AMPK信號通路及其在感染性疾病中的研究進展

顏明智，趙軍，劉輝，畢曉娟，呂國棟

1.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院臨床醫(yī)學(xué)研究院省部共建中亞高發(fā)病成因與防治國家重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830054；2.新疆醫(yī)科大學(xué)藥學(xué)院；3.新疆醫(yī)科大學(xué)第一附屬醫(yī)院藥學(xué)部臨床藥學(xué)科

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一種AMP依賴性蛋白激酶，在能量代謝調(diào)節(jié)方面起到關(guān)鍵性作用[1]。當病毒、細菌或者寄生蟲等病原體侵入宿主后，會調(diào)節(jié)AMPK活性，從而影響宿主對病原體感染的防御機制，以滿足病原體的生長發(fā)育條件[2-4]。近年來研究發(fā)現(xiàn)，不同的病原體感染對AMPK信號通路的影響不同，針對AMPK信號通路設(shè)計的靶向藥物或小分子有助于控制病原體感染。本文將對AMPK信號通路在相關(guān)感染性疾病中的研究進行綜述。

1 AMPK及其信號通路概述

1.1AMPK的亞基組成 AMPK是一種異三聚體絲氨酸/蘇氨酸激酶，由催化α亞基與β和γ兩個調(diào)節(jié)亞基復(fù)合而成[5]。每個亞基都存在多種亞型(α1、α2、β1、β2、γ1、γ2和γ3)，這些亞型可以組成12種AMPK復(fù)合物[6]，研究[7]表明，不同亞基組成的AMPK復(fù)合物對不同類型的應(yīng)激刺激會出現(xiàn)相應(yīng)反應(yīng)。α亞基的N端具有一個絲/蘇氨酸蛋白激酶的催化區(qū)域，中間的自抑制區(qū)域與C末端的亞基結(jié)合區(qū)域上含有變構(gòu)結(jié)合位點，可以參與AMP的結(jié)合。α亞基主要負責(zé)催化作用，其中蘇氨酸172(Thr172)位點的磷酸化是AMPK活化所必需的[8]。β亞基常被視作α與γ亞基的連接支架，但隨著對其深入了解，研究人員發(fā)現(xiàn)β亞基也可通過調(diào)節(jié)AMPK復(fù)合物的磷酸化狀態(tài)以及活性，從而參與AMPK的功能表達[9]。γ亞基含有四個胱硫醚β-合成酶結(jié)構(gòu)域，當四個結(jié)構(gòu)域串聯(lián)后形成了Bateman結(jié)構(gòu)域，該結(jié)構(gòu)域提供了兩個結(jié)合位點，分別用于結(jié)合激活性核苷酸AMP和抑制性核苷酸ATP，當Bateman結(jié)構(gòu)域發(fā)生改變時，會影響AMPK與AMP的結(jié)合能力，進而影響細胞能量代謝[10]。

1.2AMPK信號通路

1.2.1AMPK的活化 AMPK在AMPK信號通路中處于中心環(huán)節(jié)。一方面，當ATP與AMP/ADP的比例下調(diào)，如機體運動、細胞增殖、缺氧或氧化應(yīng)激時，ADP可與AMPK的γ亞基上的腺苷酸結(jié)合位點相結(jié)合，致使AMPK結(jié)構(gòu)改變進而直接激活A(yù)MPK磷酸化，從而產(chǎn)生ATP的分解代謝途徑[1]；另一方面，AMPK上游激酶可以通過AMPK上的作用位點——Thr172完成AMPK的磷酸化過程[11]。研究[12-13]發(fā)現(xiàn)，肝激酶 B1(Liver kinase B1，LKB1)、鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶(Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinase kinase，CaMKK)和轉(zhuǎn)化生長因子激酶1(TGF β-activated Kinase 1，TAK1)是三種具有激活A(yù)MPK作用的上游激酶。LKB1與折疊蛋白MO25、STRAD組成上游激酶復(fù)合物，是一種主要的AMPK上游激酶，LKB1可以直接通過磷酸化AMPK α亞基上的Thr172激活A(yù)MPK[14]。在LKB1缺失的細胞中，Ca2+濃度增加會激活CaMKK，進而使AMPK活化。此外，Mungai等[15]發(fā)現(xiàn)，活性氧物質(zhì)(Reactive oxygen species，ROS)通過激活鈣釋放激活鈣離子(Ca2+-release-activated Ca2+，CRAC)通道，導(dǎo)致細胞內(nèi)Ca2+增加，從而激活A(yù)MPK上游激酶CaMKK2。目前，雖然Momcilovic[12]已證明TAK1能夠在體外激活A(yù)MPK，但有關(guān)TAK1激活A(yù)MPK的機制尚不明了。

