ＡＭＰ激活的蛋白激酶研究新進(jìn)展

周　亮　申偉華

摘要：AMP激活的蛋白激酶(AMP瞐ctivated protein kinase, AMPK）是機(jī)體能量代謝的開關(guān)，近年對AMPK的研究發(fā)展很快。在其β亞單位發(fā)現(xiàn)GBD（glycogen瞓inding domain ）區(qū)域，在γ亞單位發(fā)現(xiàn)CBS cystathioninen ?瞫ynthase)區(qū)域，并對它們的功能進(jìn)行了研究。AMPK的活力在體內(nèi)通過3條不同的途徑受到AMP的調(diào)節(jié)。在哺乳動物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)AMPK受到其上游激酶LKB1的調(diào)節(jié)，而AMPK對機(jī)體的調(diào)節(jié)不僅僅體現(xiàn)在能量代謝，還包括基因表達(dá)、蛋白質(zhì)翻譯和細(xì)胞生長等方面。

關(guān)鍵詞：AMPK;GBD;LKB1;基因表達(dá)

中圖分類號：G804.7文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B文章編號：1007-3612(2008)06-0805-03

ATP是每一個(gè)生物細(xì)胞保持生命活力的基本能源。機(jī)體通過ATP分解為ADP提供能量供給機(jī)體合成代謝和維持生命活動,同時(shí)機(jī)體通過分解代謝利用ADP再合成ATP為機(jī)體補(bǔ)充能量。

AMPK的研究相當(dāng)快，而且國內(nèi)外也有不少的綜述。本文著重對其新的研究成果，特別是在其結(jié)構(gòu)和上下游信號通路方面的新的發(fā)現(xiàn)進(jìn)行綜述。

1AMPK復(fù)合體的結(jié)構(gòu)研究的新進(jìn)展

お

AMPK,是一個(gè)異源三聚體蛋白,由α、β和γ3個(gè)亞單位組成。在目前已知基因序列的真核生物中均含有這3個(gè)亞單位。這3個(gè)亞基分別由2～3個(gè)獨(dú)立的基因控制(α1,α2;β1,β2;γ1,γ2,γ3)，不同的亞基自由排列組合可以形成不同的AMPK復(fù)合體。研究發(fā)現(xiàn)，在沒有線粒體、核仁和過氧化物酶體的原始真核生物中即有該酶的存在,說明含有AMPK是所有真核生物的普遍特征［1］。

α亞單位是AMPK的主要催化部位,負(fù)責(zé)將ATP的磷酸傳遞至目標(biāo)蛋白,其含有2個(gè)功能區(qū):其N端含有蛋白激酶為催化區(qū)域,是催化核心部位,Ｃ末端主要負(fù)責(zé)活性調(diào)節(jié)及與β和γ亞基結(jié)合 ［2］。

不同物種來源的AMPK的β亞基都有2個(gè)相同的保守區(qū)域，早期分別命名被為KIS和ASC區(qū)域［3］。近來的研究表明，哺乳動物的ASC區(qū)域參與同α和γ亞基的接合，KIS區(qū)域可能是一個(gè)糖原接合區(qū)（glycogen-binding domain,GBD）,主要參與糖原的接合［4，5］。根據(jù)蛋白質(zhì)資料庫的分析，GBD是淀粉分支酶家族的一員。這種酶的作用主要在糖原和淀粉的合成中完成α1→4糖苷鍵向α1→6糖苷鍵的轉(zhuǎn)變。

雖然已有一些實(shí)驗(yàn)表明AMPK確實(shí)和糖原接合在一起，但是GBD的確切功能并不很清楚。研究發(fā)現(xiàn)［6］，GBD形成一個(gè)供AMPK和糖原接合的區(qū)域，而這一區(qū)域也正是AMPK的下游信號糖原合成酶（GS）的接合區(qū)。已經(jīng)有一些間接的證據(jù)表明，在人體［7］和大鼠［8］骨骼肌中，高濃度的糖原可以抑制AMPK的活力。我們可以做一個(gè)有意義的假設(shè)，正如AMPK可以感受機(jī)體瞬間的能量狀況（即AMP）變化一樣，AMPK也可以感受機(jī)體較長時(shí)間的能量儲存狀況（即糖原）的變化。不管GBD的確切功能如何，我們可以肯定這種功能是非常的重要而且久遠(yuǎn)，因?yàn)樵谒械恼婧思?xì)胞的β亞基里都有GBD的存在。

