單磷酸腺苷活化蛋白激酶與腎臟疾病

單磷酸腺苷(AMP)活化蛋白激酶(AMPK)屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，廣泛存在于真核細(xì)胞。早在1973年，Berg和他的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶相關(guān)的蛋白激酶，隨后的研究表明其活性受AMP調(diào)節(jié)，故稱為AMP 激活的蛋白激酶[1]。 AMPK激活后，一方面關(guān)閉能量消耗途徑(脂肪酸和膽固醇合成)，另一方面啟動(dòng)能量生成途徑(脂肪酸氧化和糖酵解)，故被稱為“細(xì)胞能量調(diào)節(jié)器”，在調(diào)節(jié)糖、脂代謝方面起重要作用[2]。AMPK還參與調(diào)控多種重要的細(xì)胞生理活動(dòng)，包括細(xì)胞增生、炎癥調(diào)控、蛋白合成及腎臟和其他組織膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)節(jié)[3-5]。以往AMPK的研究主要集中在糖尿病、癌癥、心血管疾病的機(jī)制和治療方面，近年來(lái)隨著研究的深入，其與腎臟疾病的關(guān)系逐漸受到關(guān)注。本文就AMPK的結(jié)構(gòu)、分子生物學(xué)功能及其與腎臟疾病發(fā)生發(fā)展的關(guān)系做一綜述。

AMPK的結(jié)構(gòu)

AMPK是一個(gè)異源三聚體蛋白,由α、β和γ三個(gè)亞單位組成。其中α亞單位是催化核心部位，有α1、α2兩種亞型，α1廣泛分布于全身各組織細(xì)胞，主要位于細(xì)胞質(zhì)； α2主要分布在骨骼肌、心臟和肝臟中，主要位于細(xì)胞核。β和γ亞單位起調(diào)節(jié)作用，β亞單位有β1、β2兩種亞型，β1在骨骼肌中低表達(dá)，在肝臟中高表達(dá)，β2則恰好相反。γ亞單位有γ1、γ2、γ3三種亞型，γ1、γ2廣泛分布于各組織細(xì)胞，γ3僅在骨骼肌中高表達(dá)。所有亞型由不同基因編碼，可組成12種不同的復(fù)合體[6-8]。AMPK 在不同細(xì)胞中以不同亞型的復(fù)合體存在，推測(cè)可能與其下游靶蛋白的選擇有關(guān)，但不同亞型的生物學(xué)功能的差異性尚未研究清楚。

α亞基分子量為63 kD，含有一個(gè)N端激酶結(jié)構(gòu)域和一個(gè)C端。N端是催化核心部位，含有AMPK上游激酶(AMPKK)磷酸化結(jié)核位點(diǎn)蘇氨酸-172(Thr-172)，對(duì)AMPK活性的調(diào)節(jié)起重要作用。C端負(fù)責(zé)與β和γ亞基的結(jié)合。 N 端和C端結(jié)構(gòu)域之間為自動(dòng)抑制區(qū)(AIS)。β亞基分子量為40kD，N端含有N-異淀粉酶區(qū)域，稱為糖原結(jié)構(gòu)域(GBD)。C端為α、β結(jié)合區(qū)域，能夠使 AMPK 形成一個(gè)穩(wěn)定的三聚體[8]。γ亞基分子量為35 kD,其C端含有4個(gè)串聯(lián)重復(fù)的胱硫醚β合成酶 (CBS)，它們以2個(gè)一組的方式組成“Bateman結(jié)構(gòu)域”，形成AMP或三磷酸腺苷(ATP)結(jié)合位點(diǎn)[9]。

AMPK的活性調(diào)節(jié)

