AMPK/mTOR信號(hào)通路在線粒體自噬中的研究進(jìn)展

石拴霞，閻一鑫，王紀(jì)田，魏璐曉，宋誠(chéng) 綜述 王玲 審校

1.甘肅中醫(yī)藥大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；

2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第九四〇醫(yī)院生殖醫(yī)學(xué)中心，甘肅 蘭州 730050

腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是一種高度保守的細(xì)胞能量和營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)傳感器，其調(diào)節(jié)能量恢復(fù)的機(jī)制是感知一磷酸腺苷(adenosine monophosphate，AMP)/三磷酸腺苷(adenosine triphosphates，ATP)和二磷酸腺苷(adenosine diphosphates，ADP)/ATP 的比值變化被激活，通過打開產(chǎn)生ATP的途徑，同時(shí)關(guān)閉生物合成途徑和其他消耗ATP的非必要過程來恢復(fù)能量穩(wěn)態(tài)[1]。哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是合成和分解代謝匯合點(diǎn)的機(jī)制靶點(diǎn)，通過刺激生物合成途徑促進(jìn)細(xì)胞生長(zhǎng)，并通過降低細(xì)胞自噬來抑制分解代謝[2]。研究表明，AMPK 通過多種途徑介導(dǎo)自噬，但主要取決于mTOR 的下調(diào)[3]。在線粒體中，AMPK/mTOR調(diào)控的自噬依賴于線粒體膜上的蛋白[4-5]，可直接或與其他通路交互調(diào)控線粒體自噬在相關(guān)線粒體疾病中發(fā)揮保護(hù)作用。

1 AMPK

AMPK 在真核生物中作為異源三聚體復(fù)合物表達(dá)，由一個(gè)催化亞基α和兩個(gè)調(diào)節(jié)亞基β和γ組成，可能產(chǎn)生12個(gè)不同的AMPK復(fù)合物[6]。AMPKα1、AMPKβ1和AMPKγ1在機(jī)體中普遍表達(dá)，但其他亞型的表達(dá)卻很有限。AMPKα2和AMPKβ2在骨骼肌和心肌中高表達(dá)；AMPKγ2存在于肝臟、腎臟、心臟、肺、骨骼肌和胰腺中；AMPKγ3分布于骨骼肌中，與葡萄糖攝取和線粒體功能有關(guān)。AMPKα1主要定位于細(xì)胞質(zhì)，而AMPKα2主要定位于細(xì)胞核，AMPKγ亞單位定位于肌肉纖維[7]。最近的研究證明，AMPKα1、α2、β2和γ1定位于小鼠和人類各種組織的線粒體外膜[8]。

AMPK有上游和下游兩個(gè)靶點(diǎn)，通過三叉機(jī)制被完全激活。肝激酶B1(liver kinase B1，LKB1)磷酸化Thr172 激活A(yù)MPK[9]，AMP 或ADP 與γ亞單位結(jié)合變構(gòu)激活A(yù)MPK，同時(shí)AMP 與γ亞基的結(jié)合促進(jìn)α亞基上Thr172 的磷酸化并阻礙蛋白磷酸酶2C (protein phosphotases 2C，PP2C)的去磷酸化, 增強(qiáng)了AMPK的活性[10]。AMP 的結(jié)合導(dǎo)致AMPK的變構(gòu)激活高達(dá)10 倍，而ATP 抑制這三種機(jī)制[7]。由于AMPK 特殊的可逆反應(yīng)，應(yīng)激細(xì)胞中AMP 的增加總是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ADP 的增加或ATP 降低，因此AMP 成為了能量應(yīng)激系統(tǒng)中重要的信號(hào)。此外，AMPK 也可被其他激酶、細(xì)胞因子、核苷酸、化合藥物及Ca2+等激活[11]，活化的AMPK調(diào)節(jié)多種代謝過程。

