AMP激活的蛋白激酶研究新进展

摘要：AMP激活的蛋白激酶(AMPactivated protein kinase, AMPK）是机体能量代谢的开关，近年对AMPK的研究发展很快。在其β亚单位发现GBD（glycogenbinding domain ）区域，在γ亚单位发现CBS cystathioninen ?synthase)区域，并对它们的功能进行了研究。AMPK的活力在体内通过3条不同的途径受到AMP的调节。在哺乳动物体内发现AMPK受到其上游激酶LKB1的调节，而AMPK对机体的调节不仅仅体现在能量代谢，还包括基因表达、蛋白质翻译和细胞生长等方面。

关键词：AMPK;GBD;LKB1;基因表达

中图分类号：G804.7文献标识码：B文章编号：1007-3612(2008)06-0805-03

ATP是每一个生物细胞保持生命活力的基本能源。机体通过ATP分解为ADP提供能量供给机体合成代谢和维持生命活动,同时机体通过分解代谢利用ADP再合成ATP为机体补充能量。

AMPK的研究相当快，而且国内外也有不少的综述。本文着重对其新的研究成果，特别是在其结构和上下游信号通路方面的新的发现进行综述。

1AMPK复合体的结构研究的新进展

AMPK,是一个异源三聚体蛋白,由α、β和γ3个亚单位组成。在目前已知基因序列的真核生物中均含有这3个亚单位。这3个亚基分别由2～3个独立的基因控制(α1,α2;β1,β2;γ1,γ2,γ3)，不同的亚基自由排列组合可以形成不同的AMPK复合体。研究发现，在没有线粒体、核仁和过氧化物酶体的原始真核生物中即有该酶的存在,说明含有AMPK是所有真核生物的普遍特征［1］。

α亚单位是AMPK的主要催化部位,负责将ATP的磷酸传递至目标蛋白,其含有2个功能区:其N端含有蛋白激酶为催化区域,是催化核心部位,Ｃ末端主要负责活性调节及与β和γ亚基结合 ［2］。

不同物种来源的AMPK的β亚基都有2个相同的保守区域，早期分别命名被为KIS和ASC区域［3］。近来的研究表明，哺乳动物的ASC区域参与同α和γ亚基的接合，KIS区域可能是一个糖原接合区（glycogen-binding domain,GBD）,主要参与糖原的接合［4，5］。根据蛋白质资料库的分析，GBD是淀粉分支酶家族的一员。这种酶的作用主要在糖原和淀粉的合成中完成α14糖苷键向α16糖苷键的转变。

虽然已有一些实验表明AMPK确实和糖原接合在一起，但是GBD的确切功能并不很清楚。研究发现［6］，GBD形成一个供AMPK和糖原接合的区域，而这一区域也正是AMPK的下游信号糖原合成酶（GS）的接合区。已经有一些间接的证据表明，在人体［7］和大鼠［8］骨骼肌中，高浓度的糖原可以抑制AMPK的活力。我们可以做一个有意义的假设，正如AMPK可以感受机体瞬间的能量状况（即AMP）变化一样，AMPK也可以感受机体较长时间的能量储存状况（即糖原）的变化。不管GBD的确切功能如何，我们可以肯定这种功能是非常的重要而且久远，因为在所有的真核细胞的β亚基里都有GBD的存在。

AMPK的γ亚基含有4个串行重复的区域，并被Bateman命名为CBS(cystathioninenβ-synthase的缩写)区域［9］。CBS在其C端含有2个这样的重复区域，每个约含60个氨基酸残基，它们借疏水作用力接合在一起。现在已经清楚，γ亚基的这一功能区包含2个这样的二聚体。Kemp建议使用“Bateman区”这一名称指代γ亚基的这一功能区域［10］。最近的研究发现，γ亚基的Bateman区是AMPK复合体接合ATP或AMP的部位［11］。γ亚基C端和N端的Bateman区可以以“互斥”的方式各接合一分子的ATP或AMP；但是当他们都接合ATP或AMP分子的时候则表现出强烈的相互协同效应。