AMPK活性主要受細(xì)胞中 AMP/ATP 比值的調(diào)節(jié)。生理?xiàng)l件下，真核細(xì)胞內(nèi)AMP的含量極低，AMPK處于無(wú)活性狀態(tài)。當(dāng)細(xì)胞受到應(yīng)激(如缺氧、缺血、運(yùn)動(dòng)和饑餓等)刺激時(shí)，細(xì)胞中ATP生成減少，消耗增加，AMP/ATP比值增加,AMPK則被激活，故AMPK又被稱為“細(xì)胞能量檢測(cè)器”。AMPK可能通過(guò)以下3種方式激活：(1)AMP直接激活A(yù)MPK及AMPKK；(2)AMP通過(guò)與AMPK結(jié)合，使AMPK更易被AMPKK磷酸化；(3)AMP與AMPK結(jié)合，使AMPK不容易被蛋白磷酸酶去磷酸化而失活[10]。AMPK的激活模式非常敏銳，細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP比值極微弱的變化就可引起一系列的級(jí)聯(lián)效應(yīng)，使機(jī)體迅速作出反應(yīng)。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的AMPKK包括腫瘤抑制因子肝激酶B1(LKBl)、鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶(CaMKK)和轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子-活化激酶1(TAKl)。LKB1是第一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的AMPKK，它是一種腫瘤抑制因子，能選擇性激活α2，最早發(fā)現(xiàn)于人類黑斑息肉綜合征(PJS)的研究[11]。CaMKK也能夠調(diào)節(jié)AMPK的活性，但其調(diào)節(jié)主要通過(guò)細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的升高而啟動(dòng)，不依賴于AMP/ATP 比值的變化[8]。近來(lái)研究表明，TAK1也能磷酸化Thr-172位點(diǎn)，激活A(yù)MPK，從而被認(rèn)為是一種新的AMPKK[9]。

5-氨基-4-甲酰胺咪唑核糖核苷酸(AICAR)是目前研究中應(yīng)用較多的AMPK激活劑。作為腺苷的類似物，其能被細(xì)胞攝取并在腺苷激酶的磷酸化作用下轉(zhuǎn)換為環(huán)腺苷-磷酸衍生物(ZMP)。ZMP是AMP的類似物，可激活A(yù)MPK[12]。 需要指出的是，它也會(huì)干擾AMP參與的其他細(xì)胞效應(yīng),并不是AMPK 的特異性激活劑。此外，脂聯(lián)素、瘦素、一些常用藥物(如二甲雙胍、羅格列酮等)也具有激活A(yù)MPK的效應(yīng)[13]。

AMPK的生物學(xué)效應(yīng)和功能

AMPK與能量代謝

調(diào)節(jié)糖代謝 早在1998年Hayashi等[14]便發(fā)現(xiàn)大鼠后肢肌肉灌注AICAR能促進(jìn)葡萄糖的攝取，證實(shí)AMPK參與肌肉收縮對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的作用。研究證實(shí)AMPK調(diào)節(jié)葡萄糖攝取是通過(guò)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4(GLUT-4)向胞膜轉(zhuǎn)運(yùn)來(lái)完成的[15]。Fryer等[16]研究也發(fā)現(xiàn)，在骨骼肌過(guò)表達(dá)重組激活的AMPK時(shí)，可刺激葡萄糖的攝取，并伴隨GLUT-1和GLUT-4的轉(zhuǎn)位。另有研究證實(shí)，使用AICAR注射大鼠后發(fā)現(xiàn)GLUT-4蛋白水平增加并伴隨mRNA水平增加，推測(cè)AMPK可能通過(guò)磷酸化某些轉(zhuǎn)錄因子促使GLUT-4 基因的表達(dá)[17]。以上研究表明,AMPK可能通過(guò)促進(jìn)GLUT轉(zhuǎn)位和(或)表達(dá)增加促進(jìn)葡萄糖攝取。此外，Halse等[18]研究發(fā)現(xiàn)AMPK不僅能激活葡萄糖攝取，還能抑制糖原合酶(GS),促進(jìn)葡萄糖向糖酵解方向轉(zhuǎn)化。

調(diào)節(jié)脂代謝 肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶1(CPT-1)是脂肪酸氧化過(guò)程中的一種限速酶，丙二酰輔酶A可抑制其活性，AMPK激活后通過(guò)磷酸化作用抑制乙酰輔酶A羧化酶(ACC)的活性，而 ACC活性降低能減少丙二酰輔酶 A 的合成，促進(jìn)脂肪酸氧化。羥甲基戊二酸CoA還原酶(HMG-CoA)和ACC分別是膽固醇和脂肪酸合成的關(guān)鍵酶，且均為AMPK 的重要底物，AMPK激活后使兩者磷酸化失活，抑制膽固醇和脂肪酸合成。此外，Sullivan等[19]研究發(fā)現(xiàn)，脂肪細(xì)胞中AICAR不僅能使ACC磷酸化抑制脂肪合成，還能通過(guò)抑制激素敏感性脂肪酶(HSL)產(chǎn)生抗脂肪分解的作用。AMPK這種既調(diào)節(jié)脂肪生成，又抗脂肪分解的作用，對(duì)于肥胖和代謝綜合征治療有著重要的臨床應(yīng)用。