2 mTOR

mTOR是進(jìn)化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過感知細(xì)胞內(nèi)外營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的波動(dòng)調(diào)節(jié)細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝和自噬。mTOR 是兩種功能不同復(fù)合物的催化亞基，分別為mTORC1和mTORC2。mTORC1通過磷酸化磷脂酰肌醇3-激酶-蛋白激酶B-結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物1/2 (PI3K-Akt-TSC1/2)途徑被生長(zhǎng)因子和胰島素激活，刺激mRNA 翻譯和其他合成代謝過程，但抑制自噬。mTORC2 通過激活A(yù)GC 激酶家族成員控制細(xì)胞骨架組織和細(xì)胞存活，并參與葡萄糖和脂質(zhì)的代謝[12]。AGC激酶是一類Ser/Thr蛋白激酶，受TOR調(diào)控，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)發(fā)育具有重要的生理意義。當(dāng)mTOR 被激活時(shí)，通過其下游核糖體蛋白S6激酶B1(RPS6 KB1)、真核細(xì)胞翻譯起始因子4E 結(jié)合蛋白(4E-BP)和Unc-51樣自噬激酶1(ULK1)的磷酸化調(diào)節(jié)合成代謝，從而誘導(dǎo)細(xì)胞生長(zhǎng)和增殖[13]。

3 AMPK/mTOR 通過線粒體蛋白調(diào)控線粒體自噬

受損線粒體被特異性包裹進(jìn)自噬體并與溶酶體融合，完成損傷線粒體的降解被稱為線粒體自噬[14]。定位于線粒體外膜并暴露于細(xì)胞質(zhì)中的線粒體分裂因子(mitochondrial fission factor，MFF)和乙酰輔酶A羧化酶2 是AMPK 的良好底物，在胞質(zhì)中可以通過自由漂浮的胞質(zhì)與AMPK接觸，使AMPK可能存在于線粒體或其附近[15]。動(dòng)力蛋白相關(guān)蛋白1 (dynamin related protein 1，Drp1)是催化線粒體分裂的酶，MFF是線粒體外膜上Drp1的主要受體。在能量應(yīng)激期間，AMPK通過直接磷酸化MFF誘導(dǎo)線粒體分裂，Drp1將受損線粒體分裂成更小的片段協(xié)助自噬體更有效地清除這些片段[16]，鐵超載可能通過AMPK/MFF/Drp1引起間充質(zhì)干細(xì)胞損害，增加間充質(zhì)干細(xì)胞凋亡，導(dǎo)致線粒體斷裂和自噬增強(qiáng)[17]。

線粒體碎片化是去除受損線粒體前的一個(gè)必要步驟，分離并靶向受損線粒體片段，通過線粒體自噬途徑進(jìn)行轉(zhuǎn)換。線粒體分裂過程蛋白1(mitochondrial fission process 1，MTFP1)是線粒體內(nèi)膜的一種完整蛋白質(zhì)，活性由Drp1 介導(dǎo)，其缺失導(dǎo)致線粒體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)高度融合，過度表達(dá)則引起線粒體碎片化[2]，促進(jìn)線粒體自噬。有研究表明，mTORC1 通過4E-BP 介導(dǎo)的MTFP1翻譯刺激線粒體分裂，然而抑制mTORC1活性會(huì)導(dǎo)致線粒體過度融合、分支和循環(huán)，這是通過mTORC1/4E-BP 途徑下調(diào)MTFP1 的結(jié)果，從而引起Drp1磷酸化和定位變化[4]。線粒體外膜蛋白電壓依賴性陰離子通道1 (voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)通過運(yùn)輸ATP和其他代謝物穿過線粒體外膜在細(xì)胞代謝中發(fā)揮作用，負(fù)責(zé)自噬誘導(dǎo)活性。研究表明，抗抑郁藥舍曲林可能結(jié)合并拮抗線粒體VDAC1，降低細(xì)胞ATP，激活A(yù)MPK-mTOR-RPS6 KB1 誘導(dǎo)線粒體自噬[18]，效應(yīng)可能依賴于AMPK上游蛋白激酶上的STK11基因，STK11是一種編碼絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的抑癌基因。缺乏VDAC1 表達(dá)的細(xì)胞完全消除了藥物對(duì)AMPK-mTOR 和自噬的調(diào)節(jié)作用。VDAC1表面是否還存在其他藥物靶點(diǎn)需要深入研究。

