(fā)癥發(fā)生的關鍵和始動因素。長時間暴露于高葡萄糖水平會持續(xù)使內(nèi)皮和血管平滑肌細胞的纖維化和炎癥基因失調(diào)［42］。糖尿病微血管病變?nèi)缧募〔∽儍?nèi)皮功能障礙的主要特征是一氧化氮釋放減少、氧化應激增加、炎癥因子產(chǎn)生增加、血管生成異常和內(nèi)皮修復受損［43］。值得注意的是，當在心臟ECs中特異性敲除SNRK時，雖然NF-κB p65、促炎細胞因子信號及膠原沉積增加，但并沒有發(fā)展到纖維化，可能是CMs中的SNRK補償了ECs中的SNRK功能缺失，提示在心肌細胞重塑中CMs和ECs之間存在串擾信號［11］。

4 結語

SNRK在人類多種組織和細胞中廣泛表達。生物學證據(jù)表明，SNRK在各種組織中的細胞信號傳導中發(fā)揮關鍵作用，尤其在脂肪細胞代謝、棕色脂肪產(chǎn)熱及心臟ATP供能過程中，同時通過抑制NF-κB介導的炎癥信號，減少靶器官炎癥及纖維化，是慢性代謝障礙性疾病治療的潛在靶點。

蛋白激酶是第二大靶向藥物靶點，僅次于G蛋白偶聯(lián)受體。使用磷酸化讀數(shù)明確的先進高通量細胞篩選方法可以促進蛋白激酶的靶向治療［44］。作為AMPK家族的新成員，SNRK的更多生物學功能和靶點組織，在上下游信號傳導、直接或間接磷酸化蛋白質(zhì)以促進或抑制其靶活性/信號途徑中的作用仍需要更多的循證醫(yī)學證據(jù)支持。