單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)：能量、葡萄糖感受器和代謝性疾病治療靶標(biāo)

張宸崧，王子涵，陳燕雯，萬(wàn)芷辰，王心茗，陳思薇，崔立楓

(廈門(mén)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，細(xì)胞應(yīng)激生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門(mén) 361102)

單磷酸腺苷激活的蛋白激酶(AMPK)是一種重要的調(diào)節(jié)細(xì)胞物質(zhì)和能量代謝的蛋白質(zhì).早在1973年，人們便發(fā)現(xiàn)從大鼠肝臟中提取出來(lái)的一個(gè)具有激酶活性的組分，同時(shí)具有磷酸化并抑制乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶(HMGCR)這兩個(gè)脂質(zhì)合成關(guān)鍵蛋白的活性[1-2]，后續(xù)研究表明該組分能夠被單磷酸腺苷(AMP)所活化[3-4].鑒于此，在1988年它被重新命名為AMPK[5].AMPK能通過(guò)磷酸化其下游的多種蛋白達(dá)到促進(jìn)分解代謝、抑制合成代謝的效果，從而在生物體內(nèi)發(fā)揮在能量水平上“開(kāi)源節(jié)流”的作用.本文從AMPK的兩類(lèi)調(diào)控方式入手，詳述其在代謝性疾病上“糾偏”的作用，并解釋其生理功能和作為藥物靶標(biāo)的潛力.

1 AMPK的結(jié)構(gòu)

如圖1所示，AMPK是一個(gè)異源三聚體，由α、β和γ 3種亞基組成.在哺乳動(dòng)物中，α和β亞基分別有2種亞型[6-7]，γ亞基有3種亞型[8]，這就意味著理論上有至少12種AMPK蛋白結(jié)構(gòu).最新的研究表明，AMPK的3種亞基的不同亞型在表達(dá)和調(diào)控方式上具有時(shí)空特異性，這提示在不同的組織器官中，AMPK在調(diào)節(jié)方式和下游效應(yīng)上可能存在著差別[9-10]，也提示以AMPK為靶點(diǎn)的藥物開(kāi)發(fā)可能需要注意這種特異性[11].

圖(a)數(shù)據(jù)來(lái)自PDB 4cff；圖(b)數(shù)據(jù)來(lái)自PDB 6c9j；KD.激酶結(jié)構(gòu)域；AID.自抑制結(jié)構(gòu)域；CTD.羧基端(C端)結(jié)構(gòu)域；CBM.碳水化合物結(jié)合模塊；ID.交互結(jié)構(gòu)域；CBS.胱硫醚β合成酶序列；Thr172(P).蘇氨酸172(磷酸化).

AMPK的α亞基是重要的激酶活性亞基，主要由α-KD、α-AID和α-CTD組成.α-AID的存在會(huì)抑制α-KD 的激酶活性[12];在α-KD的C端小葉上有一個(gè)重要的位點(diǎn)——Thr172，AMPK的上游激酶對(duì)該位點(diǎn)的磷酸化能夠解除α-AID的自抑制作用，是最大程度地激發(fā)AMPK活性所必需的[12-13].

AMPK的β亞基結(jié)構(gòu)尚未完全解析，主要包括氨基端(N端)的豆蔻?；瘏^(qū)域、β-CBM和β-ID.β亞基N端的豆蔻酰化修飾對(duì)AMP和二磷酸腺苷(ADP)促進(jìn)AMPK的Thr172位點(diǎn)磷酸化有關(guān)鍵作用[14-15]，而β-CBM本身則能和糖原等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)結(jié)合并調(diào)節(jié)AMPK[16].CBM還能和α亞基共同作用，在交界處形成變構(gòu)藥物和代謝物(ADaM)位點(diǎn)，是重要的藥物靶向變構(gòu)激活A(yù)MPK的位點(diǎn)[17].

AMPK的γ亞基含有4個(gè)CBS串聯(lián)重復(fù)序列，可以與AMP、ADP或三磷酸腺苷(ATP)結(jié)合，影響AMPK的構(gòu)象.關(guān)于AMPK結(jié)構(gòu)的更多細(xì)節(jié)和最新進(jìn)展可參閱相關(guān)綜述文獻(xiàn)[18].

2 AMPK的調(diào)控機(jī)制

2.1 經(jīng)典機(jī)制：通過(guò)AMP/ATP比值調(diào)控的變構(gòu)激活

如上所述，AMPK發(fā)現(xiàn)的過(guò)程是和細(xì)胞內(nèi)低能量水平的表征分子AMP緊密聯(lián)系在一起的，因此和AMP等腺苷類(lèi)物質(zhì)相關(guān)的激活被稱(chēng)為經(jīng)典機(jī)制.在細(xì)胞中，ATP是生物體內(nèi)能量的“通貨”，ADP是ATP供能后失去一個(gè)磷酸基團(tuán)的產(chǎn)物，AMP則是ATP失去一個(gè)焦磷酸基團(tuán)或ADP失去一個(gè)磷酸基團(tuán)的產(chǎn)物.在一般生理?xiàng)l件下，這3種物質(zhì)的比例處于一種比較穩(wěn)定的狀態(tài)；而當(dāng)機(jī)體處于過(guò)度饑餓、缺血或者其他極端條件下時(shí)，ATP產(chǎn)生不足而ADP累積，此時(shí)機(jī)體通過(guò)2ADP → ATP + AMP反應(yīng)在一定程度上彌補(bǔ)ATP的不足，因而導(dǎo)致AMP的水平升高[19].AMPK正是通過(guò)其γ亞基上的腺苷酸結(jié)合位點(diǎn)來(lái)感應(yīng)這3種腺苷酸的水平：該位點(diǎn)由4個(gè)高度相似的CBS區(qū)段——CBS1、CBS2、CBS3和CBS4組成，除CBS2外，另3個(gè)區(qū)段都可以結(jié)合腺苷酸，且CBS1和CBS4對(duì)腺苷酸的結(jié)合還能加強(qiáng)CBS3結(jié)合AMP的能力[20]，使AMPK感應(yīng)AMP的能力較ADP和ATP靈敏得多[21].當(dāng)機(jī)體AMP含量較高，即能量水平較低時(shí)，CBS3與AMP結(jié)合，使γ亞基發(fā)生變構(gòu)，這種變構(gòu)調(diào)節(jié)導(dǎo)致α亞基的Thr172位點(diǎn)暴露，進(jìn)而促進(jìn)AMPK的上游激酶對(duì)其的磷酸化，解除AID對(duì)KD的抑制作用，從而提高AMPK的活性[22-23].除AMP外，ADP也能結(jié)合CBS3，但其作用尚存在爭(zhēng)議[15，21，24]；而當(dāng)機(jī)體內(nèi)ATP含量較高即能量水平較高時(shí)，CBS3則被ATP占據(jù)，使AMPK保持在利于Thr172位點(diǎn)被去磷酸化的構(gòu)象，引起其活性的抑制[20，25].AMPK正是借此感應(yīng)細(xì)胞內(nèi)的能量水平，并在低能量水平下被激活，進(jìn)而調(diào)節(jié)一系列下游信號(hào)通路，抑制合成代謝、促進(jìn)分解代謝，以維持正常的機(jī)體能量水平.生化實(shí)驗(yàn)證據(jù)顯示AMP/ATP比值隨ADP/ATP比值的平方而變化[19]，故而感知AMP相較于ADP更靈敏.加之不同γ亞基的亞型感應(yīng)AMP的能力不同，如在體外γ1和γ2感應(yīng)AMP的能力顯著強(qiáng)于γ3[26]，且如前所述不同亞型的組織和細(xì)胞的時(shí)空特異性分布不同，這些機(jī)制很可能保證了細(xì)胞內(nèi)的能量變化被靈敏地感知并被嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣{(diào)控.