4 AMPK/mTOR在相關(guān)疾病中調(diào)控線粒體自噬

4.1 骨骼肌運(yùn)動(dòng) 線粒體功能障礙可導(dǎo)致活性氧(ROS)代謝紊亂，從而激活DNA 損傷和細(xì)胞衰老，可通過調(diào)節(jié)生物合成和自噬來維持線粒體內(nèi)穩(wěn)態(tài)。過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子-1α(PGC-1α)是線粒體生物發(fā)生的主要調(diào)節(jié)因子，AMP/ATP比值升高激活A(yù)MPK或刺激其上調(diào)PGC-1α促進(jìn)線粒體生物發(fā)生[19]。在老年肌肉減少癥大鼠的研究中，骨骼肌運(yùn)動(dòng)干預(yù)后，AMPK Thr172的磷酸化和PGC-1α的表達(dá)增加，并且可以激活A(yù)MPK/PGC-1α信號(hào)通路，促進(jìn)老年大鼠骨骼肌線粒體合成[20]。在功能失調(diào)的線粒體外膜上，PTEN 誘導(dǎo)的激酶1(PINK1)通過激活并招募E3 泛素連接酶Parkin，泛素化線粒體外膜蛋白觸發(fā)線粒體自噬[21]。E3 泛素連接酶包括萎縮基因-1(Atrogin-1)和肌肉無名指蛋白1(MuRF1)在骨骼肌萎縮中至關(guān)重要[22]。骨骼肌運(yùn)動(dòng)可以促進(jìn)AMPK Thr172磷酸化以及Drp1 和PINK1 蛋白的表達(dá)，進(jìn)而促進(jìn)AMPK 介 導(dǎo) 的 線 粒 體 自 噬。PGC-1α過 度 表 達(dá) 或AMPK/PGC-1α信號(hào)通路的激活不僅可以抑制核因子-κB 的轉(zhuǎn)錄活性，也可以降低Atrogin-1 和MuRF1的表達(dá)[23]。因此，運(yùn)動(dòng)可能激活A(yù)MPK/PGC-1α通路，減少Atrogin-1 和MuRF1 蛋白的表達(dá)或抑制E3 泛素連接酶延緩肌肉萎縮。另外，研究發(fā)現(xiàn)，老年大鼠骨骼肌中Akt Ser473、mTOR Ser2448 和叉頭框轉(zhuǎn)錄因子O3a (FOXO3a) Ser253 的磷酸化增加，運(yùn)動(dòng)可以通過抑制Akt Ser473 和mTOR Ser2448 的磷酸化來上調(diào)Beclin1[23-24]。這表明，運(yùn)動(dòng)干預(yù)可能通過調(diào)節(jié)Akt/mTOR和Akt/FoxO3a信號(hào)通路，促進(jìn)老年骨骼肌的線粒體自噬。轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β活化激酶1 (transforming growth factorβactivated kinase 1，TAK1)是一種重要的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白，調(diào)節(jié)多種細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路的激活。TAK1 的失活導(dǎo)致成年小鼠骨骼肌中功能失調(diào)的線粒體積累，并上調(diào)泛素-蛋白酶體系統(tǒng)和線粒體自噬活性。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，隨著TAK1失活，骨骼肌AMPK的磷酸化和酶活性增加，mTOR 水平降低[25]，這說明TAK1/AMPK/mTOR可能調(diào)控小鼠骨骼肌線粒體自噬和蛋白質(zhì)來控制骨骼肌質(zhì)量。