AMPK的γ亞基含有4個(gè)串行重復(fù)的區(qū)域，并被Bateman命名為CBS(cystathioninenβ-synthase的縮寫)區(qū)域［9］。CBS在其C端含有2個(gè)這樣的重復(fù)區(qū)域，每個(gè)約含60個(gè)氨基酸殘基，它們借疏水作用力接合在一起。現(xiàn)在已經(jīng)清楚，γ亞基的這一功能區(qū)包含2個(gè)這樣的二聚體。Kemp建議使用“Bateman區(qū)”這一名稱指代γ亞基的這一功能區(qū)域［10］。最近的研究發(fā)現(xiàn)，γ亞基的Bateman區(qū)是AMPK復(fù)合體接合ATP或AMP的部位［11］。γ亞基C端和N端的Bateman區(qū)可以以“互斥”的方式各接合一分子的ATP或AMP；但是當(dāng)他們都接合ATP或AMP分子的時(shí)候則表現(xiàn)出強(qiáng)烈的相互協(xié)同效應(yīng)。

2AMPK復(fù)合體活力的調(diào)節(jié)

お

AMP可以通過以下3條不同的途徑激活A(yù)MPK，這3條途徑都可以被ATP所抑制。

第一，AMP直接作用于AMPK,變構(gòu)激活A(yù)MPK。大量的這種變構(gòu)調(diào)節(jié)大約可以提高AMPK不到5倍的活力。令人迷惑的是：酵母和植物細(xì)胞的AMPK復(fù)合體的γ亞基都含有同哺乳動物相似的Bateman區(qū)，卻沒有發(fā)現(xiàn)這種變構(gòu)調(diào)節(jié)作用，但是，在果蠅卻可以發(fā)現(xiàn)這種調(diào)節(jié)方式［12］，說明這種調(diào)節(jié)至少保存在人和昆蟲之間。

第二，AMP和AMPK結(jié)合使之成為其上游激酶的良好底物。其上游激酶（如LKB1，下文詳解）通過磷酸化AMPK的α亞基的172位蘇氨酸殘基特異性的激活A(yù)MPK［13］，并進(jìn)而激活其它的蛋白激酶。這種磷酸化至少引起AMPK活性50到100倍的變化。這種磷酸化作用只在完整的?復(fù)合體內(nèi)可以實(shí)現(xiàn),而不能在含有蛋白激酶但是缺少AMP接合部位的AMPK復(fù)合體內(nèi)體現(xiàn)［14］。這表明，這種調(diào)節(jié)機(jī)制是由于AMP的接合，而不是其上游激酶的作用。這一關(guān)鍵的蘇氨酸殘基及其鄰近的氨基酸序列在所有的真核細(xì)胞的AMPK的α亞基是保守的。研究發(fā)現(xiàn)［15］，酵母的相對應(yīng)的蘇氨酸殘基發(fā)生變異的時(shí)候則引起全部功能的缺失，可以肯定在所有的真核細(xì)胞生物中這種調(diào)節(jié)作用是保守的。

第三，AMP和AMPK結(jié)合抑制α亞基的172位蘇氨酸殘基被蛋白激酶去磷酸化［16］。這種調(diào)節(jié)作用在較高等的植物中即已存在［17］。

細(xì)胞內(nèi)AMP通過3種不同的途徑調(diào)節(jié)AMPK的活力是一種超敏感的方法，在AMP濃度發(fā)生極微弱的變化的時(shí)候就可以引起AMPK活力的很大的變化［18］。其原理是通過單一分子的變化引起多步變化的瀑布式傳感方式，這種能將輸入的信息不斷放大的敏銳的感受方式對于AMPK保持細(xì)胞的能量狀況在一個(gè)非常狹窄的范圍內(nèi)變化有著重要的意義。