抑制蛋白質(zhì)合成 AMPK參與能量耗竭時(shí)蛋白質(zhì)合成的調(diào)節(jié)，蛋白質(zhì)的合成需要消耗能量，而AMPK對(duì)細(xì)胞能量平衡的調(diào)節(jié)起核心作用。AMPK抑制蛋白質(zhì)的合成可能通過(guò)以下機(jī)制：(1)通過(guò)磷酸化調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物雷怕霉素靶蛋白(mTOR)信號(hào)通路的多個(gè)靶點(diǎn)。包括mTOR上游的結(jié)節(jié)性硬化復(fù)合物蛋白2(TSC2)激活、直接或間接經(jīng)mTOR調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白R(shí)aptor抑制mTOR的活性、mTOR的下游——核糖體蛋白S6激酶1(S6K1)和真核細(xì)胞始動(dòng)因子4E結(jié)合蛋白1(4E-BPl)的去磷酸化[20]。(2)通過(guò)磷酸化真核細(xì)胞翻譯延長(zhǎng)因子2(eEF2)，調(diào)控mRNA翻譯水平的延長(zhǎng)階段。eEF2是一種重要的調(diào)節(jié)翻譯延長(zhǎng)過(guò)程的細(xì)胞因子，其Thr56位磷酸化能使之失活，終止mRNA翻譯延長(zhǎng)，抑制蛋白合成[21]。Hattori等[22]提出AMPK對(duì)蛋白合成的抑制作用可能成為控制心肌肥厚的一個(gè)關(guān)鍵調(diào)節(jié)機(jī)制，為防止或抑制病理性心臟肥大提出了新的治療策略。

AMPK與炎癥反應(yīng)炎癥反應(yīng)是機(jī)體對(duì)損傷因子所作出的防御性反應(yīng)，但過(guò)度防御也可造成自身?yè)p傷，成為多種疾病發(fā)生發(fā)展的病理基礎(chǔ)。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)AMPK參與急性炎癥反應(yīng)的調(diào)控。例如AMPK的激活能夠?qū)е履[瘤壞死因子α(TNF-α)刺激的內(nèi)皮細(xì)胞核因子κB(NF-κB)核轉(zhuǎn)位下降[23]。Zhao等[24]研究AMPK對(duì)急性肺損傷的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)，AMPK活化能夠降低Toll樣受體4(TLR4)誘導(dǎo)的中性粒細(xì)胞活化，并降低中性粒細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的炎細(xì)胞趨化過(guò)程。另有研究顯示，在原代培養(yǎng)的星形膠質(zhì)細(xì)胞、小膠質(zhì)細(xì)胞和腹腔巨噬細(xì)胞，AICAR能抑制脂多糖(LPS)誘導(dǎo)的炎癥因子[如TNF-α、白細(xì)胞介素1β(IL-β)、IL-6]和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶的表達(dá)[4]；本研究體內(nèi)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)AICAR能抑制LPS腹腔注射后大鼠血清炎癥介質(zhì)(TNF-a、IL-1β)的生成及在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的表達(dá)。

AMPK與細(xì)胞增生近年研究發(fā)現(xiàn)AMPK對(duì)細(xì)胞增生也有調(diào)控作用。mTOR途徑是真核細(xì)胞調(diào)控細(xì)胞生長(zhǎng)的一條重要信號(hào)途徑，受上游信號(hào)分子TSC1和TSC2負(fù)調(diào)節(jié)，抑制細(xì)胞生長(zhǎng)。AMPK活化后磷酸化TSC2上的兩個(gè)氨基酸殘基Thr1227和Ser1345，激活TSC2；并抑制表皮生長(zhǎng)因子、血小板衍生因子等生長(zhǎng)因子對(duì)mTOR信號(hào)通路的激活，從而抑制細(xì)胞增生[25]。此外，AMPK還可通過(guò)調(diào)節(jié)mTOR信號(hào)通路抑制蛋白質(zhì)合成，抑制細(xì)胞增長(zhǎng)。Igata等[5]的研究表明AICAR能通過(guò)抑制細(xì)胞周期抑制血管平滑肌細(xì)胞增生，這為血管性疾病的防治提供了新的靶點(diǎn)。

