AMPK分子綜述及研究前景講解學(xué)習(xí)

AMPK分子綜述及研究

前景AMPK概述及研究前景摘要：AMPK是一種能夠感受能量分子變化的激酶，被稱為生物體內(nèi)能量調(diào)控的開關(guān)；本文從結(jié)構(gòu)，功能，調(diào)控手段三個方面簡要介紹了AMPK并對最近關(guān)于AMP與壽命的研究做了一定的總結(jié)，最后對可能的研究方向提出了自己的想法。關(guān)鍵詞：AMPK糖代謝；脂代謝；AMPK上游激酶；新陳代謝； 壽命；1概述AMPK全稱為AMPactivatedproteinkinase即AMP依賴的蛋白激酶，是一個能夠感受AMP變化的能量激酶，是生物能量代謝調(diào)節(jié)中的關(guān)鍵分子。AMP是生物體內(nèi)的能量分子，是ATP的前體物質(zhì)，它通過兩步反應(yīng)生成：ATP DP+Pi2ADP—P+ATP研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)人體消耗ATP使其濃度下降10%時(shí)，AMP濃度的相對增長量比ADP濃度的相對增長量大的多，如下表所示：Adenine□udeotidrConcentrationbefore

ATPdepletion

(him)Concentrationafter

ATPdepletion

(nui)Adenine□udeotidrConcentrationbefore

ATPdepletion

(him)Concentrationafter

ATPdepletion

(nui)RelativechangeATPADPAMP5.0ATPADPAMP5.01.00.14百J.t)0.610%0好00%表1：ATPAMP,ADP濃度相對變化圖[1]因此，在許多代謝的調(diào)控過程中， AMP的變化都是一個重要的參量， AMPK就是這樣一個能夠感受到這一信號的分子，它能夠感受到 AMP的濃度變化，當(dāng)AMP濃度上升到一定程度后，AMPK被激活，從而抑制合成代謝，促進(jìn)分解代謝。tPdfidlmtakrIrZLl,?ci<llaptHkr,oxiii^uonGIuCOn*yplakrMjU：心ti曲drvaGbtoi^DeaiaFanerTiticflC?ll圖一：tPdfidlmtakrIrZLl,?ci<llaptHkr,oxiii^uonGIuCOn*yplakrMjU：心ti曲drvaGbtoi^DeaiaFanerTiticflC?ll圖一：AMPK在糖代謝和脂代謝中的作用［2］如圖所示，AMPK被［AMP］的上升或者［ATP］的下降激活，被交感神經(jīng)激活，或者被脂肪組織釋放的瘦素，胰島素等激活，被激活之后， AMPK通過磷酸化目標(biāo)蛋白，使多個組織中的新陳代謝朝向產(chǎn)生能量的方向，削弱糖原，脂肪酸，膽固醇的合成，促進(jìn)肝臟內(nèi)的糖酵解，促進(jìn)脂肪酸的氧化，向下丘腦傳遞信號促進(jìn)攝食。達(dá)到調(diào)控新陳代謝的目的。因此 AMPK也被稱作新陳代謝的開關(guān)。1AMP的結(jié)構(gòu)AMPK是一個異源三聚體，由三個不同的亞基構(gòu)成，分別為催化亞基a,調(diào)節(jié)亞基B和圖二結(jié)構(gòu)抽象圖⑶如圖二所示，a亞基為催化亞基，由550個氨基酸構(gòu)成，在N末端含有一個絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶的催化域，該催化域內(nèi)172位上含有一個蘇氨酸殘基可被磷酸化。在C末端，有一段大約含有150氨基酸的部位用于與丫亞基和B亞基連接。［3］B亞基形成佔(zhàn)heet結(jié)構(gòu)［4］，起到穩(wěn)定a亞基和B亞基之間連接的作用［3］.丫亞基有331個氨基酸結(jié)合位點(diǎn)，如圖三所示，4構(gòu)成，含有AMP或者ATP的個結(jié)合位點(diǎn)，被稱作CBS圖三丫亞某結(jié)構(gòu)圖⑷DOMAIN,CBS區(qū)域可以與含有腺苷集團(tuán)的分子結(jié)合，如ATP或者AMP⑸，從圖三中我們可以看到，丫亞基主要由ahelix組成，在1.2.3位點(diǎn)旁邊都有一個ASP殘基，與核苷酸核糖上的羥基相互作用，腺嘌呤夾在Bloop中間，由一系列疏水作用力連接，因此CBS與AMP或者ATP的結(jié)合是十分緊密的。[4]四個AMP/ATP結(jié)合位點(diǎn)都有磷酸基團(tuán)指向丫亞基的中心區(qū)域，在伽馬亞基的中心區(qū)域含有很多帶電的氨基酸如His，Arg。根據(jù)與結(jié)合位點(diǎn)相連的分子不同（AMP，使之激活，ATP使之被抑制），這些帶電的氨基酸會重新排列，引起伽馬亞基的構(gòu)象變化。 [4]AMPK的結(jié)構(gòu)并沒有被完全了解清楚，圖四是他的大致結(jié)構(gòu)圖。紅色的是丫亞基，藍(lán)色的是a亞基，綠色的是B亞基。從圖四中我們可以看到，a亞基與丫亞基之間的結(jié)合是十分緊密，這與他們的功能密切相關(guān)。AMPK的作用機(jī)理就是：當(dāng)兩個AMP與丫亞基結(jié)合后，導(dǎo)致丫亞基發(fā)生構(gòu)象變化，使位于a亞基上的催化位點(diǎn)（蘇氨酸）暴露出來，磷酸化蘇氨酸,AMPK被激活。[4]然而丫亞基的構(gòu)象變化是如何傳遞到a亞基上的呢？目前還沒有研究清楚。目前科學(xué)家確定的是a亞基的一端延伸到丫亞基之上，形成一個“helix-loop-helix”結(jié)構(gòu)，被稱作regulatorysequences（RS。如圖四藍(lán)色區(qū)域標(biāo)記RS的位置所示。但是科學(xué)家們并不確定這樣的結(jié)構(gòu)能否在哺乳動物體內(nèi)的AMPK中被找到[4]在2011年nature上發(fā)表的一篇文獻(xiàn)中，具體講解了這一機(jī)制