3機(jī)體對AMPK活性調(diào)節(jié)的上游信號研究進(jìn)展

お

多年的研究表明，在AMPK的激活中有一個(gè)上游蛋白激酶（AMPK kinases，AMPKKs）在起作用［19，20］。1996年，Hawley［21］使AMPKKs在大鼠的肝臟細(xì)胞中得到了部分純化。近來的研究表明［22，23］，以前命名的AMPKKs可能是在植物內(nèi)發(fā)現(xiàn)的Snf1 (sucrose nonfermenting factor)激酶Elmp1p, Tos3p或Pak1的類似物。在人體內(nèi)，最接近這些蛋白激酶的氨基酸序列就是蛋白激酶LKB1。

LKB1是一種腫瘤抑制因子，首先在PJS P (eutz-Jeghers syndrome)的病人中發(fā)現(xiàn)。在哺乳動物體內(nèi)LKB1能夠磷酸化AMPK，有研究證實(shí)LKB1正是磷酸化AMPK的關(guān)鍵上游激酶AMPKKs ［24，25］。LKB1和其它2個(gè)亞單位（STRAD和MO25）形成一個(gè)復(fù)合體，每個(gè)亞單位都是保持其生理活性所必不可少的部分［14］。已經(jīng)證實(shí)，LKB1不僅調(diào)節(jié)AMPK的活力，也作用于相關(guān)的AMPK家族成員［26，27］。

在哺乳動物體內(nèi)，同樣類似Snf1激酶的還有CaMK1K (calmodulin kinase 1 kinase)。但是，CaMK1K對CaMK磷酸化的活性比磷酸化AMPK的活力要強(qiáng)，因此認(rèn)為它在激活A(yù)MPK活性方面處于次要地位［28］。

4AMPK調(diào)節(jié)機(jī)體能量代謝的下游信號

お

AMPK的激活下調(diào)生物合成途徑(比如脂肪酸和膽固醇的合成),而打開生物異化途徑(比如脂肪酸的氧化、葡萄糖攝取、糖酵解等)以生成更多的ATP。AMPK的這種作用不僅是通過磷酸化相關(guān)的代謝酶實(shí)現(xiàn)，也可以作用于一些相關(guān)基因的表達(dá)。比如上調(diào)骨骼肌的GLUT4 （glucose transporter4 ）和線粒體內(nèi)的基因表達(dá)和下調(diào)脂肪酸合成酶和糖原合成酶的基因表達(dá)。雖然AMPK調(diào)節(jié)特定基因表達(dá)的詳細(xì)機(jī)制并不很清楚，但是已有不少研究顯示其對于一些轉(zhuǎn)錄因子和協(xié)同的激活子有重要影響。比如，AMPK的激活抑制轉(zhuǎn)錄因子SREBP-1c［29］和 HNF4［30］，從而減少肝臟中與脂肪生成、葡萄糖攝取和糖原生成相關(guān)的基因表達(dá)。在骨骼肌，AMPK作用于轉(zhuǎn)錄因子MEF2增加DNA的接合，從而調(diào)節(jié)GLUT4的表達(dá)［31］。

AMPK調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)表達(dá)的另一條途徑是影響mRNA的穩(wěn)定性。HuR是一種RNA接合蛋白，可以通過接合在mRNA的3－末端可以增加特定mRNA的穩(wěn)定性［32］，其目的mRNA包括細(xì)胞循環(huán)因子A、B1和p21。AMPK激活后通過目前尚不明確的途徑減少細(xì)胞質(zhì)內(nèi)HuR的濃度，從而影響RNA的穩(wěn)定性。研究顯示，在衰老的纖維原細(xì)胞內(nèi)因?yàn)锳MP:ATP比率上升引起AMPK的激活可以解釋許多衰老的表象特征［33，34］。