體外實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Thr172位點(diǎn)的磷酸化可使AMPK活性提升100倍以上[27]，因此被認(rèn)為是AMPK最重要的活性調(diào)節(jié)方式.目前已發(fā)現(xiàn)的可以磷酸化Thr172位點(diǎn)的上游激酶主要有3種，其中和感應(yīng)能量水平即AMP、ADP調(diào)控相關(guān)的是肝臟激酶B1(LKB1).它于1998年在波伊茨-耶格綜合征中被發(fā)現(xiàn)[28]，并隨后被證明對(duì)Thr172位點(diǎn)的磷酸化起主要作用[29-31].盡管LKB1和AMPK是激酶與底物的關(guān)系，但AMP或ADP促進(jìn)的LKB1對(duì)AMPK的磷酸化卻不僅需要這兩個(gè)分子本身，還需要更多胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的參與：原核表達(dá)的AMPK在體外(游離狀態(tài))無(wú)法重現(xiàn)AMP、ADP的這一作用[32].而在1997年，Mitchelhill等[33]發(fā)現(xiàn)AMPK的β亞基N端能被豆蔻?；揎棧崾続MPK在胞內(nèi)是能夠結(jié)合到細(xì)胞膜系統(tǒng)上的；2010年，Oakhill等[14]進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，β亞基N端第2位甘氨酸位點(diǎn)的豆蔻?；揎椖軌虼龠M(jìn)AMPK結(jié)合到膜上，且這是AMP、ADP激活A(yù)MPK所必需的：通過(guò)對(duì)原核表達(dá)的AMPK進(jìn)行豆蔻?；揎棧湍苁蛊漤憫?yīng)AMP、ADP，促進(jìn)LKB1對(duì)Thr172位點(diǎn)的磷酸化；此外，使用依賴(lài)于糖酵解產(chǎn)能(葡萄糖饑餓后能引起AMP升高)的COS7細(xì)胞系，在葡萄糖饑餓的條件下，在細(xì)胞水平驗(yàn)證了AMPK膜定位的重要性.

AMP對(duì)AMPK的變構(gòu)激活還體現(xiàn)在其能使被磷酸化后的AMPK活性進(jìn)一步提升2～3倍(隨ATP水平而變[21])，達(dá)到最大程度的激活[34].AMP和ADP的結(jié)合還有抑制AMPK被磷酸酶去磷酸化的作用[24，35]，最新研究表明這其中還需要多個(gè)分子調(diào)節(jié)AMPK出入細(xì)胞核[36].

AMPK的變構(gòu)調(diào)節(jié)機(jī)制是設(shè)計(jì)靶向AMPK的小分子藥物的重要依據(jù).以MK-8722(靶向ADaM位點(diǎn))[37]等藥物為代表的AMPK變構(gòu)調(diào)節(jié)激活劑[38]，被證明可以有效避免基于抑制線(xiàn)粒體ATP產(chǎn)生以提高AMP水平的機(jī)制所設(shè)計(jì)的藥物導(dǎo)致的細(xì)胞毒性[39-40]，因而具有很好的應(yīng)用前景；但這類(lèi)化合物目前需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是如何避免無(wú)差別、強(qiáng)烈地全局性激活體內(nèi)AMPK所引起的副作用.

2.2 非經(jīng)典機(jī)制：通過(guò)鈣離子或?qū)ζ咸烟撬礁袘?yīng)的激活

除依賴(lài)AMP、ADP之外的AMPK激活方式被統(tǒng)稱(chēng)為非經(jīng)典機(jī)制.其中，鈣調(diào)素依賴(lài)蛋白激酶的激酶β(CaMKKβ)能被胞內(nèi)大量鈣離子水平升高所激活(通過(guò)結(jié)合鈣調(diào)蛋白，后者在鈣離子結(jié)合的情況下結(jié)合CaMKKβ，使其自抑制作用被解除)，再引起AMPK的Thr172位點(diǎn)磷酸化，因而在神經(jīng)等系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[41].DNA損傷所引起的AMPK激活也被認(rèn)為由CaMKKβ介導(dǎo)[42].而轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子β活化激酶1(TAK1)則是一種有絲分裂原活化蛋白激酶的激酶(MAPKK)，在內(nèi)吞體/溶酶體損傷、有絲分裂原刺激等條件下能夠引起AMPK的激活[43-44].現(xiàn)有證據(jù)表明，至少在體外的單一體系下，CaMKKβ和TAK1對(duì)AMPK的激活獨(dú)立于AMP依賴(lài)的AMPK激活途徑[44-45]，盡管在特定的生理?xiàng)l件下兩者之間可以交互影響[43].除CaMKKβ和TAK1介導(dǎo)的非經(jīng)典激活外，靶向ADaM位點(diǎn)的藥物如MK-8722、水楊酸和A769662，則能夠通過(guò)抑制Thr172位點(diǎn)的去磷酸化以及變構(gòu)調(diào)節(jié)的方式激活A(yù)MPK[46-48].

AMPK的另一類(lèi)非經(jīng)典激活方式則與機(jī)體感應(yīng)葡萄糖水平的降低有關(guān)，它是AMPK激活最普遍的情況，不僅常見(jiàn)于如餐間饑餓、運(yùn)動(dòng)等多種生理?xiàng)l件下，而且從酵母到哺乳動(dòng)物高度保守[49].盡管葡萄糖本身作為機(jī)體主要的能量來(lái)源和ATP的產(chǎn)生有密切聯(lián)系，但與COS7細(xì)胞系以及許多腫瘤細(xì)胞系不同，本課題組及相關(guān)研究都發(fā)現(xiàn)，在肌肉、肝臟等不依賴(lài)于糖酵解為主要ATP生產(chǎn)方式的正常組織中，葡萄糖水平的下降并不能引起AMP水平的上升[50-51]，這很可能是由于機(jī)體和組織內(nèi)豐富的氨基酸(如谷氨酰胺)、脂肪酸等替代碳源能夠在葡萄糖水平下降時(shí)及時(shí)補(bǔ)充并生產(chǎn)ATP[52].本課題組發(fā)現(xiàn)：此時(shí)AMPK的激活需要在溶酶體膜表面進(jìn)行，依賴(lài)于體軸發(fā)育抑制因子(AXIN)、定位在溶酶體膜上的Ragulator復(fù)合體和v型ATP酶(v-ATPase)的參與.當(dāng)葡萄糖水平下降時(shí)，v-ATPase被抑制，它和Ragulator復(fù)合體發(fā)生構(gòu)象變化，促進(jìn)AXIN與之結(jié)合并被招募到溶酶體附近.AXIN則可以結(jié)合LKB1，作為“橋梁”連接定位在溶酶體附近的AMPK和LKB1，從而促進(jìn)LKB1對(duì)Thr172位點(diǎn)的磷酸化，最終在溶酶體附近激活A(yù)MPK[53-54].早在這一機(jī)制發(fā)現(xiàn)之前，已有研究通過(guò)蛋白質(zhì)組學(xué)手段鑒定AMPK能定位在溶酶體上[55]，且本課題組發(fā)現(xiàn)的AMPK激活機(jī)制也依賴(lài)于β亞基的豆蔻?；?，因此將上述機(jī)制稱(chēng)為“溶酶體途徑”[54](圖2).需要注意的是，相較于豆蔻?；?，盡管β亞基的CBM與糖原對(duì)AMPK的調(diào)節(jié)有關(guān)，但卻并不參與葡萄糖對(duì)AMPK的調(diào)節(jié)[56]，ADaM位點(diǎn)也不參與該過(guò)程[51].有意思的是，Ragulator早先被認(rèn)為是細(xì)胞內(nèi)另一個(gè)重要代謝調(diào)節(jié)者——雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體1(TORC1，在哺乳動(dòng)物中稱(chēng)為mTORC1)維持活力所必需的[57-58]；與AMPK相反，mTORC1在細(xì)胞內(nèi)能量和物質(zhì)充足時(shí)遷移到溶酶體表面被激活并啟動(dòng)合成代謝，促進(jìn)細(xì)胞增長(zhǎng)和增殖[59].可見(jiàn)AMPK和mTORC1的激活對(duì)應(yīng)于不同的營(yíng)養(yǎng)、能量條件，卻“借道”同一類(lèi)分子行使調(diào)控作用，這可能是一種簡(jiǎn)約而又精確的調(diào)節(jié)方式.