2AMPK复合体活力的调节

AMP可以通过以下3条不同的途径激活AMPK，这3条途径都可以被ATP所抑制。

第一，AMP直接作用于AMPK,变构激活AMPK。大量的这种变构调节大约可以提高AMPK不到5倍的活力。令人迷惑的是：酵母和植物细胞的AMPK复合体的γ亚基都含有同哺乳动物相似的Bateman区，却没有发现这种变构调节作用，但是，在果蝇却可以发现这种调节方式［12］，说明这种调节至少保存在人和昆虫之间。

第二，AMP和AMPK结合使之成为其上游激酶的良好底物。其上游激酶（如LKB1，下文详解）通过磷酸化AMPK的α亚基的172位苏氨酸残基特异性的激活AMPK［13］，并进而激活其它的蛋白激酶。这种磷酸化至少引起AMPK活性50到100倍的变化。这种磷酸化作用只在完整的?复合体内可以实现,而不能在含有蛋白激酶但是缺少AMP接合部位的AMPK复合体内体现［14］。这表明，这种调节机制是由于AMP的接合，而不是其上游激酶的作用。这一关键的苏氨酸残基及其邻近的氨基酸序列在所有的真核细胞的AMPK的α亚基是保守的。研究发现［15］，酵母的相对应的苏氨酸残基发生变异的时候则引起全部功能的缺失，可以肯定在所有的真核细胞生物中这种调节作用是保守的。

第三，AMP和AMPK结合抑制α亚基的172位苏氨酸残基被蛋白激酶去磷酸化［16］。这种调节作用在较高等的植物中即已存在［17］。

细胞内AMP通过3种不同的途径调节AMPK的活力是一种超敏感的方法，在AMP浓度发生极微弱的变化的时候就可以引起AMPK活力的很大的变化［18］。其原理是通过单一分子的变化引起多步变化的瀑布式传感方式，这种能将输入的信息不断放大的敏锐的感受方式对于AMPK保持细胞的能量状况在一个非常狭窄的范围内变化有着重要的意义。

3机体对AMPK活性调节的上游信号研究进展

多年的研究表明，在AMPK的激活中有一个上游蛋白激酶（AMPK kinases，AMPKKs）在起作用［19，20］。1996年，Hawley［21］使AMPKKs在大鼠的肝脏细胞中得到了部分纯化。近来的研究表明［22，23］，以前命名的AMPKKs可能是在植物内发现的Snf1 (sucrose nonfermenting factor)激酶Elmp1p, Tos3p或Pak1的类似物。在人体内，最接近这些蛋白激酶的氨基酸序列就是蛋白激酶LKB1。

LKB1是一种肿瘤抑制因子，首先在PJS P (eutz-Jeghers syndrome)的病人中发现。在哺乳动物体内LKB1能够磷酸化AMPK，有研究证实LKB1正是磷酸化AMPK的关键上游激酶AMPKKs ［24，25］。LKB1和其它2个亚单位（STRAD和MO25）形成一个复合体，每个亚单位都是保持其生理活性所必不可少的部分［14］。已经证实，LKB1不仅调节AMPK的活力，也作用于相关的AMPK家族成员［26，27］。

在哺乳动物体内，同样类似Snf1激酶的还有CaMK1K (calmodulin kinase 1 kinase)。但是，CaMK1K对CaMK磷酸化的活性比磷酸化AMPK的活力要强，因此认为它在激活AMPK活性方面处于次要地位［28］。

4AMPK调节机体能量代谢的下游信号

AMPK的激活下调生物合成途径(比如脂肪酸和胆固醇的合成),而打开生物异化途径(比如脂肪酸的氧化、葡萄糖摄取、糖酵解等)以生成更多的ATP。AMPK的这种作用不仅是通过磷酸化相关的代谢酶实现，也可以作用于一些相关基因的表达。比如上调骨骼肌的GLUT4 （glucose transporter4 ）和线粒体内的基因表达和下调脂肪酸合成酶和糖原合成酶的基因表达。虽然AMPK调节特定基因表达的详细机制并不很清楚，但是已有不少研究显示其对于一些转录因子和协同的激活子有重要影响。比如，AMPK的激活抑制转录因子SREBP-1c［29］和 HNF4［30］，从而减少肝脏中与脂肪生成、葡萄糖摄取和糖原生成相关的基因表达。在骨骼肌，AMPK作用于转录因子MEF2增加DNA的接合，从而调节GLUT4的表达［31］。