AMPK還可以通過對蛋白質(zhì)翻譯過程條幾抑制蛋白質(zhì)合成。這種抑制作用至少通過以下2條途徑實(shí)現(xiàn)：1） 磷酸化并激活延長因子2激酶［35］；2） 抑制刺激蛋白質(zhì)合成，細(xì)胞生長的TOR(the target of rapamycin)途徑［36］。TOR途徑在體內(nèi)主要通過以下2條途徑提高翻譯水平，促進(jìn)細(xì)胞生長：1） 激活核醣體的蛋白激酶S6(S6K1)；2） 促進(jìn)延長因子4E接合蛋白1 (4E-BP1，elongation factor-4E binding protein 1)的磷酸化，從而促進(jìn)蛋白翻譯的起始步驟［36］。

研究顯示AMPK對 TOR信號途徑的抑制可能是通過磷酸化TSC2而實(shí)現(xiàn)的［37］。TSC1和TSC2在細(xì)胞內(nèi)通常形成一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)合體。TSC1-TSC2復(fù)合體抑制細(xì)胞生長，而且激活TOR途徑的上游信號而抑制TOR信號途徑。AMPK通過磷酸化TSC2的2個(gè)位點(diǎn)，增強(qiáng)其對TOR途徑的抑制，從而抑制細(xì)胞的生長。

5AMPK和代謝調(diào)節(jié)的研究

お

AMPK和機(jī)體代謝方面的研究和綜述有很多，大家可以參見其他早期的綜述，近年取得以下重要進(jìn)展：

近來的研究顯示［38］，AMPK通過調(diào)整血糖水平、脂肪酸氧化和糖原代謝在機(jī)體整體的能量平衡中扮演重要角色研究表明，腹腔注射leptin后引起AMPK的時(shí)間依賴性的變化，從而實(shí)現(xiàn)對人飲食的調(diào)節(jié)［39］。從而提示，通過對AMPK活力的控制，可能達(dá)到治療肥胖、2型糖尿病等代謝紊亂綜合癥的目的。

運(yùn)動中ATP的大量消耗一方面激活A(yù)MPK，提高其活力；另一方面通過GLUT4（glucose transport 4）的轉(zhuǎn)位增加骨骼肌對葡萄糖的攝取。近來圍繞AMPK的激活是否GLUT4轉(zhuǎn)位的必要條件進(jìn)行了大量的研究，但是取得的結(jié)果卻并不一致［40，41］。因此，將來必然還要圍繞AMPK對GLUT的影響進(jìn)行大量研究。

6結(jié)論

お

AMPK做為機(jī)體的能量代謝開關(guān),主要受到機(jī)體AMP:ATP比率的變化調(diào)節(jié)，是機(jī)體內(nèi)敏感的能量調(diào)節(jié)機(jī)制之一。隨著AMPK的γ亞基的結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)展，AMP接合到AMPK的具體機(jī)制顯得更為清晰。

LKB1是通過最近的研究得以確定的AMPK的上游信號，同時(shí)也是一種腫瘤抑制因子。提示AMPK可能與細(xì)胞極性，細(xì)胞生長及其分化有一定關(guān)系。

近年才注意到AMPK對細(xì)胞內(nèi)蛋白表達(dá)的調(diào)節(jié)，但是其發(fā)展十分迅速。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，AMPK可以調(diào)節(jié)機(jī)體的基因表達(dá)、影響mRNA的穩(wěn)定性、抑制蛋白質(zhì)表達(dá)。AMPK對TSC2和TOR信號途徑的抑制提示，細(xì)胞內(nèi)LKB1→AMPK→TSC途徑可能通過一些不太明確的方式控制細(xì)胞的分化和生長。

AMPK的研究正在引向更深的領(lǐng)域，不可能再僅僅是細(xì)胞能量開關(guān)。其在調(diào)節(jié)細(xì)胞的蛋白代謝方面的作用、對機(jī)體整體能量代謝和對細(xì)胞生長分化的研究成果提示，AMPK是機(jī)體許多生命過程的參與者。

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