FBP.果糖-1,6-二磷酸.

葡萄糖水平下降能夠在不依賴(lài)AMP的基礎(chǔ)上激活A(yù)MPK，這說(shuō)明它有另一套信號(hào)被感知以調(diào)控AMPK.本課題組發(fā)現(xiàn)糖酵解途徑的中間產(chǎn)物FBP是介導(dǎo)這一過(guò)程的關(guān)鍵信號(hào)分子[51].FBP在葡萄糖水平下降時(shí)下降，不再結(jié)合催化它形成三碳糖的醛縮酶，進(jìn)一步導(dǎo)致v-ATPase-Ragulator復(fù)合體的變構(gòu)[60](圖2)，可見(jiàn)醛縮酶是感受FBP乃至葡萄糖水平的感受器.作為糖酵解途徑最直接(沒(méi)有旁路)的產(chǎn)物之一，F(xiàn)BP的產(chǎn)率常被認(rèn)為是糖酵解速率的表征[61]，因此它比AMP更靈敏，在細(xì)胞AMP水平升高前AMPK即可通過(guò)感知機(jī)體葡萄糖水平的降低而被激活，“前瞻性”地調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝穩(wěn)態(tài).有意思的是，本課題組在體外單純含有v-ATPase和醛縮酶的體系中，無(wú)法觀察到FBP對(duì)v-ATPase的調(diào)節(jié)，這強(qiáng)烈暗示還有其他因子參與該過(guò)程；進(jìn)一步鑒定發(fā)現(xiàn)陽(yáng)離子通道瞬時(shí)受體電位香草酸亞型(TRPV)是介導(dǎo)這一過(guò)程的關(guān)鍵.TRPV主要定位于細(xì)胞膜和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上，其中有一部分內(nèi)質(zhì)網(wǎng)定位的TRPV能夠在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-溶酶體接觸的位置和溶酶體途徑產(chǎn)生聯(lián)系：低葡萄糖水平下，未結(jié)合FBP的醛縮酶結(jié)合并抑制TRPV的活性，抑制其從內(nèi)質(zhì)網(wǎng)釋放鈣離子的作用，從而降低內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-溶酶體接觸位置的鈣離子濃度，使得TRPV結(jié)合v-ATPase從而抑制其活性[60](圖2).需要注意的是，這里所提到的鈣離子，并非是前述能激活CaMKKβ所釋放的大量鈣，而是原本很低濃度的鈣離子濃度進(jìn)一步降低所引起的情況，對(duì)AMPK的調(diào)節(jié)作用也并不同于前者.

在分子機(jī)制上，溶酶體途徑和經(jīng)典機(jī)制是相互獨(dú)立的，即AMP可以繞過(guò)溶酶體途徑對(duì)AMPK行使激活的功能，而溶酶體途徑可以不需要AMPK結(jié)合AMP，兩者并不互相影響；在層級(jí)關(guān)系上，經(jīng)典機(jī)制又是溶酶體途徑的上級(jí)，能造成比溶酶體途徑更強(qiáng)、更廣泛的AMPK激活.這進(jìn)一步體現(xiàn)在不同激活方式下AMPK所具有的時(shí)空特異性調(diào)控特點(diǎn)上：當(dāng)葡萄糖濃度下降(AMP水平還未上升)時(shí)，溶酶體上的AMPK先經(jīng)溶酶體途徑被激活；當(dāng)AMP水平上升時(shí)，如前述更加嚴(yán)重的營(yíng)養(yǎng)缺失發(fā)生時(shí)，胞質(zhì)中的AMPK也開(kāi)始逐漸被激活，此時(shí)AXIN通過(guò)直接加強(qiáng)LKB1和AMPK的相互作用介導(dǎo)該過(guò)程[53]；而當(dāng)細(xì)胞中能量嚴(yán)重匱乏，如在缺氧、缺血等情況發(fā)生時(shí)，線(xiàn)粒體上的AMPK最終被激活，這只需要AMP的參與.鑒于能量嚴(yán)重匱乏的情況并非生理常態(tài)，該機(jī)制可能部分解釋了為何直接靶向AMPK，以及以引起全局性AMPK激活為策略所設(shè)計(jì)的藥物往往難以避免一些副作用，如MK-8722所引起的心肌肥大[37]，后者最近被證實(shí)確實(shí)是由于心臟中AMPK過(guò)度激活所導(dǎo)致的[62].因此，基于葡萄糖感應(yīng)的溶酶體途徑也許可為針對(duì)不同代謝疾病設(shè)計(jì)相應(yīng)的引起AMPK激活的藥物提供新思路.

3 AMPK的底物及其對(duì)代謝的調(diào)控

如上所述，AMPK在功能上可以概括為“促進(jìn)分解代謝，抑制合成代謝”，從而在營(yíng)養(yǎng)和能量匱乏的情況下維持機(jī)體的物質(zhì)與能量穩(wěn)態(tài).AMPK通過(guò)磷酸化一系列底物直接或間接行使這些功能[63](圖3).

TET2.Tet甲基胞嘧啶雙加氧酶2；H2B.組蛋白2B；eEF2K.真核延伸因子2激酶；GPAT.甘油-3-磷酸?；D(zhuǎn)移酶；SREBP-1c.固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合蛋白-1c；PEPCK.磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶；G6PC.葡萄糖-6-磷酸酶催化亞基；PFKFB.6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶；GYS.糖原合酶；GLUT.葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白；TSC2.結(jié)節(jié)性硬化癥復(fù)合體亞基2；MFF.線(xiàn)粒體裂殖因子；PGC-1α.過(guò)氧化物酶體增殖物激活受體-γ共激活因子-1α；ULK1.Unc-51樣自噬啟動(dòng)激酶1；Beclin1.自噬效應(yīng)蛋白1；VPS34.分揀蛋白34；DAPK2.死亡相關(guān)蛋白激酶2；PRPS.磷酸核糖焦磷酸激酶；TIF-1A.轉(zhuǎn)錄中介因子-1α；p53、p21CIP1/WAF1、p27KIP1均為細(xì)胞命運(yùn)決定相關(guān)蛋白.

3.1 AMPK調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)代謝

AMPK對(duì)糖、脂質(zhì)、核苷酸和蛋白質(zhì)等已知的所有種類(lèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)都具有調(diào)節(jié)作用.在糖代謝方面，AMPK促進(jìn)葡萄糖的分解，抑制葡萄糖的生成和儲(chǔ)存.AMPK可以磷酸化并抑制GYS，抑制糖原合成[64-65]；也可磷酸化磷酸果糖激酶PFKFB2和PFKFB3，促進(jìn)糖酵解[66-67]；還可以促進(jìn)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞內(nèi)以維持其分解，如分別通過(guò)磷酸化Tre-2/USP6-BUB2-cdc16結(jié)構(gòu)域家族成員1(TBC1D1)和硫氧還蛋白互作蛋白(TXNIP)，促進(jìn)GLUT4和GLUT1轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上[68-69]，或通過(guò)轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2(MEF2)和組蛋白脫乙?；?(HDAC5)提升GLUT4的表達(dá)水平[70-71].在促進(jìn)糖酵解的同時(shí)，AMPK也抑制糖異生作用，如通過(guò)磷酸化初乳堿性蛋白(CBP)、環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白調(diào)控的轉(zhuǎn)錄共激活因子2(CRTC2)、HDACs(及其下游的叉頭框蛋白O(FOXO))、碳水化合物反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(ChREBP)等一系列轉(zhuǎn)錄因子和轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)錄活性，或直接調(diào)節(jié)干細(xì)胞核因子4α(HNF4α)等轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá)水平，抑制PEPCK、G6PC等糖異生相關(guān)限速酶的表達(dá)[72-76].需要注意的是，AMPK相關(guān)激酶(ARK)家族的其他蛋白也能行使AMPK抑制糖異生的功能(如對(duì)CRTC2和HDACs的磷酸化)[77]，從而保證糖異生這一高度耗能的過(guò)程在營(yíng)養(yǎng)和能量水平較低時(shí)被準(zhǔn)確地調(diào)控.