KirusadorriEkinmiA279&48u-HookPyThr17?AcItvaEionloop?■Moo*眄?■Moo*眄u-HqgIc囹六；哺乳動物AMPK結(jié)掏囹歷1團(tuán)五：AMPK各部分組成佰］如圖五所示，在AMPK的a亞基上，除了含有催化位點(diǎn)的activationloop（在圖六中用紫色標(biāo)出）還有一個非常重要的aHOOK（圖六中為深藍(lán)色），aHOOK與丫亞基上的第三個AMP/ATP的結(jié)合位點(diǎn)相互作用，丫亞基上Arg69的構(gòu)象變化會與aHOOK之間產(chǎn)生空間位阻，從而會導(dǎo)致172位的磷酸化位點(diǎn)蘇氨酸被暴露出來。［6］2AMP的功能3.1AMPK對脂代謝的調(diào)節(jié)

LawblojdpFfV*>Li批忖孑Ejj網(wǎng)l^DCOlip[>EEIriirli^rg唱11LawblojdpFfV*>Li批忖孑Ejj網(wǎng)l^DCOlip[>EEIriirli^rg唱11卜Acelyl-CtiAXldflhylCkA*FisUywidflFaltefiryj-iftA_亠_mn^tlrw-LE2ULJIU±1^17atL>'acjl-cttjrjjiiluiE-F^Uyntyl-GaA^HaimiLbit *Clu-mi!fill“>

fatty

icylfaAFMH:■■tiii'ihlvtin.BNADHAcu^lC-kiAMbUanhii]ndritinL'hihiigMbUanhii]ndritinIcHlis^N3uviiiHlIoirt圖七：脂肪的合成與分解[7]圖七是脂肪的合成與分解示意圖，其中， Malinyl-coA是非常關(guān)鍵的分子，它是合成長鏈脂肪酸的第一個中間產(chǎn)物，它本身還可以抑制 carnitineacyltransferasel的活性，從而抑制Fattyacyl-coA進(jìn)入線粒體基質(zhì)B氧化。因此催化合成Malinyl-coA的乙酰輔酶A羧化酶（ACC）在脂肪酸的合成中起關(guān)鍵作用ACC就是AMPK的靶分子，激活A(yù)MPK可以使之磷酸化，抑制它的功能，從而抑制脂肪酸的合成。carnitineacyltransferaseI的活性升高，促進(jìn)脂肪酸的氧化。[7]HMG-CoAreductase也是AMPK的一個靶分子，是膽固醇合成過程中的一個重要的酶,AMPK磷酸化HMGR，抑制其功能，從而抑制膽固醇的合成。[8]因此AMPK在肥胖和代謝綜合征中具有一定的治療意義2.2AMPK對糖代謝的調(diào)節(jié)糖代謝的調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)葡萄糖的合成，葡萄糖的吸收兩個過程的平衡來維持。吸收方面，AMPK可以磷酸化TBC1D1蛋白，導(dǎo)致GLUD4（—種葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白）轉(zhuǎn)移到細(xì)胞膜上，促進(jìn)葡萄糖的吸收。（如圖八所示）。合成方面，我們已經(jīng)知道， AMPK可以通過抑制膽固醇以及脂肪酸的合成抑制合成代謝，因此科學(xué)家們推測 AMPK也能夠通過抑制糖原的合成（glycogensynthase來抑制合成代謝。然而關(guān)于這方面的研究卻得到了有爭議性的結(jié)果。[8]科學(xué)家們首先發(fā)現(xiàn) AMPK能夠磷酸化muscleglycogensynthase（GS）位點(diǎn)2上的絲氨酸（如圖八所示）。接著又進(jìn)一步證明了 GS的活性在灌注了AICAR（一種AMP類似物）的小鼠體內(nèi)很低。[8]然而還有研究表明由于AMPK促進(jìn)葡萄糖的吸收導(dǎo)致的glucose-6-phophaste濃度上升，glucose-6-phophaste通過變構(gòu)調(diào)節(jié)提高糖原合成的活性（如圖八黑色虛線箭頭所示），并且這個影響要大于AMPK對GS磷酸化的抑制影響，最終導(dǎo)致糖原合成被促進(jìn)。 [8]高濃度的糖原也可以抑制AMPK的活性，通過與AMPK的^domain結(jié)合。研究發(fā)現(xiàn)，AMPK的^domain含有一個carbohydratebindingmodule（CBM）。有一個（a1—6）分支點(diǎn)的低聚糖比沒有分支的，只含有口（1—4）糖苷鍵的低聚糖更能抑制AMPK的活性。然而在活體中糖原究竟是否能抑制AMPK的活性仍舊是未知。[8]2.3其他