AMPK调节蛋白质表达的另一条途径是影响mRNA的稳定性。HuR是一种RNA接合蛋白，可以通过接合在mRNA的3－末端可以增加特定mRNA的稳定性［32］，其目的mRNA包括细胞循环因子A、B1和p21。AMPK激活后通过目前尚不明确的途径减少细胞质内HuR的浓度，从而影响RNA的稳定性。研究显示，在衰老的纤维原细胞内因为AMP:ATP比率上升引起AMPK的激活可以解释许多衰老的表象特征［33，34］。

AMPK还可以通过对蛋白质翻译过程条几抑制蛋白质合成。这种抑制作用至少通过以下2条途径实现：1） 磷酸化并激活延长因子2激酶［35］；2） 抑制刺激蛋白质合成，细胞生长的TOR(the target of rapamycin)途径［36］。TOR途径在体内主要通过以下2条途径提高翻译水平，促进细胞生长：1） 激活核醣体的蛋白激酶S6(S6K1)；2） 促进延长因子4E接合蛋白1 (4E-BP1，elongation factor-4E binding protein 1)的磷酸化，从而促进蛋白翻译的起始步骤［36］。

研究显示AMPK对 TOR信号途径的抑制可能是通过磷酸化TSC2而实现的［37］。TSC1和TSC2在细胞内通常形成一个稳定的复合体。TSC1-TSC2复合体抑制细胞生长，而且激活TOR途径的上游信号而抑制TOR信号途径。AMPK通过磷酸化TSC2的2个位点，增强其对TOR途径的抑制，从而抑制细胞的生长。

5AMPK和代谢调节的研究

AMPK和机体代谢方面的研究和综述有很多，大家可以参见其他早期的综述，近年取得以下重要进展：

近来的研究显示［38］，AMPK通过调整血糖水平、脂肪酸氧化和糖原代谢在机体整体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的时间依赖性的变化，从而实现对人饮食的调节［39］。从而提示，通过对AMPK活力的控制，可能达到治疗肥胖、2型糖尿病等代谢紊乱综合症的目的。

运动中ATP的大量消耗一方面激活AMPK，提高其活力；另一方面通过GLUT4（glucose transport 4）的转位增加骨骼肌对葡萄糖的摄取。近来围绕AMPK的激活是否GLUT4转位的必要条件进行了大量的研究，但是取得的结果却并不一致［40，41］。因此，将来必然还要围绕AMPK对GLUT的影响进行大量研究。

6结论

AMPK做为机体的能量代谢开关,主要受到机体AMP:ATP比率的变化调节，是机体内敏感的能量调节机制之一。随着AMPK的γ亚基的结构的研究进展，AMP接合到AMPK的具体机制显得更为清晰。

LKB1是通过最近的研究得以确定的AMPK的上游信号，同时也是一种肿瘤抑制因子。提示AMPK可能与细胞极性，细胞生长及其分化有一定关系。

近年才注意到AMPK对细胞内蛋白表达的调节，但是其发展十分迅速。已经发现，AMPK可以调节机体的基因表达、影响mRNA的稳定性、抑制蛋白质表达。AMPK对TSC2和TOR信号途径的抑制提示，细胞内LKB1AMPKTSC途径可能通过一些不太明确的方式控制细胞的分化和生长。

AMPK的研究正在引向更深的领域，不可能再仅仅是细胞能量开关。其在调节细胞的蛋白代谢方面的作用、对机体整体能量代谢和对细胞生长分化的研究成果提示，AMPK是机体许多生命过程的参与者。

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