脂質(zhì)合成是高度耗能的代謝過(guò)程，而它本身作為機(jī)體重要的儲(chǔ)能物質(zhì)，則能夠被分解而產(chǎn)生大量ATP.作為其經(jīng)典功能之一，AMPK通過(guò)多個(gè)底物促進(jìn)脂質(zhì)的攝取和分解，抑制脂質(zhì)合成.AMPK可以磷酸化并抑制ACC(包括定位于細(xì)胞質(zhì)的ACC1[1]和線(xiàn)粒體的ACC2[78])的活性，減少丙二酸單酰輔酶A的產(chǎn)生，而后者的產(chǎn)生既是脂質(zhì)從頭合成(DNL)途徑的限速步驟，本身又能夠抑制線(xiàn)粒體進(jìn)行脂肪酸的攝取和β-氧化[1，79].同樣地，AMPK對(duì)HMGCR的磷酸化和抑制也是抑制膽固醇合成的關(guān)鍵[2].與糖代謝類(lèi)似，AMPK還能促進(jìn)脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)體CD36向細(xì)胞質(zhì)膜的轉(zhuǎn)移，促進(jìn)細(xì)胞攝入脂肪酸[80].AMPK還可以磷酸化轉(zhuǎn)錄因子SREBP-1c并抑制其被蛋白酶降解，后者是調(diào)控包括ACC、脂肪酸合成酶(FAS)等DNL關(guān)鍵基因轉(zhuǎn)錄的因子[81].類(lèi)似地，AMPK也能通過(guò)上述磷酸化ChREBP的機(jī)制，從轉(zhuǎn)錄水平抑制DNL[82].除脂肪酸合成和β-氧化外，AMPK還能通過(guò)磷酸化GPAT，抑制甘油三酯(TAG)和磷脂合成的共同底物——甘油二酯(DAG)的生成，從而抑制TAG和磷脂的合成[83].

盡管被認(rèn)識(shí)得較晚，但已有多項(xiàng)研究表明，與糖類(lèi)、脂質(zhì)類(lèi)似，核酸也是重要的儲(chǔ)能物質(zhì)，且其合成也是高度耗能的.如在胸腺細(xì)胞中，RNA的合成至少消耗了15%的有氧呼吸產(chǎn)能[84]，而作為細(xì)胞內(nèi)核酸的儲(chǔ)存庫(kù)之一，核糖體(儲(chǔ)存體內(nèi)80%以上的核糖體RNA)能夠在營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)缺乏時(shí)被降解以產(chǎn)能[85].現(xiàn)有研究表明AMPK能夠抑制核酸的合成，如：AMPK能磷酸化并抑制嘌呤合成途徑的限速酶PRPS，從而抑制嘌呤核苷酸的從頭合成[86]；AMPK也能磷酸化并抑制調(diào)控RNA聚合酶Ⅰ轉(zhuǎn)錄的關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子TIF-1A，從而抑制RNA的合成[87].

蛋白質(zhì)的合成也是機(jī)體內(nèi)主要的耗能過(guò)程，類(lèi)似于核酸，胸腺細(xì)胞中的蛋白合成消耗了約20%的有氧呼吸產(chǎn)能[84]，AMPK則能通過(guò)多種方式抑制蛋白質(zhì)的合成，促進(jìn)蛋白質(zhì)的分解.AMPK最主要的作用是通過(guò)抑制mTORC1阻止蛋白質(zhì)的翻譯起始：AMPK能夠磷酸化TSC2并激活TSC1/TSC2/TBC1D7復(fù)合體，后者作為mTORC1的激活因子——小G蛋白R(shí)heb的三磷酸鳥(niǎo)苷酶活化蛋白，能夠直接抑制mTORC1活性[88-89]；AMPK也可以磷酸化mTORC1復(fù)合體上的Raptor亞基從而直接抑制mTORC1活性[90].需要注意的是，除促進(jìn)蛋白質(zhì)的翻譯外，mTORC1也能促進(jìn)脂質(zhì)(如SREBP1[91]和HMGCR[92])和核苷酸(包括嘌呤[93]和嘧啶[94-95])的合成，因此AMPK通過(guò)mTORC1調(diào)節(jié)機(jī)體代謝的方式可謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”.另外還需要說(shuō)明的是，和前文溶酶體途徑中提到的AMPK與mTORC1響應(yīng)葡萄糖水平并經(jīng)共同因子在溶酶體上被調(diào)控的作用不同，AMPK對(duì)于mTORC1的抑制僅限于其活性而不涉及mTORC1的溶酶體定位，它起到的是快速而靈敏地抑制mTORC1的作用：當(dāng)AMPK缺失時(shí)，mTORC1仍能響應(yīng)葡萄糖水平下降，離開(kāi)溶酶體表面從而被抑制，但速度明顯變慢[96].除mTORC1外，AMPK還可以通過(guò)磷酸化并激活eEF2K從而抑制多肽鏈的延伸[97]，或通過(guò)磷酸化并抑制組蛋白H2B和雙加氧酶TET2在轉(zhuǎn)錄水平上抑制蛋白的表達(dá)[98-99].

3.2 AMPK調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝

除調(diào)節(jié)糖、脂質(zhì)等具體代謝途徑外，AMPK還能在細(xì)胞水平上整體性地調(diào)節(jié)代謝過(guò)程，包括促進(jìn)自噬作用、維持線(xiàn)粒體的質(zhì)量和數(shù)量以及調(diào)節(jié)細(xì)胞周期等過(guò)程.

自噬作用，特別是巨自噬作用，是細(xì)胞無(wú)差別降解生物大分子乃至包括線(xiàn)粒體、脂滴、核糖體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)等細(xì)胞結(jié)構(gòu)，維持能量產(chǎn)生和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)釋放與再利用的關(guān)鍵過(guò)程.AMPK的激活可通過(guò)以下至少4個(gè)方面的機(jī)制顯著促進(jìn)細(xì)胞的自噬作用：1)AMPK可以磷酸化啟動(dòng)自噬的關(guān)鍵蛋白ULK1的多個(gè)位點(diǎn)，激活ULK1，從而啟動(dòng)自噬[100-101]；2)ULK1也受到mTORC1的結(jié)合與抑制，而AMPK對(duì)mTORC1的抑制能夠解除mTORC1對(duì)ULK1的抑制作用，從而激活ULK1[101]；3)AMPK可以磷酸化自噬調(diào)節(jié)相關(guān)蛋白Beclin1和VPS34，也可與ULK1協(xié)同調(diào)節(jié)VPS34，從而促進(jìn)VPS34和Beclin1共同組成自噬啟動(dòng)復(fù)合體，加快自噬[101-102]；4)AMPK還能夠磷酸化并激活DAPK2，促進(jìn)DAPK2對(duì)Beclin1的磷酸化從而促進(jìn)自噬作用[103].

