AMPK對脂質代謝調控作用的研究進展

任靜，朱仲玲綜述，閻昭 審 校

（天津醫科大學腫瘤醫院臨床藥理研究室，國家腫瘤臨床醫學研究中心，天津市“腫瘤防治”重點實驗室，天津市惡性腫瘤臨床醫學研究中心，天津300060）

脂類是機體儲能和供能的主要物質，也是生物膜的重要組成成分。脂質代謝指生物體內脂類在各種代謝酶的作用下進行多步驟、復雜的生化反應，包括消化、吸收、合成、分解及轉運等一系列生理過程，對于維持機體正常的生命活動具有重要意義[1]。脂質代謝紊亂是誘發動脈粥樣硬化等心血管疾病的重要危險因素。腺苷酸激活蛋白激酶（AMP-activa ted protein kinase，AMPK）作為能量代謝的調控中樞，能夠調節多種脂質代謝相關酶及轉錄因子，在維持脂質代謝穩態中發揮著極其重要的作用[2]。本文對AMPK調控脂質代謝的作用做一綜述。

1 AMPK的結構

AMPK是一種高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，以α-，β-和γ-亞基組成的異源三聚體的形式廣泛存在于真核細胞中[3]。α亞基為催化亞基，決定蛋白激酶復合物的活性，其172位蘇氨酸（Thr172）為磷酸化激活位點[4]。β亞基為AMPK的結構核心，存在β1和β2兩種亞型。當糖原大量儲備時，AMPKβ1糖原結構域與糖原結合，以抑制AMPK活性。AMP或ATP通過與AMPK的γ亞基Bateman域結合，抑制STK殘基Thr172去磷酸化，激活AMPK[5]。因此，AMPK的激活方式包括以下3種：上游激酶磷酸化α亞基Thr172、降低α亞基Thr172的去磷酸化水平以及與γ亞基Bateman域結合使AMPK變構激活。

2 AMPK的活性調節

AMPK活性調節非常復雜，既可因AMP/ATP升高，直接變構激活[6]；也可通過與AMP結合，促進AMPK 上游激酶（AMPKupstream kinases，AMPKK）磷酸化其α亞基Thr172而被激活[7]。AMPKK主要包括：肝激酶 B1（liver kinase B1，LKB1）、鈣調蛋白依賴性激酶-β（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase-β，CaMKK-β）以及轉化生長因子β激活的蛋白激酶 1（transforming growth factor（TGF）-β-activatedkinase-1，TAK1）[8]。LKB1 在應答機體能量需求和維持代謝平衡中起重要作用，是活化AMPK最主要的上游激酶[9]。它既可通過直接磷酸化AMPKα-亞基Thr172使AMPK激活，也可通過調控AMPK和AMP相關的蛋白激酶活性，抑制蛋白磷酸酶（protein phosphatase enzymes，PP2A）介導的AMPKα-亞基Thr172去磷酸化而激活AMPK。CaMKK活性受細胞內Ca2+濃度影響[10]。研究發現，細胞內Ca2+濃度升高可直接磷酸化CaMKK-β繼而激活AMPK，并不依賴于AMP/ATP比值變化。TAK1則經TGF-β信號激活后，與AMPKγ亞基結合直接激活AMPK[11]。

3 AMPK對脂質代謝的調節作用

在機體脂質代謝過程中，多種代謝酶及轉錄因子發揮著至關重要的作用。乙酰輔酶A（CoA）羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC） 是脂肪酸（fatty acid，FA）合成過程中的關鍵酶，而甘油-3-磷酸酰基轉移酶（glycerol-3-phosphate acyltransferase，GPAT）和3-羥基-3-甲基戊二酸單酰輔酶A還原酶（hydroxy-methylglutaryl CoA reductase，HMGCR）則分別是甘油三酯（triacylglycerol，TG）和膽固醇（cholesterol，TC）合成的限速酶。激素敏感性脂肪酶（hormone-sensitive lipase，HSL）是作用于脂質分解的關鍵酶。固醇調節元件結合蛋白（sterol regulatory element binding proteins，SREBPs） 是這些關鍵酶的上游轉錄因子，能夠促進TG和TC的合成。CCAAT增強子結合蛋白 α（CCAAT enhancer binding proteinα，C/EBPα）是脂肪細胞的形成過程中的轉錄因子，能夠促進脂質合成。AMPK可通過直接磷酸化以上關鍵酶及轉錄因子而影響酶活性或下游靶基因轉錄，從而在調節脂質合成及分解代謝中發揮關鍵性作用。