1.2.2AMPK對代謝的調(diào)節(jié)作用 當機體發(fā)生能量應(yīng)激時，AMPK直接磷酸化并參與多種代謝途徑，以恢復(fù)能量平衡。AMPK對代謝的影響大致可分為兩類：抑制合成代謝(減少ATP的消耗)和促進分解代謝(刺激ATP的產(chǎn)生)。

1.2.2.1AMPK對合成代謝的抑制 蛋白質(zhì)翻譯是細胞中ATP的主要消耗因素，AMPK通過調(diào)節(jié)哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)來調(diào)節(jié)這些過程[16]。AMPK活化后直接抑制mTOR復(fù)合物1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)，進而抑制mTOR活性，導(dǎo)致細胞生長減緩和蛋白質(zhì)合成減少[17]。乙酰輔酶A羧化酶(Acetyl-CoA carboxylase，ACC)作為一種脂肪酸合成途徑的限速酶，其控制著脂肪酸的合成過程，同時它也是AMPK的下游靶點[18]。AMPK活化后，激活A(yù)CC1第79位上的蘇氨酸磷酸化位點，從而降低ACC表達，抑制脂肪酸的合成[19]。AMPK-ACC信號通路與多種代謝性疾病相聯(lián)系，在糖尿病[20]、肥胖癥[21]和高血酸尿癥[22]等疾病的治療可作為重要的藥物靶點。

1.2.2.2AMPK對分解代謝的促進 為了補充ATP，AMPK促進大分子分解以產(chǎn)生更多的ATP供能，其中主要包括葡萄糖代謝途徑和脂質(zhì)氧化。Wu等[23]報道AMPK活化后誘導(dǎo)硫氧還蛋白互作蛋白(Thioredoxin interacting protein，TXNIP)磷酸化，加速TXNIP降解，從而增加GLUT1對葡萄糖的攝取。AMPK還通過磷酸化6-磷酸果糖-2-激酶同工酶3(6-phosphofructo-2-kinase 3，PFKFB3)，從而影響糖酵解過程中的限速酶6-磷酸果糖激酶-1(6-phosphofructokinase1，PFK1)的活性，以刺激糖酵解產(chǎn)生更多的ATP[24]。除了加速細胞葡萄糖的攝取，AMPK還通過分解細胞中存儲的脂質(zhì)，以產(chǎn)生更多的ATP。Ahmadian等[25]研究報道，AMPK磷酸化后通過增加脂肪酶如脂肪甘油三酯脂酶(Adipose triglyceride lipase，ATGL)活性，將甘油三酯分解成脂肪酸，并將游離的脂肪酸導(dǎo)入線粒體進行β氧化，以產(chǎn)生大量能量。

2 AMPK在病毒性感染中的相關(guān)機制

AMPK是糖脂代謝過程中的重要調(diào)節(jié)因子，AMPK的藥理學(xué)活性對病毒在細胞中的脂質(zhì)積累以及自身復(fù)制具有重要作用[26]。丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus，HCV)是引起慢性肝病的主要病原體，在世界范圍內(nèi)廣泛傳播[27]。Yu等[28]發(fā)現(xiàn)，HCV感染后增加了宿主細胞內(nèi)活性氧水平，改變了NAD/NADH比值，降低沉默信息調(diào)節(jié)因子1(Silent information regulator 1，SIRT1)和AMPK的水平，從而改變肝細胞的代謝，這種機制與肝臟代謝性疾病的發(fā)病有關(guān)。EB病毒(Epstein-Barr virus，EBV)是一種皰疹病毒，易引發(fā)淋巴瘤和鼻咽癌[29]。Lo等[30]報道，EBV中的潛伏性膜蛋白1(Latent membrane protein-1，LMP1)促使LKB1/AMPK信號通路失活，使用AMPK激活劑AICAR(5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofurano side)可以激活A(yù)MPK并阻斷LMP1介導(dǎo)的鼻咽上皮細胞增殖和轉(zhuǎn)化，提示AMPK是一種潛在的抗EBV藥物靶點。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)通過AMPK激活劑(二甲雙胍、A769662和AICAR)可以激活被柯薩奇病毒B3(Coxsackievirus B3，CVB3)感染的宿主細胞中的AMPK，進而抑制細胞中的脂質(zhì)積累以限制CVB3的復(fù)制[31]。