AMPK對(duì)線(xiàn)粒體的作用可歸納為“除舊迎新”，即通過(guò)清除細(xì)胞內(nèi)已損壞、呼吸效率低下(如由呼吸作用所產(chǎn)生的活性氧(ROS)而造成膜損壞，引起質(zhì)子泄漏和質(zhì)子梯度部分喪失等)的線(xiàn)粒體，促進(jìn)新的線(xiàn)粒體生成.在清除受損線(xiàn)粒體方面，AMPK可以通過(guò)加強(qiáng)自噬作用促進(jìn)受損線(xiàn)粒體的降解[100]；同時(shí)，AMPK能夠通過(guò)磷酸化MFF促進(jìn)線(xiàn)粒體的分裂，使得受損的線(xiàn)粒體更易分裂從而經(jīng)自噬作用被降解[104].而在促進(jìn)線(xiàn)粒體生成方面，AMPK能夠磷酸化并激活PGC-1α的轉(zhuǎn)錄活性，后者是介導(dǎo)線(xiàn)粒體生成所需核編碼基因的轉(zhuǎn)錄所必需的[105].AMPK也能夠通過(guò)上調(diào)輔酶Ⅰ(NAD+)的水平，促進(jìn)NAD+調(diào)節(jié)的去乙?；窼irtuins對(duì)PGC-1α的去乙?；?，進(jìn)一步上調(diào)PGC-1α的轉(zhuǎn)錄活性[106].此外，上述AMPK對(duì)合成代謝的抑制作用(如ACC調(diào)節(jié)的脂肪酸合成)在維持能量平衡的同時(shí)減少細(xì)胞內(nèi)的還原力消耗，從而維持胞內(nèi)ROS水平即氧化還原穩(wěn)態(tài)，以保護(hù)線(xiàn)粒體結(jié)構(gòu)和功能的完整性[107]；同時(shí)，AMPK也能夠通過(guò)FOXO、核因子E2相關(guān)因子2(NRF2)等轉(zhuǎn)錄因子，在轉(zhuǎn)錄水平上維持細(xì)胞中抗氧化蛋白的表達(dá)水平[108-109].特別地，AMPK還能夠通過(guò)上述加強(qiáng)糖、脂質(zhì)等分解代謝途徑的方式，瞬時(shí)性地提升線(xiàn)粒體的有氧呼吸強(qiáng)度(該作用被稱(chēng)為“mitohormesis”)，也能進(jìn)一步激活PGC-1α，促進(jìn)線(xiàn)粒體生成[110].AMPK的上述作用使得胞內(nèi)線(xiàn)粒體具有更高的呼吸效率，在產(chǎn)生等量ATP的同時(shí)，減少質(zhì)子的泄漏和ROS的產(chǎn)生.總體上看，AMPK的這一作用可促進(jìn)細(xì)胞代謝模式轉(zhuǎn)向有氧呼吸，這也是后文所述其抑制炎癥、癌癥、延長(zhǎng)壽命等功能的重要依據(jù)[111].

此外，AMPK能引起細(xì)胞周期的阻滯，暫停細(xì)胞分裂過(guò)程中眾多合成代謝過(guò)程所引起的能量消耗，例如：AMPK能夠磷酸化并激活p53，通過(guò)其下游周期細(xì)胞依賴(lài)性激酶(CDK)的抑制因子p21CIP1/WAF1阻滯細(xì)胞周期于G1期[112]；AMPK也能夠磷酸化另一CDK的抑制因子p27KIP1，介導(dǎo)G1期阻滯[113]；除G1期阻滯外，在成熟紅細(xì)胞中還發(fā)現(xiàn)AMPK能夠阻滯細(xì)胞周期于S期，并可誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，從而可能在維持紅細(xì)胞更新的過(guò)程中發(fā)揮重要作用[114].AMPK在調(diào)節(jié)細(xì)胞周期方面的作用也是后文所述的抑制癌癥相關(guān)功能的依據(jù).

3.3 AMPK與免疫反應(yīng)

近年來(lái)隨著代謝與免疫的聯(lián)系被不斷揭示，傳統(tǒng)上的免疫反應(yīng)被更廣泛地認(rèn)為是一種代謝所介導(dǎo)的過(guò)程[115]；而AMPK在這一過(guò)程中，特別是在調(diào)節(jié)炎癥相關(guān)免疫反應(yīng)中起到了關(guān)鍵作用，該作用可以看作AMPK調(diào)節(jié)一類(lèi)特化細(xì)胞的代謝所介導(dǎo)的功能[116].目前，已發(fā)現(xiàn)AMPK能通過(guò)調(diào)節(jié)巨噬細(xì)胞、胸腺依賴(lài)性淋巴細(xì)胞(T細(xì)胞)、中性粒細(xì)胞和樹(shù)突狀細(xì)胞等免疫細(xì)胞類(lèi)群，抑制炎癥反應(yīng)的發(fā)生和發(fā)展.

AMPK能夠引起巨噬細(xì)胞從M1促炎類(lèi)群轉(zhuǎn)變?yōu)镸2抗炎類(lèi)群[117].雖然具體分子機(jī)制尚不明確，但是已有研究發(fā)現(xiàn)，AMPK的這一功能可能和其改變了M1巨噬細(xì)胞的代謝模式而使之接近于M2巨噬細(xì)胞有關(guān)[116].在M1巨噬細(xì)胞被活化(即“經(jīng)典激活”，如經(jīng)歷脂多糖(LPS)或干擾素γ刺激)時(shí)，細(xì)胞的代謝模式轉(zhuǎn)向有氧糖酵解并加強(qiáng)戊糖磷酸途徑，而氧化磷酸化則被抑制且變得不完整[118-119]，這一作用可能是M1巨噬細(xì)胞中促炎因子的生物合成所必需的[115](類(lèi)似于后文所述的腫瘤細(xì)胞)，且其產(chǎn)生的高濃度ROS和NO(由不完整的電子傳遞鏈介導(dǎo)[120-121])則進(jìn)一步輔助其殺滅病原體[122-123].其中，M1巨噬細(xì)胞中PFKFB3的表達(dá)水平升高和Toll樣受體4(TLR4)所激活的mTORC1有關(guān)，后者進(jìn)一步引發(fā)缺氧誘導(dǎo)因子1α(HIF1α)的表達(dá)水平上升.HIF1α原本被發(fā)現(xiàn)是在缺氧的條件下穩(wěn)定表達(dá)，使乳酸脫氫酶 A和磷酸肌醇依賴(lài)性激酶1(PDK1)等基因表達(dá)上調(diào)，提升糖酵解產(chǎn)能以緩解缺氧所引起的有氧呼吸產(chǎn)能不足；而在這里它則通過(guò)同樣的方式促進(jìn)有氧糖酵解[118，124].同時(shí)，NO的產(chǎn)生則破壞了電子傳遞鏈[119].如3.1小節(jié)所述，盡管AMPK能激活PFKFB3，但其對(duì)mTORC1的抑制起主導(dǎo)作用，因此整體來(lái)說(shuō)AMPK抑制有氧糖酵解[125]，而上述AMPK通過(guò)NAD+、Sirtuins和PGC-1α促進(jìn)線(xiàn)粒體生成的作用也能夠維持氧化磷酸化.此外，Sirtuins還能夠去乙酰化并抑制核因子κB(NFκB)途徑中的p65，阻止促炎細(xì)胞因子的轉(zhuǎn)錄[126].而在M2巨噬細(xì)胞被活化(即“非經(jīng)典激活”，如受到白介素-4(IL-4)刺激)的過(guò)程中，氧化磷酸化水平則急劇升高[127].AMPK不僅可以促進(jìn)IL-4通過(guò)信號(hào)傳導(dǎo)及轉(zhuǎn)錄激活蛋白6(STAT6)介導(dǎo)的、由PGC-1α行使的線(xiàn)粒體生成，還能夠通過(guò)促進(jìn)脂肪酸β-氧化給M2巨噬細(xì)胞提供能量，從而促進(jìn)該細(xì)胞的活化[128-129].

