腺苷酸活化蛋白激酶与肿瘤的研究进展*

孙启天 综述，高 宇 审校

(1.承德医学院；2.承德医学院附属医院内分泌科，河北承德 067000)

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是细胞重要的能量感受器，在能量缺乏时被激活，能量充足时被抑制。AMPK可以被多种激素、细胞因子及上游基因LKB1激活，并通过与哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、p53的相互作用、对脂肪酸合酶及其他激酶的调节实现对细胞生长代谢的抑制，近期的研究发现AMPK在连接代谢综合征和肿瘤中起到重要作用，它可以通过缺氧诱导因子(HIF-1)和肿瘤抑制基因p53降低肿瘤细胞糖酵解水平，有可能会成为日后治疗肿瘤的新靶点。现就近年来AMPK的研究新进展综述如下。

AMPK属于丝氨酸/苏氨酸蛋白质激酶家族，它包括3个亚单位，1个催化亚基(α)和2个调节亚基(β和 γ)。在哺乳动物中，每个亚基都包括不同的亚型(α1,α2; β1,β2; γ1,γ2和γ3)，当细胞面临代谢压力时，细胞内AMP/ATP比例增高,AMP会与γ亚基发生连接，这种连接有两方面的作用，变构催化作用和防止α亚基活化环上的172位苏氨酸被磷酸酯酶去磷酸化。AMP与γ亚基连接后，α亚基可以通过多种途径被磷酸化进而使ATP的生成增多，利用减少，以维持AMP/ATP的平衡，为细胞的生存提供足够的能量[1]。

1 AMPK的激活

AMPK可以被一些激素及细胞因子激活，其中包括瘦素、脂联素、白细胞介素-6(IL-6)和睫状神经营养因子(CNTF)[2]。AMPK还可以被多种药物激活,最典型的是5-氨基-4-氨甲酰咪唑核糖核苷酸(5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofuranoside AICAR),AICAR是一种细胞通透的磷酸化物质,可以在进入细胞后转化为AMP类似物(ZMP)。此外，两种常用的糖尿病治疗药物二甲双胍、噻唑烷二酮类也可以激活AMPK。

AMPK还可以被上游激酶激活，如AMPK的上游基因LKB1是一种肿瘤抑制基因,它可以直接磷酸化AMPK α亚基上的172位苏氨酸而激活AMPK进而参与细胞的能量代谢及细胞生长[3]。另一个激酶是钙调蛋白依赖蛋白激酶β(CaMKK-β),它可以在细胞内Ca2+升高时使AMPK磷酸化以减少AMP[4]。

其他AMPK调节激酶还包括转化生长因子β激活酶-1(TAK1)和共济失调毛细血管突变基因(ATM)。这些激酶与AMPK的具体关系尚不十分明确，但是已有报道认为TAK1可以诱导与肿瘤坏死因子(TNF)相关的细胞凋亡配体以激活AMPK,导致独立于LKB1和CaMMK的自体吞噬[5]。

2 AMPK抑制细胞生长的机制

2.1 AMPK的上游基因LKB1 LKB1是一种较为普遍的肿瘤抑制基因,它的基因突变可以在多种肿瘤中发现，例如，LKB1的突变可以诱发宫颈癌和头部鳞状细胞癌[6-7]。此外，人们发现在非小细胞肺癌中LKB1会发生突变，但突变率在不同种族中有所不同，在白人群体中大约占17%～35%，亚洲人群中占3%～7%，非洲人群占6%左右[8-10]。LKB1接受基因B-Raf的抑制，并受到细胞外调节蛋白激酶(ERK1/2)的调节[11]。AMPK是LKB1最重要的底物，LKB1对肿瘤的抑制很大程度上是通过激活AMPK实现的。

2.2 AMPK的下游靶点mTOR 哺乳动物mTOR，包括mTORC1、mTORC2。mTOR作用主要是通过调节蛋白质的合成影响细胞生长和增殖。其活性能够被雷帕霉素抑制，是AMPK下游的重要靶点，激活的AMPK可以磷酸化结节硬化性复合体2(TSC2)，促进TSC1/TSC2复合体形成，并构成Rheb的GTPase活化蛋白(GAP)，GAP可以使Rheb携带GDP，Rheb是一种小GTP酶，其活性的降低可以抑制mTORC1的活性。此外，mTOR在PI3K/Akt/mTOR信号通路中也有着重要作用。PI3K是一种胞内磷脂酰肌醇激酶，它可以激活Akt进而抑制mTOR。通过以上两种途径，mTOR的活性受到抑制，使蛋白的合成受到影响，抑制细胞的生长。

Atg基因及其编码的蛋白在细胞的自噬中发挥重要作用，Atg1/ULK1复合体是参与形成自噬体最重要的组成部分，ULK1受到mTOR的调节，mTOR的抑制可以激活ULK1，进而激活Atg，引起细胞的自噬[12]。此外，人BNIP3在缺氧的情况下可以被HIF-1诱导表达，而BNIP3表达水平的高低和肿瘤的存活能力相关，在多种类型肿瘤中均发现BNIP3的高度表达可以使肿瘤细胞逃避缺氧所致的凋亡，这对缺氧情况下的肿瘤细胞是一种保护，最新的研究发现BNIP3介导的自噬作用的降低是由ULK1通过AMPK/mTOR的途径调节，mTOR抑制剂的使用可以通过降低BNIP3的水平并促进肿瘤细胞的凋亡[13]。