綜上，活化的AMPK不僅調(diào)節(jié)糖、脂類代謝及蛋白質(zhì)合成，還通過(guò)激活不同信號(hào)通路，發(fā)揮多種生物學(xué)功能(圖1)，如參與調(diào)節(jié)細(xì)胞周期及細(xì)胞凋亡，影響細(xì)胞的增生，調(diào)控機(jī)體炎癥反應(yīng)，使AMPK成為防治多種疾病(如動(dòng)脈粥樣硬化、腫瘤、糖尿病和其他代謝性疾病)的新靶點(diǎn)。

AMPK與腎臟疾病

AMPK在腎組織固有細(xì)胞廣泛表達(dá)，包括足細(xì)胞、系膜細(xì)胞、內(nèi)皮細(xì)胞和腎小管上皮細(xì)胞，尤其是線粒體豐富的近曲小管和亨利袢升支粗段。AMPK不僅參與腎臟和其他組織膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)控，還通過(guò)抑制機(jī)體炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增生及蛋白質(zhì)合成等作用，對(duì)腎臟在各種病理狀態(tài)(包括腎臟缺血、多囊腎、高血脂、高血糖)下的調(diào)控發(fā)揮重要作用，并有望成為某些腎臟疾病干預(yù)的新靶點(diǎn)。

AMPK與腎小管轉(zhuǎn)運(yùn)AMPK是重要的腎小管轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)子，將能量代謝和腎小管細(xì)胞轉(zhuǎn)運(yùn)緊密聯(lián)系在一起。具體包括(1)對(duì)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)的調(diào)節(jié)：AMPK的激活引起組織中葡萄糖攝取的增加主要是通過(guò)刺激葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白表達(dá)和定位于胞質(zhì)膜上。前文提到AMPK主要通過(guò)誘導(dǎo)GLUT轉(zhuǎn)位到細(xì)胞膜并抑制其細(xì)胞內(nèi)吞作用促進(jìn)骨骼肌和心肌對(duì)葡萄糖的攝取。同樣，AMPK激活可通過(guò)刺激質(zhì)膜GLUT-1的轉(zhuǎn)位促進(jìn)腎小管對(duì)葡萄糖的重吸收。(2)對(duì)離子通道的調(diào)節(jié)包括調(diào)控囊性纖維化跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)調(diào)節(jié)因子(CFTR)對(duì)氯離子通道的調(diào)節(jié)、上皮鈉通道對(duì)鈉離子通道的調(diào)節(jié)、電壓門(mén)控鉀通道對(duì)鉀離子通道的調(diào)節(jié)。(3)對(duì)鈉結(jié)合轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的調(diào)節(jié)包括鈉鉀氯共轉(zhuǎn)運(yùn)體2、肌酐轉(zhuǎn)運(yùn)體、Na+/H+交換體1。(4)對(duì)離子泵的調(diào)節(jié)包括液泡膜H+-ATP酶、Na+,K+-ATP酶[26]。

圖1 AMPK的影響因素和生物學(xué)效應(yīng)

AMPK和腎缺血能量衰竭是腎臟缺血的基本表現(xiàn)之一，即ATP水平下降伴AMP水平升高，而升高的AMP/ATP比值導(dǎo)致能量感受器AMPK的激活。AMPK對(duì)缺血性心肌損傷的重要性已有大量研究證實(shí)[27，28]。Mount等[29]證實(shí)急性腎臟缺血在1 min內(nèi)即迅速啟動(dòng)AMPK激活， Seo-Maye等[30]證實(shí)腎臟缺血早期使用AMPK激活劑預(yù)處理，能明顯降低缺血性腎臟腎小管損傷的嚴(yán)重程度。因此進(jìn)一步研究腎臟缺血中AMPK的作用及機(jī)制，有助于提高對(duì)急性缺血性腎損傷發(fā)病機(jī)制的認(rèn)識(shí)，為尋求新的治療途徑奠定基礎(chǔ)。