AMPK也能調(diào)控T細(xì)胞的命運(yùn)決定.類(lèi)似于巨噬細(xì)胞，T細(xì)胞的分化也伴隨著代謝模式的改變.如CD8+T細(xì)胞被抗原呈遞細(xì)胞(APC)結(jié)合后開(kāi)始分裂，APC附近的CD8+T細(xì)胞進(jìn)行有氧糖酵解，分化成效應(yīng)T細(xì)胞；遠(yuǎn)端的則傾向于氧化磷酸化，分化為記憶T細(xì)胞[130-131].AMPK介導(dǎo)的mTORC1-HIF1α的抑制作用可抑制效應(yīng)T細(xì)胞的分化而促進(jìn)記憶T細(xì)胞的分化[132-133].類(lèi)似地，CD4+T細(xì)胞在分化成輔助性T細(xì)胞的過(guò)程中，也需要mTORC1-HIF1α所介導(dǎo)的有氧糖酵解加強(qiáng)，從而行使類(lèi)似于M1巨噬細(xì)胞的促炎作用；相反地CD4+T細(xì)胞分化成調(diào)節(jié)性T細(xì)胞則需要提升氧化磷酸化的水平[134-136]，而AMPK的存在可促進(jìn)調(diào)節(jié)性T細(xì)胞的形成[137].類(lèi)似于后文所述的長(zhǎng)壽相關(guān)代謝表型，T細(xì)胞分化中的這種代謝模式改變，可能與其在體內(nèi)存活時(shí)間的長(zhǎng)短以及對(duì)合成代謝的不同需求有重要聯(lián)系[138].

與M1巨噬細(xì)胞類(lèi)似，中性粒細(xì)胞也能在LPS等刺激下由TLR4介導(dǎo)促炎癥過(guò)程，而AMPK的激活則可以逆轉(zhuǎn)該過(guò)程[139]；同樣地，樹(shù)突狀細(xì)胞的活化和成熟也需要有氧糖酵解的加強(qiáng)，而AMPK則可以抑制這一過(guò)程[140].

綜上，AMPK通過(guò)對(duì)免疫細(xì)胞代謝模式的調(diào)節(jié)，影響了這些細(xì)胞的分化、成熟與功能.在大多數(shù)促炎癥反觸發(fā)的過(guò)程中，AMPK被顯著抑制(如LPS[141])，因此靶向AMPK的激活以抑制炎癥反應(yīng)的策略，將有助于機(jī)體抵抗和有序地清除病原體的侵染(最新進(jìn)展請(qǐng)參閱綜述文獻(xiàn)[142])，以及以慢性炎癥反應(yīng)為特征之一的糖尿病、肥胖和癌癥的治療(見(jiàn)后文詳述).

需要特別說(shuō)明的是，上述3個(gè)方面的AMPK對(duì)細(xì)胞的代謝調(diào)節(jié)作用是簡(jiǎn)單基于AMPK在生理上的激活后進(jìn)行的相關(guān)觀察，然而正如在2.2小節(jié)中所述，AMPK的激活在生理上隨著能量應(yīng)激強(qiáng)度的升高，從葡萄糖缺乏到AMP上升，呈現(xiàn)出累進(jìn)式、區(qū)域化的激活[143].且不同區(qū)域的AMPK激活能夠引起不同底物的磷酸化，并引起不同的代謝調(diào)節(jié)過(guò)程.如ACC2和MFF在葡萄糖缺乏的情況下不被磷酸化，而只能在AMP水平升高的情況下被線(xiàn)粒體上的AMPK磷酸化，這暗示著線(xiàn)粒體上AMPK底物所介導(dǎo)的代謝調(diào)節(jié)過(guò)程只能發(fā)生在嚴(yán)重的能量匱乏情況下[143].最近，該過(guò)程也被證明存在于動(dòng)物體內(nèi)[144].而前述DNA損傷所引起的CaMKKβ介導(dǎo)的AMPK激活則僅局限于細(xì)胞核內(nèi)，AMPK也不能夠在此時(shí)磷酸化ACC等胞質(zhì)中的蛋白，可見(jiàn)上述AMPK-p53所介導(dǎo)的細(xì)胞周期阻滯和AMPK對(duì)代謝途徑的調(diào)節(jié)也是相互平行的過(guò)程[42].因此，未來(lái)對(duì)AMPK在不同時(shí)空條件下的功能進(jìn)行更深入的研究，將有助于針對(duì)不同的情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的藥物，以更好地干預(yù)和治療各種代謝性疾病.

4 AMPK和代謝性疾病——短期效應(yīng)

上述AMPK在代謝調(diào)控中行使維持代謝穩(wěn)態(tài)的功能，對(duì)由代謝紊亂特別是合成代謝過(guò)度活化的疾病(如肥胖所引起的Ⅱ型糖尿病、脂肪肝)乃至癌癥的癥狀緩解與預(yù)防有重要意義，也因此成為代謝性疾病治療的靶標(biāo).相較于后文所述對(duì)壽命等相對(duì)長(zhǎng)期的作用，AMPK對(duì)代謝性疾病的作用可歸納為它的短期效應(yīng).

4.1 AMPK與肥胖相關(guān)代謝性疾病

由營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩引起的肥胖及其引發(fā)的Ⅱ型糖尿病、脂肪肝等并發(fā)癥，是當(dāng)今最具代表性且對(duì)人類(lèi)健康造成日趨嚴(yán)重威脅的代謝性疾病[145]，而AMPK對(duì)代謝調(diào)節(jié)的功能在肥胖(包括內(nèi)臟脂肪積累)到糖尿病(胰島素抵抗)發(fā)展過(guò)程中的多個(gè)紊亂代謝活動(dòng)起到“糾偏”作用.目前的觀點(diǎn)認(rèn)為，營(yíng)養(yǎng)過(guò)剩引起的脂肪累積首先導(dǎo)致脂肪細(xì)胞TAG增多和肥大，引起細(xì)胞氧氣通透變差且消耗增加，造成相對(duì)的缺氧狀態(tài)，進(jìn)而觸發(fā)HIF1α的上調(diào)，導(dǎo)致趨化因子分泌并吸引巨噬細(xì)胞、肥大細(xì)胞的聚集與活化，增加多種促炎細(xì)胞因子的分泌[146-147]，后者又激活脂肪細(xì)胞中的NFκB和c-Jun N端激酶(JNK)信號(hào)通路，導(dǎo)致胰島素受體(IR)及其底物(IRS)的絲氨酸磷酸化，引發(fā)其失活和胰島素通路的抑制[148-149]，該作用進(jìn)一步通過(guò)血液擴(kuò)展到肝臟、肌肉等外周組織，從而引起外周胰島素抵抗[150-152].除脂肪細(xì)胞肥大外，脂肪合成的增加也改變了內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的脂成分，引起內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激，后者進(jìn)一步提升局部炎癥反應(yīng)[153-155].同時(shí)，脂肪細(xì)胞中TAG合成的增強(qiáng)導(dǎo)致中間產(chǎn)物DAG水平的升高，后者引起細(xì)胞內(nèi)磷酸激酶Cε(PKCε)的激活，加強(qiáng)IR的蘇氨酸磷酸化而導(dǎo)致胰島素通路的抑制(實(shí)際上該作用也發(fā)生于肝臟(即脂肪肝)和肌肉中，且在肌肉中還有PKCθ參與行使類(lèi)似的作用)[156-157]；TAG合成的增強(qiáng)也導(dǎo)致血液中游離脂肪酸、甘油等中間產(chǎn)物的升高(即高血脂癥)，后者作為底物，被運(yùn)進(jìn)外周組織，進(jìn)一步加劇外周組織的TAG合成及高血脂癥.此外，肝臟中的TAG合成增強(qiáng)還能夠通過(guò)高水平的乙酰輔酶A等中間產(chǎn)物，變構(gòu)激活多個(gè)糖異生途徑的限速酶[158-159]，后者與胰島素抵抗(及其導(dǎo)致的肝糖原分解加強(qiáng))一起引起高血糖[160].血糖水平的升高又進(jìn)一步激活SREBP、ChREBP等轉(zhuǎn)錄因子，加強(qiáng)DNL和TAG堆積[161-162]，也可以導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)ROS的增多，進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)質(zhì)網(wǎng)應(yīng)激和炎癥反應(yīng)[163-164].由此可見(jiàn)，上述AMPK對(duì)DNL、DAG等脂質(zhì)合成的抑制以及對(duì)β-氧化的加強(qiáng)作用，能夠從根本上緩解包括脂肪、肝臟和肌肉在內(nèi)的外周組織器官的脂質(zhì)積累[165-167]；其對(duì)糖異生的抑制作用、對(duì)血液葡萄糖的攝取以及對(duì)糖酵解的促進(jìn)作用，則可以有效降低血糖水平[73-74]；而其對(duì)炎癥的抑制作用和對(duì)細(xì)胞內(nèi)氧化還原穩(wěn)態(tài)的維持，則能夠緩解由此產(chǎn)生的胰島素抵抗[128].上述關(guān)于AMPK在肥胖相關(guān)代謝性疾病中的作用總結(jié)于圖4.

