AMPK在阿爾茨海默病發病中的作用

李尚霖 周新文 (華中科技大學同濟醫學院病理生理學系，湖北 武漢 430030)

阿爾茨海默病(AD)是發生在老年和老年前期、以進行性認知功能障礙和行為損害為特征的中樞神經系統退行性病變，是老年期癡呆的最常見類型，約占50%。據統計，65歲以上老年人約有5%患有AD。并且隨著增齡，患病率增加。有關AD的確切病因，現有多種假說，主要是淀粉樣蛋白-β(Aβ)和Tau蛋白假說。目前認為AD病理特征是大腦局部尤其是海馬及大腦皮質區域神經元退行性病變，細胞老年斑(SP)和細胞內神經原纖維纏結(NFTs)形成。SP主要是由Aβ沉積形成而NFTs主要是微管相關蛋白tau的過度磷酸化導致〔1〕。腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)是調節細胞能量狀態的重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在真核細胞中廣泛存在，能夠感知細胞能量代謝改變，調節能量代謝過程從而維持能量供求平衡。流行病學發現，許多能量代謝異常的危險因素均與AD相關。而作為調節能量代謝的酶AMPK可能在AD發病過程中起重要作用。

1 AMPK(AMP-activated protein kinase)結構與分布

AMPK由α、β、γ三個亞單位組成，每個亞單位還有不同異構體。α亞單位分為α1，α2，分子質量為63 kD，起催化作用;β亞單位分為 β1，β2，分子質量為38 kD;γ 亞單位分為 γ1，γ2和γ3。β，γ亞單位起調節作用，在維持AMPK異型三聚體穩定性和識別底物特異性方面起重要作用。各亞單位不同亞型在組織中分布不同。其中α2主要分布在成人腦和脊髓中，并且在皮質和海馬神經元中也有較高表達水平〔2〕。AMPK活性主要受AMP濃度影響。AMP濃度增高可激活 AMPK活性〔3〕。其激活機制可能與其上游3種酶，鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶(CaMKKβ，Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase-β)、肝激酶B1(LKB1)、轉錄生長因子β活化激酶1(TAK1，TGF-βactivated kinase-1)，這些酶可以將AMPK活性依賴的α亞單位172位的蘇氨酸磷酸化，從而使其活性增高〔4～6〕。

2 AMPK在tau磷酸化中的作用

Tau蛋白是主要的微管相關蛋白，磷酸化tau結合到微管中微管蛋白上，從而維持神經元細胞骨架。其活性受多個位點的磷酸化調節。Tau過度磷酸化會導致tau積聚，形成NFTs，成為AD重要病理改變。近年來，一些研究發現，AMPK可以調節tau磷酸化。給予AMPK的一種激活物5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(AICAR)可以抑制tau磷酸化〔7〕。進一步研究揭示其機制tau磷酸化機制是AMPK可以使糖原合成激酶3β(GSK-3β)的絲氨酸9位點磷酸化而使其失活〔8〕，大量研究證實GSK-3β是導致 tau過度磷酸化的主要激酶之一〔9〕。由此可見，AMPK可以通過抑制GSK-3β活性而減少tau磷酸化。此外，一些研究表明，AMPK是沉默信息調節因子(SIRT1)激活酶。AMPK激活后可能通過提高 NAD+、NAD/NADH比值或NAD+生物合成酶煙酰胺磷酸核糖轉移酶(Nicotinamide phosphoribosyltransferase，Nampt)活性來激活 SIRT1〔10，11〕。在 AD 病人腦中，SIRT1水平顯著下降，并且伴隨著 NFTs積聚及認知障礙〔12〕。而 SIRT1具有去乙酰化酶作用。Min等〔13〕報道，SIRT1可以減少tau蛋白乙酰化并且阻止磷酸化tau蛋白積聚。而tau蛋白乙酰化又與其磷酸化密切相關。tau蛋白乙酰化可以抑制其降解，易于形成tau病(tauopathy)，與AD病理改變有關。他們還發現，在AD病人腦中tau蛋白乙酰化水平明顯升高，并且乙酰化可以促進tau過度磷酸化并形成NFTs。因此，AMPK激活SIRT1，從而增強其去乙酰化能力，使tau蛋白乙酰化水平降低，間接降低tau磷酸化。此外，SIRT1激活也可能通過激活LKB1進而激活AMPK〔14〕。因此，這種抑制tau磷酸化的過程可能在不斷被強化。綜上，AMPK可以通過SIRT1和GSK-3β來調控tau磷酸化。但一些研究發現AMPK可促進tau蛋白磷酸化，如Thornton等〔15〕報道AMPK在體外可以直接誘導tau蛋白多個位點上磷酸化，并且導致tau與微管解離和tau蛋白聚集。體外用Aβ1～42處理小鼠皮質神經元可以導致tau過度磷酸化，CAMKKβ激活AMPK可能參與了tau蛋白磷酸化。Vingtdeux等〔16〕發現AD病人腦中存在p-AMPK(活性形式)的非正常積聚，伴隨著p-AMPK從細胞核向胞質中移位，而且與tau磷酸化呈正相關，提示AMPK可能參與tau磷酸化。由此可見，AMPK可能通過調控tau蛋白磷酸化，參與AD發生和發展，但其在tau蛋白磷酸化和AD發生中的作用及其機制有待進一步闡明。