AMPK作為細胞能量穩(wěn)態(tài)的主要調(diào)節(jié)劑，受病原體與宿主細胞環(huán)境的影響而發(fā)生變化，激活A(yù)MPK也可能會促進病毒感染宿主細胞。人巨細胞病毒(Human cytomegalovirus，HCMV)隸屬于皰疹病毒，該病毒通過CaMKK激活宿主細胞中的AMPK，增加GLUT4對葡萄糖的轉(zhuǎn)運，從而增加宿主細胞復(fù)制，而AMPK抑制劑Compound C可以阻斷HCMV誘導(dǎo)的糖酵解過程，從而減弱HCMV復(fù)制[32]。除了影響糖代謝，一些病毒還可以通過誘導(dǎo)宿主細胞的自噬，以利于自身復(fù)制。呼吸道合胞病毒(Respiratory Syncytial Virus，RSV)通過AMPK/mTOR信號通路激活自噬，抑制宿主細胞凋亡來增強自身復(fù)制能力[33]。藍舌病毒(Bluetongue Virus，BTV)是一種雙鏈片段RNA病毒，通過激活A(yù)MPK誘導(dǎo)宿主細胞自噬以利于病毒自身復(fù)制[34]。

3 AMPK在細菌性感染中的相關(guān)機制

致病性細菌寄生于宿主后，通過調(diào)控AMPK信號通路以改變宿主代謝環(huán)境，并通過與宿主競爭必要的能源用于滿足自身生長發(fā)育的要求[35]。此外，在對感染蘇云金芽孢桿菌的秀麗隱桿線蟲模型的轉(zhuǎn)錄組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)分析中發(fā)現(xiàn)，AMPK可作為免疫應(yīng)答的調(diào)節(jié)劑在細菌感染中發(fā)揮作用[36]。鼠傷寒沙門氏菌(Salmonellatyphimurium，S.typhimurium)是一種兼性的細胞內(nèi)革蘭氏陰性病原體，可引起人類胃腸炎和鼠傷寒。Raja等[3]發(fā)現(xiàn)鼠傷寒沙門氏菌早期感染可以激活A(yù)MPK，但隨著感染的進行，鼠傷寒沙門氏菌迫使Sirt1/LKB1/AMPK復(fù)合物在溶酶體中降解，即限制AMPK活性，導(dǎo)致mTOR活化從而抑制宿主細胞自噬，以利于鼠傷寒沙門氏菌自身繁殖。Liu等[37]使用AMPK抑制劑Compound C抑制被鼠傷寒沙門氏菌感染的宿主細胞AMPK后，鼠傷寒沙門氏菌復(fù)制增加。嗜肺軍團菌(Legionellapneumophila)是一種引起急性發(fā)熱性呼吸道疾病的病原體[38]。Lisa等[39]研究報道，嗜肺軍團菌的感染上調(diào)了線粒體生物發(fā)生和AMPK表達，線粒體受損的細胞較正常細胞更有利于嗜肺軍團菌的增長繁殖。流產(chǎn)布魯氏菌(Brucellaabortus)是一種細胞內(nèi)感染的細菌病原體，易導(dǎo)致動物流產(chǎn)和不孕，對于人類致病性相對較弱[40]。ROS是一種重要的殺菌物質(zhì)，但流產(chǎn)布魯氏菌會抑制宿主細胞中的ROS產(chǎn)生[41]。Liu等[42]證實流產(chǎn)布魯氏菌感染激活了肌醇需求酶1(Inositol-requiring enzyme 1，IRE1)導(dǎo)致AMPK活化，并抑制了ROS的產(chǎn)生從而促進流產(chǎn)布魯氏菌感染。Patkee等[43]在對銅綠假單胞菌的研究中發(fā)現(xiàn)，AMPK激活劑二甲雙胍和AICAR可以通過限制葡萄糖的滲透性來減少氣道上皮細胞內(nèi)的銅綠假單胞菌感染。