除了糖代謝和脂代謝，AMPK還可以調(diào)控許多其他的代謝過程，例如通過抑制蛋白質(zhì)翻譯激活蛋白mTOR來抑制蛋白質(zhì)的合成等。目前已知的AMPK的調(diào)控路徑如圖九所示，在這里不一一贅述。FidEU1acidFidEU1acidFat牛QE^d.詢r(jià)心述axidalx&Jitynihcf^￡(8*GLI：T1FASTPFK-2GLUT4ACt!■■iYTriuyl^ljMaRiGiycruwProteinirnthe^*■P!■?411CPATGSmWRrAIhtbfd.rh'LongHjrvutiictn jktLrinkuTle^rt1電Skf-kifiiSmEiEeleRtwI：內(nèi)■Lirerj￡*Jl咎Adjpja^t!39UFfsitybchJnsd：ilwn.fattvaradgll.弒■典uptukje,kIlkmiwiipLukv44Lfitulmwcr^tiiiiriditahiiittn)!syniUwi*hpabnif理冋yii*斶b#ht碑Mex.p^ndit'jj'k-圖九AMP!調(diào)控代謝圖3AMP活性調(diào)節(jié)之前說到AMPK是通過調(diào)節(jié)亞基丫與AMP結(jié)合，變構(gòu)調(diào)節(jié)使催化亞基a上172位的蘇氨酸暴露出來，磷酸化蘇氨酸,AMPK被激活。那么蘇氨酸又是怎樣被磷酸化的呢？這就說到酸暴露出來，磷酸化蘇氨酸,了AMPK的上游激酶。