3.1 AMPK對ACC的調節 ACC是參與FA合成及氧化途徑的關鍵代謝酶[12]。ACC存在兩種異構體，即ACC1和ACC2。ACC1可催化乙酰CoA羧化成丙二酰CoA，促進FA從頭合成，而ACC2則通過抑制肉毒堿棕櫚酰轉移酶-1（carnitine acyltransferase I，CPT-1）而抑制線粒體中FA的β-氧化[13]。ACC1和ACC2均為AMPK的直接下游靶酶。AMPK通過磷酸化ACC1及ACC2使兩者失活，從而發揮抑制FA合成、促進FA氧化的作用。

3.2 AMPK對GPAT的調節 GPAT是催化TG合成途徑中第一步也是關鍵步驟的限速酶[14]。GPAT有4種主要的異構體，即GPAT1-GPAT4。GPAT1和GPAT2位于線粒體外膜，而GPAT3和GPAT4位于內質網。一項研究表明，肝臟線粒體中過表達GPAT會導致脂肪酸氧化顯著減少80%，肝臟二酰基甘油和磷脂生物合成則顯著增加，最終導致細胞內TG合成顯著增加[15]。在肝細胞中，AMPK能夠促進線粒體GPAT磷酸化導致其失活[16]。AMP-類似物氨基咪唑甲酰胺核糖核苷酸（AMP-analog aminoimidazole carboxamide ribonucleotide，AICAR）可通過激活 AMPK而下調GPAT1活性，從而減少肝細胞內脂質積累。

3.3 AMPK對HMGCR的調節 外源性TC來自食物，而內源性TC來自肝臟生物合成。在肝細胞的細胞質中，乙酰CoA通過26個步驟轉化為內源性TC。HMGCR是TC生物合成的限速酶，其活性是調控TC合成的因素。研究表明，AMPK通過促進HMGCRSer871磷酸化抑制HMGCR活性，從而下調TC 合成[17]。

3.4 AMPK對SREBPs的調節 SREBPs是調節脂質代謝重要的核轉錄因子。目前認為SREBP-1c主要調節FA代謝，SREBP-2主要調節TC代謝，而SREBP-1a對FA和TC代謝均有調節作用。其中SREBP-1 c是脂肪代謝的主要轉錄調控因子，直接參與調控FA和TG合成相關酶基因的表達，包括ACC1、脂肪酸合成酶、硬脂酰輔酶A去飽和酶1等。FAS和GPAT分別是從頭FA合成和TG合成中的兩種關鍵酶，并且兩者都受SREBP-1調節[18]。已有研究證實，肝臟中AMPK通過直接磷酸化SREBP-1c的Ser372和SREBP-2的未識別位點[19-20]，抑制SREBP-1c和SREBP-2基因的轉錄，從而抑制下游FA和TC合成酶的表達[21]，減少脂質合成。

3.5 AMPK對C/EBPα的調節 C/EBPα屬于亮氨酸拉鏈轉錄因子家族，是脂肪形成所必須的轉錄因子，可誘導成纖維細胞內脂肪的形成。活化的C/EBPα不僅能夠促進自身表達，而且還能與過氧化物酶體增殖物激活受體γ協同，共同誘導脂肪前體細胞向脂肪細胞的分化[22]。在饑餓或低葡萄糖濃度等基礎條件下，活化的AMPK通過磷酸化cAMP依賴性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase，PKA）Ser568激活PKA。活化的PKA進一步磷酸化C/EBPαSer196、Ser626 和 Thr66，使其失活。在高葡萄糖刺激下，磷酸木糖激活PP2A使C/EBPα去磷酸化，使其易位至細胞核并激活[23]。

3.6 AMPK對HSL的調節 HSL是TG水解途徑的限速酶，亦是兒茶酚胺和利尿鈉肽誘導脂質降解的主要脂肪酶。研究表明，AMPK通過促進HSLSer565磷酸化，抑制HSL Ser660和Ser563磷酸化而下調HSL活性，從而抑制脂肪細胞內脂解作用[24]。

3.7 AMPK對mTORC1-ER應激途徑的調節 哺乳動物雷帕霉素靶標（mammalian target of rapamycin，mTOR）具有調節細胞生長和能量應激的雙重作用，以兩種不同的蛋白質復合物存在，即雷帕霉素復合物 1（mTORcomplex1，mTORC1）和 mTORC2。mTORC1能夠促進肝臟SREBP-1c表達和脂肪生成。內質網（endoplasmic reticulum，ER）是一種高度動態的細胞器，在維持代謝穩態中起重要作用[25]。當ER受到攻擊時，ER被激活并且通過3種ER膜蛋白啟動未折疊蛋白反應，即肌醇需求酶-1、激活轉錄因子-6和蛋白激酶樣ER激酶（protein kinase-like ER kinase，PERK）。研究表明，在胰腺β細胞中，PERK和真核翻譯起始因子2α上調SREBPs表達。而在乳腺上皮細胞中，敲除PERK則會抑制SREBPs活性和脂肪生成。Li等[26]報道，AMPK可通過抑制mTORC1繼而抑制ER應激，從而減輕肝臟內脂質累積。