圖4 AMPK在肥胖相關(guān)代謝性疾病中的作用

在動(dòng)物模型和病人中血糖和游離脂肪酸水平的上升以及炎癥反應(yīng)的加強(qiáng)，能夠普遍抑制AMPK活性[168-170]，因此通過(guò)藥物重新激活A(yù)MPK可起到顯著作用.事實(shí)上，以二甲雙胍為代表的AMPK激活劑已經(jīng)在降低血糖和脂肪肝方面獲得了很好的臨床療效，但其難以進(jìn)入肌肉、脂肪等組織中發(fā)揮激活A(yù)MPK的作用[171].因此，合成新的AMPK激活劑日益受到重視，能夠結(jié)合并激活A(yù)MPK的直接激活劑的研發(fā)成為重要方向，如MK-8722[37]、PF-379[167]、A769662[172]、AICAR[173](但需較高劑量[174])、水楊酸/阿司匹林[175]、C2/C13[176]、PT-1[177]和991[178-179]都被證明在緩解肥胖、糖尿病或脂肪肝中發(fā)揮作用.此外，TZD[180]、黃連素[181]、白藜蘆醇[182]、人參皂苷[183]、硫辛酸[184]等AMPK的間接激活劑也被證明有類(lèi)似功效.如前所述，這兩類(lèi)化合物亟需解決的問(wèn)題是過(guò)強(qiáng)、過(guò)廣(無(wú)時(shí)空特異性)的AMPK激活所引起的副作用.特別地，AMPK已被證明對(duì)脂肪肝進(jìn)一步演變成非酒精性脂肪性肝炎(NASH，是肝纖維化、肝硬化和肝細(xì)胞癌發(fā)生的前提[185])有明顯抑制作用[186].鑒于目前尚無(wú)治療NASH的藥物上市，且前述對(duì)脂肪肝有效果的藥物研究也僅局限于動(dòng)物模型，對(duì)相關(guān)AMPK激活劑有待進(jìn)一步探索和改良，使之發(fā)揮治療脂肪肝的作用[187].可喜的是，最近有多個(gè)來(lái)源于天然產(chǎn)物的AMPK激動(dòng)劑，如雷公藤甲素(triptolide)、β-廣藿香烯(β-patchoulene)和甜菜堿(betaine)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的緩解脂肪肝的功能[188-190]；而γ-亞麻酸(γ-linolenic acid)能夠通過(guò)AMPK調(diào)節(jié)自噬，抑制脂肪肝引起的肝細(xì)胞死亡，后者被認(rèn)為是脂肪肝發(fā)展成為NASH的重要因素[191-193].這些新發(fā)現(xiàn)的藥物為脂肪肝和NASH的治療帶來(lái)了曙光.

4.2 AMPK與癌癥

近年來(lái)，隨著對(duì)癌癥病因研究的深入，癌癥作為一種代謝紊亂相關(guān)(原因和/或結(jié)果)疾病的觀點(diǎn)被逐漸接受[194].鑒于AMPK在抑制合成代謝、阻滯細(xì)胞周期等方面的功能，它也成為多種癌癥治療的潛在靶點(diǎn).遺傳學(xué)方面的證據(jù)顯示，AMPK的上游激酶LKB1和CaMKKβ都被證明是重要的抑癌基因[195-197]，盡管LKB1也能通過(guò)ARK抑制癌癥[198].敲除AMPKα1(淋巴細(xì)胞中只表達(dá)AMPKα1)則會(huì)在Eu-myc B淋巴細(xì)胞癌模型中加速癌癥的發(fā)展[199]，類(lèi)似的效果也在p53缺失的T淋巴細(xì)胞癌模型(敲除AMPKβ1)[200]、人第10號(hào)染色體缺失的磷酸酶及張力蛋白同源蛋白(PTEN)缺失的急性T淋巴細(xì)胞白血病(T-ALL)模型(敲除AMPKα1)和前列腺癌模型(敲除AMPKβ1)中被觀察到[197，201]，而MAGE-A3/A6、UBE2O等泛素連接酶介導(dǎo)的AMPKα降解，則在多種模型中促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[202-203].除在腫瘤模型水平發(fā)揮作用外，AMPK在緩解上述肥胖相關(guān)代謝疾病的的同時(shí)，也降低了由這些疾病引起的患癌風(fēng)險(xiǎn)[204]，且上述AMPK的多種激活劑已被嘗試用于癌癥治療，如：水楊酸和二甲雙胍聯(lián)用被證明對(duì)前列腺癌和肺癌有抑制作用[205]，苯乙雙胍能夠抑制非小細(xì)胞肺癌和T-ALL的發(fā)展[201，206]，而二甲雙胍還可通過(guò)AMPK磷酸化程序性死亡配體1(PD-L1)促進(jìn)其降解，從而加強(qiáng)對(duì)乳腺癌和結(jié)腸癌的治療效果[207].針對(duì)脂質(zhì)合成代謝對(duì)腫瘤細(xì)胞生長(zhǎng)的關(guān)鍵作用[208-209]，最近有研究顯示以ACC為靶點(diǎn)設(shè)計(jì)的抑制劑ND-654對(duì)于肝細(xì)胞癌的發(fā)展有很好的抑制作用[210].此外，AMPK還被報(bào)道能夠磷酸化并抑制諸多原癌基因以抑制腫瘤，如：BRAF，經(jīng)有絲分裂原活化的細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶-細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(MEK-ERK)途徑[211]；YAP，經(jīng)Hippo途徑[212]；GLI1，經(jīng)Hedgehog途徑[213].

然而需要注意的是，由于腫瘤微環(huán)境的多樣性，在許多情況下合成代謝和細(xì)胞周期的阻滯反而利于癌細(xì)胞的存活和癌癥的發(fā)展.當(dāng)細(xì)胞癌變剛完成但處于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)匱乏的環(huán)境時(shí)，AMPK反而有利于腫瘤細(xì)胞的存活和癌癥的發(fā)展，如：3.2小節(jié)所述AMPK對(duì)于細(xì)胞還原力的維持，有助于腫瘤細(xì)胞渡過(guò)葡萄糖缺乏的狀態(tài)[107，214]；AMPK還可通過(guò)磷酸化S期激酶相關(guān)蛋白2(Skp2)并激活蛋白激酶B(AKT)，抵御凋亡并促進(jìn)乳腺癌細(xì)胞抵御包括化療藥物作用在內(nèi)的多種環(huán)境壓力[215]，而AMPK對(duì)丙酮酸脫氫酶E1亞基(PDHA)的磷酸化和激活，在促進(jìn)有氧呼吸的同時(shí)提升前列腺癌細(xì)胞的ATP產(chǎn)率，從而有利于其在遷移過(guò)程(處于多種營(yíng)養(yǎng)缺乏環(huán)境，詳見(jiàn)綜述文獻(xiàn)[216])中的存活[217].在小鼠模型上，與胚系敲除AMPK不同，當(dāng)T-ALL、急性髓性白血病模型中淋巴癌在骨髓處剛發(fā)生時(shí)便敲除AMPK(此時(shí)癌細(xì)胞處于葡萄糖水平遠(yuǎn)低于血液的環(huán)境中)，則會(huì)促進(jìn)癌癥的發(fā)展[218-219].因此，未來(lái)在逐步闡釋癌癥發(fā)展的不同階段所經(jīng)歷的代謝重編程乃至微環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)物水平變化基礎(chǔ)上，輔助以時(shí)空特異性激活A(yù)MPK的用藥策略，將為癌癥的防治帶來(lái)極大幫助.