如圖十所示，AMPK可以被上游激酶磷酸化，也可以被proteinphosphatases(目前認(rèn)為可能是proteinphosphate-2C(PP2C))去磷酸化。關(guān)于AMPK的上游激酶，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了至少兩種，其中之一是LKB1，它最開始被認(rèn)為是一種腫瘤抑制因子。 LKB1與兩個亞基STRAD,MO25形成復(fù)合物發(fā)揮作用。人們最初認(rèn)為，LKB1是一種持續(xù)有活性的激酶，這樣AMPK的活性就僅依賴于體內(nèi)AMP/ATP的比值。然而最近有研究發(fā)現(xiàn)，LKB1并不一定是持續(xù)有活性的，它的活性與其在肝臟中的乙酰化狀態(tài)有關(guān)。AMPK的另一種磷酸化渠道是通過CaMKKB激酶，其活性與細(xì)胞質(zhì)內(nèi)鈣離子的濃度有關(guān)，這意味著AMPK也可以在不存在［AMP］上升的情況下被激活。目前人們對AMPK上游激酶的了解尚不充分，對LKB1的研究較多，對其他的幾種激酶人們尚不是很了解。［3］除了上游激酶，AMPK還可以受到激素（如脂聯(lián)素adiponectin,胃饑餓素ghrelin瘦素leptin等），細(xì)胞因子等的調(diào)節(jié)。4最近研究——AMP與壽命在自然環(huán)境中生活的生物，或多或少會面臨環(huán)境壓力，如饑餓，高溫，滲透壓變化等。而應(yīng)激與壽命有很高的相關(guān)性。大量研究證實(shí)應(yīng)激與衰老是通過某些信號通路控制的。AMPK可以調(diào)控細(xì)胞的能量新陳代謝，過度的能量消耗則會增加衰老的過程。大約 10年前，人們發(fā)現(xiàn)對嚙齒類動物的飲食限制可以延長他們的壽命，人們開始猜想這些過程與能量的調(diào)控開關(guān)AMPK有關(guān)。在生物體內(nèi)的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)， AMP-activatedkinase-2（AAK-2,—種AMPK）在壽命的調(diào)節(jié)中具有重要意義。在線蟲，果蠅等模式生物中過量表達(dá) AAK-2/AMPK,同時(shí)用metformin（—種降血糖的糖尿病治療藥物）激活A(yù)AK-2，使它們的壽命得到了提高（Apfeldetal.2004;Curtisetal.,2006;OnkenandDriscoll,2010。在小鼠體內(nèi)的研究發(fā)現(xiàn)，敲除掉AMPK?2之后，會導(dǎo)致新陳代謝的紊亂，進(jìn)而影響其壽命。[10]因此人們開始對metformin展開研究。人們先是發(fā)現(xiàn)metformin能夠提高非糖尿病哺乳動物的壽命，metformin有兩個可能的調(diào)節(jié)途徑，一個是通過AMPK，另外一個是通過AMPK的上游激酶LKB1，LKB1再激活A(yù)MPK降低葡萄糖的產(chǎn)生增加葡萄糖的吸收。這里具體講到兩位科學(xué)家：Onken和Driscoll，他們用線蟲具體研究了通過AMPK,AMPK的上游激酶LKB1對線蟲壽命的影響。[11]首先說一下線蟲，他們用的線蟲是秀麗隱桿線蟲（ Caenorhabditiselegans，它通體透明，便于觀察；生命周期短，從受精卵發(fā)育到可產(chǎn)卵成蟲只需 3.5天；繁殖率高，一條繁殖期的成蟲大約能產(chǎn)生三百多個后代；并且，其與人類有較多同源基因。因此在壽命的研究上線蟲是一個很理想的模式生物。但是，目前人們只知道m(xù)etformin對壽命影響的大致結(jié)果，其機(jī)制尚不清楚Oxidative

stress

resistanceOxidative

stress

resistanceIncreased

healthspanDR

metabolismDR

metabolism[11]圖:metformin對于線蟲壽命調(diào)節(jié)的可能機(jī)制[11]圖十一是Onken和Driscoll用線蟲做出的可能調(diào)控機(jī)制的簡單路線，具體來說就是metformin激活LKB1,LKB1激活A(yù)MPK,AMPK激活SKN-1，緩解氧化應(yīng)激，提高壽命。在ASI神經(jīng)元調(diào)節(jié)路線上，SKN-1與AMPK的相對位置還并不確定。[11]5AMP的應(yīng)用及貢獻(xiàn)由于AMPK在糖代謝以及脂代謝中的重要功能，他在二型糖尿病的治療中做出了很大貢獻(xiàn)。他可以調(diào)節(jié)基因表達(dá)改善糖脂代謝，因此許多針對 AMPK活性的藥物便被開發(fā)出來。Metformin很早就應(yīng)用與治療糖尿病，但由于其根本作用機(jī)制不明確，長期受到爭議。直到人們發(fā)現(xiàn)其靶分子是AMPK，具體機(jī)制為Metformin先激活A(yù)MPK上游激酶LKB1，進(jìn)一步激活A(yù)MPK調(diào)節(jié)糖代謝。目前，Metformin已經(jīng)成為糖尿病治療中的基礎(chǔ)藥品。此外，AMPK對心血管疾病，腫瘤細(xì)胞的治療都起到了很重要的作用。6展望從上述總結(jié)可以看到，關(guān)于AMPK的研究主要集中在兩個方面：一是關(guān)于AMPK的激活，這涉及到AMPK上游激酶的研究，AMPK結(jié)構(gòu)的研究，一些激素，細(xì)胞因子的研究，神經(jīng)對AMPK的調(diào)節(jié)研究等。另一個方面涉及激活的AMPK是如何調(diào)節(jié)代謝的。包括糖代謝，脂代謝，蛋白質(zhì)合成，細(xì)胞自噬，基因表達(dá)等。這些方面都還有很多未知等待我們?nèi)パ芯俊ehningerPrinciplesofbiolchemistryfiftheditionpage576table15-4LehningerPrinciplesofbiolchemistryfiftheditionpage576figure15-6ViolletB,LantierL,Devin-LeclercJ,etal.TargetingtheAMPKpathwayforthetreatmentofType2diabetes.[J].FrontiersinBioscience,2009,14::3380 -3400.KempBE,OakhillJS,ScottJW.AMPKStructureandRegulationfromThreeAngles[J].Structure,2007,15(10):1161-3.FromWikipedia:CBSdomain /wiki/CBS_domai