4.2 非酒精性脂肪性肝病 研究表明，自噬受損有助于非酒精性脂肪肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)的發(fā)展，在NAFLD 患者和小鼠模型中硫氧還蛋白相互作用蛋白(TXNIP)均上調(diào)，上調(diào)的TXNIP觸發(fā)AMPK催化亞單位通路(PRKAA)，通過誘導(dǎo)自噬和過氧化物酶體增殖物激活受體α(PPARα)介導(dǎo)的脂肪酸氧化調(diào)節(jié)NAFLD 的發(fā)展[26]。TXNIP 與PRKAA 有潛在功能聯(lián)系。研究表明，蛋氨酸膽堿缺乏(MCD)飲食喂養(yǎng)的小鼠中PRKAA 被激活，增加了mTORC1 相關(guān)蛋白磷酸化，PRKAA 的激活抑制mTORC1的活性，并允許去磷酸化轉(zhuǎn)錄因子(TFEB)進(jìn)入細(xì)胞核[27]。由此可知，TXNIP通過直接結(jié)合PRKAA并調(diào)節(jié)mTORC1 和TFEB 誘導(dǎo)自噬。載脂蛋白E(ApoE)在脂質(zhì)和脂蛋白代謝中起著重要作用，ApoE缺失抑制AMPK/mTOR通路，損害線粒體功能，降低肝線粒體自噬并增加肝臟脂質(zhì)沉積，導(dǎo)致NAFLD[28]。一氧化碳(CO)通過蛋白激酶R樣內(nèi)質(zhì)網(wǎng)激酶(PERK)、真核啟動(dòng)因子-2α(eIF2α)/激活轉(zhuǎn)錄因子-4(ATF4)依賴通路，激活A(yù)MPK/mTOR 增強(qiáng)線粒體ROS 產(chǎn)生誘導(dǎo)sestrin-2的表達(dá)，并通過激活肝細(xì)胞自噬來保護(hù)MCD飲食誘導(dǎo)的NAFLD進(jìn)程[29]。白術(shù)苷(ATR)是一種結(jié)合于腺嘌呤核苷酸轉(zhuǎn)位酶的細(xì)胞毒性競(jìng)爭(zhēng)抑制劑，可激活A(yù)MPK 并增加mTOR 相關(guān)調(diào)節(jié)蛋白(Raptor)的表達(dá)抑制mTOR激活自噬，促進(jìn)脂肪變性肝細(xì)胞脂質(zhì)降解，從而加速肝臟內(nèi)脂質(zhì)積累的降解[30]。ApoE、CO和ATR均介導(dǎo)AMPK/mTOR通路調(diào)控肝細(xì)胞及線粒體自噬，其在其他代謝性疾病中的作用是將來研究的熱點(diǎn)。

4.3 缺血再灌注損傷 過度自噬是缺血再灌注(I/R)損傷的關(guān)鍵因素之一。在腸I/R小鼠損傷模型和氧葡萄糖剝奪/復(fù)氧(OGD/R)細(xì)胞模型中發(fā)現(xiàn)，miR-146a-5p基因表達(dá)和p70核糖體蛋白S6激酶的磷酸化降低，TXNIP 表達(dá)和PRKAA 的磷酸化增加，TXNIP增加通過激活PRKAA/mTOR信號(hào)通路刺激自噬，加重OGD/R 損傷，而miR-146a-5p 過表達(dá)靶向TXNIP通過PRKAA/mTOR途徑抑制自噬并減輕腸I/R損傷[31]。人參皂苷單體化合物K通過增加細(xì)胞活力、降低ROS 生成、線粒體損傷和Ca2+超載保護(hù)大鼠神經(jīng)元免受OGD/R損傷，并顯著降低p-AMPK，提高p-mTOR水平[32]，通過促進(jìn)自噬小體形成吞噬前體的過程來減少自噬介導(dǎo)的細(xì)胞凋亡發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。此外，ROS 瞬時(shí)感受器電位M2 通道缺失[33]、針刺[34]、木犀草素[35]、木香油方[36]和紅景天[37]激活A(yù)MPK/mTOR通路在I/R損傷中抑制自噬，保護(hù)腦和心肌I/R 損傷誘導(dǎo)的神經(jīng)元死亡，而天麻素[38]、銀杏葉[39]和線粒體醛脫氫酶2的激活劑[40]激活A(yù)MPK/mTOR信號(hào)通路誘導(dǎo)自噬，增加自噬通量來消除功能失調(diào)的線粒體，減輕心肌和肝I/R損傷。綜上所述，在一定程度上，自噬/線粒體自噬增強(qiáng)在I/R損傷中也是有利的，AMPK/mTOR通過調(diào)控自噬/線粒體自噬通量的強(qiáng)弱在各器官中發(fā)揮保護(hù)作用。