4 AMPK激活劑

4.1 AMPK直接激活劑 AMPK直接激活劑能夠直接結合AMPK并使其激活，而細胞內ATP、ADP或AMP水平不發生任何顯著性變化[27]。這類激活劑可能與AMPK特定亞基發生直接的相互作用，誘導AMPK構象變化，而導致其激活。新型取代吡唑啉酮衍生物（C29）直接激活AMPKα激酶結構域，還可非選擇性地激活AMPK異源三聚體，使AMPK激活[28]。噻吩并吡啶酮（A-769662）、苯并咪唑衍生物[29]、水楊酸鹽[30]、5-（5-羥基-異惡唑-3-基）-呋喃-2-膦酸前藥（compound-13）[31]、PT-1 及 MT63-78（Debio0930）[32]等化合物不僅可作為AMP模擬物，直接變構激活AMPK，還可抑制AMPKα亞基Thr-172去磷酸化。AICAR由腺苷轉運蛋白吸收入細胞后，被腺苷激酶磷酸化為AICAR單磷酸鹽（ZMP）。ZMP作為AMP模擬物與AMPKγ亞基上的位點3結合，變構激活AMPK。腺苷衍生物（WS010117）和蟲草素則通過與AMPKγ亞基相互作用，直接激活AMPK[33]。

4.2 AMPK間接激活劑 導致細胞內AMP或鈣積累而激活AMPK的化合物被稱為AMPK間接激活劑。此類激活劑并不與AMPK發生直接相互作用。研究表明，口服降糖藥二甲雙胍和噻唑烷二酮（thiazolidinediones，TZDs）藥物能夠通過抑制線粒體呼吸鏈復合物I（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH），導致 AMP/ATP 比值增加[34]，從而激活AMPK。一些多酚化合物如白藜蘆醇、槲皮素、沒食子兒茶素-3-沒食子酸酯和姜黃素等能夠靶向抑制線粒體ATP合成酶，而小檗堿（berberine，BBR）激活AMPK則與抑制抑制呼吸鏈復合物有關。據報道，人參皂苷能增加細胞內AMP：ATP比值，從而激活AMPK[35]。α-硫辛酸（α-lipoic acid，ALA）則可增加肌管中 C2C12細胞內的鈣水平，通過CaMKK激活AMPK[36]，促進脂肪分解和脂肪酸β-氧化[37]。

5 AMPK激活劑對脂質代謝的調節作用

AMPK激活劑能夠磷酸化調節多種代謝酶的活性，如ACC、脂肪酸合成酶（FAS）等關鍵酶，調控脂質代謝信號轉導通路，開啟分解代謝、關閉合成代謝途徑，補充ATP供給。已有文獻報道，二甲雙胍和BBR可以通過激活AMPK信號傳導有效治療非酒精性脂肪性肝病[38]。西他列汀則通過激活高脂肪飲食抑制的SIRT1/AMPK通路途徑，上調其下游靶基因的表達而調節脂肪酸代謝[39]。最近研究發現，新型AMPK激活劑亞精胺對脂質代謝也具有調節作用。亞精胺可通過激活AMPK從而抑制SREBP1c和FAS表達，有效調節脂質代謝[40]。富含椰子油聯合甘草提取物中鏈甘油三酯能夠通過激活肝臟中AMPK而抑制高脂血癥[41]。膽汁酸受體激動劑fexaramine促進其下游基因小異二聚體配體的表達，激活AMPK-ACC-CPT1α信號通路，促進脂肪酸氧化，從而發揮降脂作用[42]。

6 展望

AMPK抑制脂質合成、促進脂質分解及氧化，在機體的能量和脂質代謝中發揮著關鍵性作用。除此之外，AMPK在糖及蛋白代謝中亦發揮著重要作用[7]。糖尿病藥物二甲雙胍[7]及西他列汀[39]可激活AMPK，在發揮降糖作用的同時亦發揮降脂作用，對于糖尿病合并高脂血癥的患者具有積極的治療意義[43]。最近文獻報道，舒尼替尼、伊馬替尼及帕唑帕尼等酪氨酸激酶抑制劑（tyrosine kinase inhibitor，TKI）類抗腫瘤藥物在治療過程中發生高甘油三酯血癥、高膽固醇血癥等血脂代謝異常[44]。亦有文獻報道，舒尼替尼能夠直接抑制AMPK活性[45]。以上研究結果提示，TKI類抗腫瘤藥物所致脂質代謝紊亂可能與AMPK相關，此類藥物在臨床使用的過程中應該更多地關注代謝不良反應并及時加以處理。本文對AMPK調控脂質代謝的作用進行綜述，對于維持機體脂質代謝穩態，防治脂質紊亂相關的代謝綜合征及不良反應具有重要的指導意義。