5 AMPK和長(zhǎng)壽——長(zhǎng)期效應(yīng)

與對(duì)脂肪肝、糖尿病和癌癥等代謝性疾病的短期作用相比，AMPK的長(zhǎng)期效應(yīng)主要體現(xiàn)在它延緩衰老、延長(zhǎng)壽命方面的貢獻(xiàn).

上述AMPK對(duì)代謝性疾病的預(yù)防作用本身就能夠促進(jìn)健康與長(zhǎng)壽.例如，服用二甲雙胍的糖尿病患者由糖尿病并發(fā)癥(包括癌癥)引起的死亡風(fēng)險(xiǎn)明顯降低[220-221]，二甲雙胍很可能通過(guò)緩解糖尿病的病癥發(fā)揮作用[222].AMPK在延長(zhǎng)壽命方面的直接作用是通過(guò)線(xiàn)蟲(chóng)(Caenorhabditiselegans)、果蠅(Drosophilamelanogaster)等模式生物的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)的，在線(xiàn)蟲(chóng)中表達(dá)有活性的AMPK，能夠顯著延長(zhǎng)其壽命[223-224]；在果蠅中，AMPK和LKB1的表達(dá)都可以延長(zhǎng)其壽命[225-226].此外，多種已知可促進(jìn)健康長(zhǎng)壽的生活方式也能夠通過(guò)AMPK發(fā)揮作用.例如，目前唯一在所有已驗(yàn)證過(guò)的動(dòng)物(包括非人靈長(zhǎng)類(lèi)和人類(lèi)[227-228])中都能延長(zhǎng)壽命、提高生活質(zhì)量的生活方式——卡路里限制(CR)，被發(fā)現(xiàn)能激活A(yù)MPK[229-230]，且在線(xiàn)蟲(chóng)和果蠅中已證明缺失AMPK可影響CR介導(dǎo)的延長(zhǎng)壽命的效果[224-225].上述AMPK激活劑如二甲雙胍和白藜蘆醇，在延長(zhǎng)壽命、延緩衰老方面的功能也已得到廣泛研究：兩者都能夠顯著延長(zhǎng)線(xiàn)蟲(chóng)[231-232]、果蠅[232-233]和小鼠[182，234]的壽命，且在線(xiàn)蟲(chóng)和小鼠中均呈現(xiàn)AMPK依賴(lài)性[231，235-237].二甲雙胍和白藜蘆醇的上述作用模擬了CR的效果，因而被稱(chēng)為CR模擬物(CRM)，目前，AMPK是設(shè)計(jì)CRM的核心靶點(diǎn)之一[238].鑒于二甲雙胍廣泛的臨床應(yīng)用(白藜蘆醇的成藥性仍需進(jìn)一步改善[239])和已被反復(fù)證實(shí)的安全性，加之其對(duì)非糖尿病人群的患癌率有明顯抑制作用[240]，它在健康人群中抗衰老作用的臨床研究已經(jīng)開(kāi)始[241].

從機(jī)制上看，AMPK的多個(gè)下游底物都和壽命有關(guān).目前發(fā)現(xiàn)和壽命相關(guān)的主要信號(hào)通路有3類(lèi)：Sirtuins的活化、mTORC1的抑制以及胰島素和胰島素類(lèi)生長(zhǎng)因子途徑的抑制[242-244].上述AMPK對(duì)Sirtuins的調(diào)節(jié)[245]、對(duì)TSC和Raptor等分子的磷酸化[246]以及對(duì)CRTCs和FOXO的抑制[224，247]，則分別介導(dǎo)了這3個(gè)過(guò)程.在細(xì)胞層面，上述AMPK在維持線(xiàn)粒體的數(shù)量與質(zhì)量[248-249]、mitohormesis[250]、自噬作用[251-252]、蛋白合成[253]等方面的功能也被證明與壽命密切相關(guān).類(lèi)似于肥胖和糖尿病，研究表明衰老也是一種機(jī)體的慢性炎癥反應(yīng)，被稱(chēng)為“inflammaging”[254]，而AMPK對(duì)免疫細(xì)胞炎癥化的抑制則能延緩衰老的過(guò)程[255].細(xì)胞的衰老，特別是免疫細(xì)胞和干細(xì)胞的衰老，被認(rèn)為和壽命有極大關(guān)聯(lián)[256-257].盡管有研究表明細(xì)胞衰老可能有抑制癌癥發(fā)生的功效[258]，但衰老細(xì)胞裂解對(duì)于延長(zhǎng)壽命、延緩衰老有重要作用[259-260].AMPK對(duì)于細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)作用已被證明能夠抑制衰老[261-262].而目前引發(fā)衰老細(xì)胞裂解最有效的化合物Fisetin[263]也被證明能激活A(yù)MPK[264].此外，生物體的節(jié)律維持對(duì)于衰老和壽命有重要影響[265]，而AMPK已被證明在該過(guò)程中起關(guān)鍵作用[266].最后，需要特別注意的是，盡管AMPK與健康長(zhǎng)壽之間有天然而密切的聯(lián)系，但兩者之間的因果關(guān)系，特別是AMPK在引起長(zhǎng)壽的不同策略下的具體分子機(jī)制及其與長(zhǎng)壽的直接聯(lián)系，尚未完全闡明.例如：和直接表達(dá)有活性的AMPK不同，二甲雙胍對(duì)線(xiàn)蟲(chóng)壽命的延長(zhǎng)不依賴(lài)于FOXO，而依賴(lài)于NRF所介導(dǎo)的類(lèi)似于mitohormesis提高有氧呼吸效率的機(jī)制[224，231]；同樣是二甲雙胍，作用于線(xiàn)蟲(chóng)的老年期，則反而會(huì)破壞線(xiàn)粒體功能并引起壽命的縮短[267].這暗示AMPK對(duì)長(zhǎng)壽的調(diào)節(jié)處于復(fù)雜的時(shí)空網(wǎng)絡(luò)下，在“正確的時(shí)間”和“正確的地點(diǎn)”做“正確的事”，而進(jìn)一步詳細(xì)闡明其中的機(jī)制將為延長(zhǎng)壽命、維持健康提供更多思路.

6 總結(jié)與展望

AMPK作為一種調(diào)控細(xì)胞能量代謝的重要分子，通過(guò)對(duì)能量、葡萄糖等的感知維持代謝穩(wěn)態(tài)，并在多種代謝綜合征乃至衰老中行使重要的功能，為人類(lèi)最終戰(zhàn)勝代謝性疾病帶來(lái)了信心，也因此成為重要的藥物靶點(diǎn).然而如本文所述，由于AMPK激活和功能的時(shí)空網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性，靶向AMPK治療代謝性疾病的策略尚存在一定困難.今后，圍繞著AMPK調(diào)節(jié)和功能上的“時(shí)空性”開(kāi)展日益深入的研究，將多維度展示這一代謝性疾病治療的靶標(biāo)作用機(jī)制和功能，為最終通過(guò)操控AMPK以促進(jìn)人類(lèi)的健康長(zhǎng)壽做出貢獻(xiàn).

致謝：感謝導(dǎo)師林圣彩院士和為AMPK溶酶體途徑的發(fā)現(xiàn)做出貢獻(xiàn)的所有前輩和后輩，還要感謝廈門(mén)大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院的培養(yǎng)，并感謝廈門(mén)大學(xué)《生物學(xué)實(shí)踐》課程和參與此課程的“追糖溯源”實(shí)踐隊(duì)全體成員為本文最終成形做出的貢獻(xiàn).