AMPK和遺傳性多囊腎常染色體多囊腎病(ADPKD)是一種單基因遺傳性腎病，主要病理特征為腎臟多發(fā)性液性囊泡。囊液的異常分泌和囊泡上皮細(xì)胞的過(guò)度增生是導(dǎo)致囊泡的增長(zhǎng)和擴(kuò)張的主要原因。然而，囊液進(jìn)入囊腔的流動(dòng)速率與上皮細(xì)胞頂膜上CFTR氯通道的數(shù)量直接相關(guān)；囊泡上皮細(xì)胞的增生與mTOR的異常激活相關(guān)。有趣的是，無(wú)論是CFTR氯離子通道還是mTOR信號(hào)通路,AMPK都起著負(fù)調(diào)控作用。AMPK激活后，通過(guò)對(duì)TSC2和Raptor的磷酸化作用，直接抑制CFTR并間接拮抗mTOR信號(hào)通路。Takiar等[31]通過(guò)體內(nèi)和體外模型實(shí)驗(yàn)證實(shí)一種可直接激活A(yù)MPK的藥物——二甲雙胍，通過(guò)對(duì)CFTR和mTOR通路的抑制作用阻止囊泡的增長(zhǎng)和擴(kuò)張，提示AMPK有望成為ADPKD治療的新藥物靶點(diǎn)。

AMPK與肥胖相關(guān)性腎病隨著肥胖發(fā)病率的上升，由肥胖導(dǎo)致的腎小球疾病也日益受到人們重視。以往研究表明高脂飲食能降低人體內(nèi)多種器官包括腎臟的AMPK水平，但AMPK在高脂飲食誘導(dǎo)的腎臟疾病中調(diào)控作用尚不清楚[32，33]。Declèves等[34]證實(shí)AMPK能減輕高脂飲食引起的腎臟肥大，降低尿液過(guò)氧化氫和單核細(xì)胞趨化蛋白1(MCP-1)的水平。體外實(shí)驗(yàn)表明AMPK激活能完全抑制棕櫚酸誘導(dǎo)的腎小球系膜細(xì)胞MCP-1表達(dá)，最終證實(shí)AMPK在高脂飲食誘導(dǎo)的早期腎臟損傷的調(diào)控中起著關(guān)鍵作用，在肥胖相關(guān)性腎病和胰島素抵抗治療上具有很好的應(yīng)用前景。

AMPK與糖尿病腎病(DN) DN為糖尿病最常見(jiàn)的并發(fā)癥，僅次于心血管疾病。其發(fā)病機(jī)制十分復(fù)雜，AMPK在 DN的發(fā)病中發(fā)揮至關(guān)重要作用。研究表明DN患者AMPK的活性降低[35]，具體機(jī)制尚不確切，但與AMP或ATP的水平無(wú)關(guān)[36]。Lieberthal等[37]證實(shí)高糖可能通過(guò)Akt/蛋白激酶B(PKB)的激活和AMPK抑制的雙重作用，激活mTOR信號(hào)通路，促進(jìn)腎小球基膜增厚和系膜基質(zhì)堆積。在體外培養(yǎng)的腎小球內(nèi)皮細(xì)胞，AMPK的激活劑二甲雙胍和AICAR能增加AMPK磷酸化，抑制高糖誘導(dǎo)的4E-BP1和eEF2的磷酸化，抑制蛋白質(zhì)合成，減輕腎臟肥大[36]。此外，AMPK在調(diào)節(jié)糖和脂肪酸代謝方面的重要作用，且通過(guò)參與蛋白質(zhì)合成、機(jī)體炎性反應(yīng)和組織氧化應(yīng)激等過(guò)程，在延緩DN的發(fā)生、發(fā)展中發(fā)揮重要作用。兩種治療2型糖尿病的常用藥物，雙胍類和噻唑啉二酮類，都能夠激活A(yù)MPK，為2型糖尿病治療提供了新的治療靶點(diǎn)[38]。

小結(jié)：AMPK作為一種重要的蛋白激酶，不僅調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝，還參與多種重要的細(xì)胞通路，對(duì)機(jī)體炎癥反應(yīng)、細(xì)胞增生、蛋白質(zhì)合成及腎臟和其他組織膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白發(fā)揮重要的調(diào)控作用。因此，AMPK有望成為某些腎臟疾病(如急性腎損傷、DN、ADPKD等)干預(yù)的新靶點(diǎn)，而通過(guò)藥物或其他手段激活A(yù)MPK可望成為相關(guān)疾病防治的新策略。然而，目前AMPK在腎臟疾病方面仍需更多的深入研究，從而為腎臟疾病的發(fā)病機(jī)制和治療提供更多的研究方向。

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