3 AMPK在Aβ沉積中的作用

Aβ是由39～43個氨基酸組成的肽，是形成AD病人腦中特征性病理改變SP的主要成分。Aβ由淀粉樣前體蛋白(APP)經β-和γ-分泌酶分解產生。APP代謝可以通過兩條途徑進行。一條為經過α-分泌酶剪切的非淀粉樣蛋白途徑，生成對神經元有保護作用的αAPP，另一條為經過β-/γ-分泌酶剪切的Aβ途徑，產生有神經毒性的Aβ。而在AD發病過程中，后者占主要地位。

大量研究顯示，AMPK激活可以減少神經元內Aβ產生。這種作用可以通過多種機制介導。在體外培養的腦皮質神經元中，通過AICAR激活的AMPK可以降低APPβ分泌酶表達水平，進而減少Aβ產生。同時，在AMPKα敲除的小鼠神經元中，Aβ產量顯著升高〔17〕。此外，槲皮素(quercetin)可以降低β位 APP 裂解酶(β-site APP cleaving enzyme，BACE1)表達，減少Aβ產生及其在腦內沉積。而槲皮素可以抑制AMPK的主要磷酸酶 PP2Cα，從而激活 AMPKα 1/α2〔18〕。這提示，AMPK 激活可以通過減低BACE1表達而減少Aβ。Vingtdeux等〔19〕也發現白藜蘆醇(resveratrol)可以通過激活 CaMKKβ來活化AMPKα1/α2，進而抑制Aβ產生。同時，白藜蘆醇還可以刺激細胞自吞噬作用(autophagocytosis)，降低細胞內Aβ水平。

4 AMPK在AD能量代謝障礙中的作用

AD病人普遍存在能量代謝異常。AD病人往往伴隨著脂代謝紊亂，表現為膽固醇水平升高、低密度脂蛋白水平上升及高密度脂蛋白水平下降。一些研究還發現，參與膽固醇和低密度脂蛋白轉運的相關酶和蛋白與AD發生關系密切〔20〕。同時，用正電子發射斷層掃描(PET)研究AD病人，發現AD病人腦內糖代謝率顯著下降，并且下降程度與患者認知能力損害程度呈正相關〔21〕。大量資料顯示，2型糖尿病患者AD發病風險明顯增加。糖尿病特征性改變是血液中葡萄糖、胰島素含量增高而相應器官的胰島素受體敏感性降低而產生胰島素抵抗現象。這會導致細胞對葡萄糖的攝取、利用降低，能量生成障礙〔22〕。而AMPK活性主要受AMP/ATP比值的調控，AMPK活性增強會促進葡萄糖轉運體表達并向細胞表面轉運。AMPK激活可以增加GLUT3表達而促進神經元攝取葡萄糖〔23〕。這說明機體通過激活AMPK這一途徑來代償大腦能量缺乏。但是很多研究顯示，機體對AMPK的反應取決于AMPK激活的程度和時間。Dagon等〔24〕比較輕度和重度能量限制對神經元功能的影響時發現，重度飲食限制能夠強烈激活AMPK，致使兒茶酚胺(catecholamine)水平上升，導致神經元凋亡和認知損害。也有學者〔25〕認為，暫時地適當強度地激活AMPK起到神經元保護作用，但是長期、強烈刺激對神經元是有害的。隨著增齡，AMPK激活相應降低。這與很多老齡化相關的疾病如AD、能量代謝損傷等相關聯。

代謝障礙通常與AD發病相關聯。作為體內調節能量代謝的重要激酶AMPK在AD發病過程中起重要作用。AMPK激活可以抑制tau磷酸化及Aβ產生，從而阻止AD的兩個主要病理生理過程，對神經元有保護作用。綜上，AMPK在AD發生發展中扮演一個重要角色，其作用和機制目前還存在爭議。

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