4.4 肥胖 干擾素基因(STING)、Akt 和AMPK在肥胖導(dǎo)致的病理變化中具有潛在作用。環(huán)狀GMP-AMP 合酶(cGAS)與細(xì)胞質(zhì)DNA 結(jié)合開啟STING，觸發(fā)干擾素(IFN)和IFN 刺激基因的轉(zhuǎn)錄上調(diào)。TANK 結(jié)合激酶1(TBK1)為一種多功能激酶，在細(xì)胞中功能廣泛，使mTORC1 的重要成分Raptor 在Ser877處磷酸化，以限制mTORC1的活性，TBK1還可直接磷酸化Ser366 處的STING 使其失活[41]。STING不僅介導(dǎo)自噬/線粒體自噬，其傳導(dǎo)的上、下游分子和蛋白質(zhì)包括cGAS和TBK1可以直接或間接激活自噬/線粒體自噬，但它們的自噬/線粒體自噬抑制STING信號(hào)及其過度反應(yīng)[42]，這表明STING信號(hào)存在負(fù)反饋控制，但這種交互調(diào)節(jié)在自噬/線粒體自噬及其他病理環(huán)境中的具體機(jī)制仍有待研究。綜上所述，TBK1/mTOR/STING信號(hào)之間可能有一定的聯(lián)系，它們直接或間接調(diào)控自噬/線粒體自噬維持機(jī)體穩(wěn)態(tài)。Akt2-AMPKα2 雙重消融明顯增強(qiáng)高脂飲食攝入誘導(dǎo)的心肌細(xì)胞凋亡，下調(diào)了自噬/線粒體自噬水平，加劇線粒體生物發(fā)生、含量丟失以及超微結(jié)構(gòu)變化[43]。另外，高脂肪攝入上調(diào)cGAS、STING和STING磷酸化水平，同時(shí)抑制ULK1 的磷酸化[44]。另外，Akt 可通過分別在Ser291 或Ser305 處磷 酸 化cGAS 抑制STING 調(diào)控脂肪代謝[44]。因此Akt2-AMPKα2 和cGAS/STING/AMPK/mTOR之間也存在一定的交互聯(lián)系，在肥胖性疾病中調(diào)控自噬/線粒體自噬維持機(jī)體平衡。

5 結(jié)語(yǔ)

多個(gè)組織的線粒體中存在AMPK，但AMPK在各組織線粒體中的表達(dá)是有差異的，這種差異性將是深入研究線粒體疾病發(fā)生機(jī)制的切入點(diǎn)，也是提供靶向藥物的關(guān)鍵點(diǎn)。線粒體損傷可通過能量應(yīng)激激活A(yù)MPK 促進(jìn)線粒體自噬，在沒有線粒體損傷的情況下，直接小分子激活劑，如A769662 激活A(yù)MPK 誘導(dǎo)線粒體自噬[45]。AMPK/mTOR在不同疾病中調(diào)控線粒體自噬的機(jī)制各有異同，線粒體蛋白的表達(dá)異常或缺失極大可能影響線粒體自噬，導(dǎo)致受損線粒體清除不及時(shí)而誘發(fā)相關(guān)疾病。AMPK/mTOR 直接或與其他相關(guān)通路交互作用介導(dǎo)線粒體自噬，調(diào)控自噬通量保護(hù)機(jī)體免受損傷，這種交互作用是我們需要關(guān)注并探討的。雖然AMPK/mTOR 調(diào)控線粒體自噬在線粒體疾病中的保護(hù)作用是明確的，但具體調(diào)節(jié)機(jī)制和相關(guān)靶點(diǎn)仍需進(jìn)一步研究。