4 AMPK在寄生蟲感染中的相關(guān)機制

寄生蟲需要寄生于宿主并從宿主環(huán)境中獲取氮、氨基酸、核糖、半乳糖和葡萄糖等營養(yǎng)物質(zhì)，從而有利于自身的生存和繁衍[44]。因此，宿主與寄生蟲之間能量的動態(tài)相互作用是有效協(xié)調(diào)寄生蟲不同發(fā)育階段的必要條件，而AMPK在該過程中扮演了重要的角色[45]。Choi等[46]發(fā)現(xiàn)人體健康和體內(nèi)穩(wěn)態(tài)的必需營養(yǎng)素ω-3多不飽和脂肪酸(ω3 Polyunsaturated fatty acids，ω3-PUFAs)通過上游激酶CaMKKβ激活A(yù)MPK信號通路，誘導(dǎo)弓形蟲感染的巨噬細胞發(fā)生自噬，從而限制了細胞內(nèi)弓形蟲的生長和繁殖。Moreira等[47]發(fā)現(xiàn)在利什曼原蟲感染的巨噬細胞中，嬰兒利什曼原蟲通過激活宿主細胞的LKB1/AMPK和SIRT1引起宿主細胞的代謝發(fā)生轉(zhuǎn)變，將早期糖酵解代謝轉(zhuǎn)變成氧化磷酸化，以增加巨噬細胞對嬰兒利什曼原蟲的能量供應(yīng)。Ruivo等[48]發(fā)現(xiàn)寄生于紅細胞內(nèi)的瘧原蟲可以降低宿主細胞中AMPK活性，利用AMPK激活劑水楊酸鹽激活宿主的AMPK信號通路，對寄生于紅細胞內(nèi)的瘧原蟲導(dǎo)致的肝感染產(chǎn)生抑制。Kluck等[4]發(fā)現(xiàn)在夏氏瘧原蟲感染的狀態(tài)下，AMPK活化受抑制，從而上調(diào)ACC的表達，促進毛細血管內(nèi)皮細胞中的脂質(zhì)積累，瘧原蟲從中獲取能量來源；當AMPK激活劑二甲雙胍激活A(yù)MPK后，會限制宿主對寄生蟲的脂質(zhì)供應(yīng)，從而抑制血液中瘧原蟲的生長和繁殖。除了影響宿主的糖脂代謝功能，寄生蟲還可以通過逃避宿主細胞自噬而免于被清除。Zhu等[49]發(fā)現(xiàn)，日本血吸蟲感染導(dǎo)致宿主巨噬細胞中的白細胞介素7(Interleukin-7，IL-7)升高，并激活宿主巨噬細胞中的AMPK，促使日本血吸蟲卵抗原觸發(fā)的巨噬細胞自噬功能下降，而AMPK抑制劑Compound C可以增加自噬小體的數(shù)量并促進自噬的發(fā)生。對于胞外寄生蟲，如細粒棘球絳蟲，其進入宿主體內(nèi)后自身的合成代謝能力嚴重退化，但具有完整的糖酵解、三羧酸循環(huán)和戊糖磷酸等代謝通路[50-51]。Loos等[52]在細粒棘球蚴中成功克隆出了AMPK蛋白，并發(fā)現(xiàn)AMPK激動劑二甲雙胍在體內(nèi)和體外對細粒棘球蚴感染均有一定的治療效果，這提示AMPK是一個潛在的抗包蟲藥物靶點。

5 總結(jié)及展望

宿主與病原體之間的相互作用是一個動態(tài)的過程，在感染的早期和中后期這一過程可能會發(fā)生變化，雙方都在競爭以獲取更多的能量來滿足自身的發(fā)育，而病原體往往占據(jù)主導(dǎo)地位。除了從宿主環(huán)境中獲得能量，病原體還可以逃避宿主“追捕”，即逃避自噬，免于被宿主清除。由于病原體的種類繁多，致病機制也各不相同，目前尚無法完全了解病原體與宿主之間的能量代謝關(guān)系，但AMPK信號通路顯然在感染性疾病中扮演了重要的角色。病原體對AMPK的激活或者抑制往往取決于自身的生長狀態(tài)，但最終目的仍然是為了使病原體更好的生長繁殖。對AMPK激活或者抑制往往會影響脂質(zhì)代謝、糖代謝以及蛋白質(zhì)合成等一系列反應(yīng)，AMPK的雙重作用迫使我們需要探究AMPK的上游和下游蛋白的表達，以利于我們探明感染性疾病的致病機制，并針對AMPK及其信號通路設(shè)計針對性的藥物分子。總而言之，AMPK有望成為感染性疾病中的重要靶點。