2.3 肿瘤抑制基因p53 另一个和AMPK相关的肿瘤抑制基因是p53，它和AMPK可以相互调节。AICAR的激活及胰岛素缺乏可以导致p53表达上调，并在Ser15起到磷酸化作用。有研究发现，前列腺癌细胞中AMPK α1亚基发生突变，使p53的mRNA和蛋白水平表达下降[14]，导致肿瘤细胞的生长。AMPK也受p53调节，p53可以使AMPK的调节亚基的β1-异构体表达上调。两个p53的靶向基因——Sestrin1和Sestrin2可以激活AMPK，促进TSC2的磷酸化，进而抑制mTOR[15]。有研究表明，Sestrin2不仅可以激活AMPK，还可以调节AMPK亚基，并促进AMPK在乳腺肿瘤中的表达并增加肿瘤细胞对放射治疗的敏感性[16]。

此外，AMPK还参与调节p300组蛋白乙酰转移酶、FOXO3及细胞周期抑制剂p27等和细胞代谢、生长、生存及凋亡相关的一些其他因子。

2.4 参与脂类的合成与代谢 脂质代谢紊乱与肿瘤的发生有一定关系，并能促进肿瘤的复发。AMPK的活化可以抑制脂肪酸、胆固醇合成的限速酶，如乙酰辅酶A羧化酶(ACC),羟甲基戊二酸单酰辅酶A(HMG-CoA)及脂肪酸合成酶(FASN)。这些酶在肿瘤发生中有着重要作用。肿瘤细胞中脂肪酸合成要比非肿瘤细胞明显增加。FASN和ACC在乳腺肿瘤、前列腺肿瘤和卵巢肿瘤等多种类型的肿瘤中都高度表达，而这两种酶的抑制可以诱导细胞的凋亡。此外，研究人员已经通过实验证实了他汀类药物可以通过抑制HMG-CoA，减少胆固醇的生成进而减少肿瘤的发生率，降低肿瘤发生的风险[17]，AMPK还可以通过抑制脂肪酸、胆固醇的合成实现对肿瘤的抑制。

3 AMPK、代谢综合征和肿瘤

代谢综合征是一组代谢性疾病的集合，它与脂肪和糖的代谢有关，以胰岛素抵抗为核心，主要表现为肥胖、高血压、高血糖及血脂紊乱。胰岛素抵抗、肥胖和2型糖尿病,都伴随着AMPK活性的下降,而通过ACIAR、噻唑烷二酮类、二甲双胍和运动等方式激活AMPK,可以达到纠正或预防这些疾病的作用。

目前人们普遍认为代谢综合征增加罹患癌症的风险,代谢紊乱的纠正有利于降低肿瘤的发生风险，而AMPK可能会在预防癌症发生、发展上起到作用。早在2005年就有报道，应用二甲双胍的2型糖尿病患者患肿瘤的风险比普通人或未服用二甲双胍的患者要低。此外,某些癌症患者血清中脂联素的水平偏低，而外源性补充脂联素可能通过激活AMPK抑制肿瘤的生长。

人们已经发现通过药物作用和饮食限制可以激活AMPK、抑制肿瘤细胞在体内外的生长[18]，此外，运动也可以增加糖尿病患者体内AMPK的磷酸化水平[19]。

4 肿瘤细胞中的AMPK和糖代谢

糖酵解的增加是肿瘤生存生长的必要条件,高效率的糖酵解不仅可以产生ATP来弥补线粒体氧化磷酸化的不足，还可以提供合成代谢的中间体,参与糖原、氨基酸、核酸和脂质的生物合成。其次，在肿瘤细胞中糖酵解的增加可以增加线粒体膜的稳定性，此外,糖酵解增强导致的乳酸分泌增加造成了细胞外的酸性环境，促进了肿瘤细胞扩散，对于正常细胞是有害的。

肿瘤细胞的糖酵解机制十分复杂。而与AMPK相关的是HIF-1和肿瘤抑制基因p53。HIF-1在缺氧条件下广泛存在于人和动物的肿瘤细胞内,它是目前发现的惟一在特异性缺氧状态下发挥活性的转录因子。HIF-1属于异质二聚体，有两个亚基α和β。在含氧量正常的情况下α亚基发生退化。在氧含量降低的情况下，亚基α保持稳定,并激活糖酵解所需物质，例如：葡萄糖载体1,HK1和HK2,乳酸脱氢酶和丙酮酸。因此,肿瘤细胞中葡萄糖的摄取和糖酵解的水平比正常细胞要高。HIF-1α的调节需要AMPK的参与。具体机制尚不十分明确，其中mTORC1可能起到重要作用。人们已经发现在缺乏LKB1或AMPK的成纤维细胞中,HIF-1α的水平及其下游目标增高，而mTOR表达下降[20]。因此,AMPK是通过抑制mTOR的活性来起到降低肿瘤细胞中糖酵解作用。

另一个和糖酵解有关的是抑癌基因p53,p53的表达对调节蛋白合成的细胞色素C氧化酶2(SCO2)有积极作用，是细胞色素C氧化酶的一个关键的调节物质。p53还可以通过诱导TP53诱导的糖酵解和凋亡的调控子(TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator gene,TIGAR)发挥作用，TIGAR的上调会导致2、6-二磷酸果糖水平的降低，从而抑制糖酵解。此外，p53还会使另一种糖酵解关键酶磷酸甘油酸酯变位酶表达降低[21]。因此,AMPK通过调节p53,可以抑制有氧糖酵解并减少糖分解中间体的利用，而这种中间体又是合成肿瘤细胞的重要物质(如：蛋白、脂质及核酸)。

5 AMPK在预防和治疗肿瘤中的应用

最近很多研究已经表明，AMPK的激活剂如二甲双胍、AICAR 和A769662可以抑制或延迟动物模型中肿瘤的发生风险。应用二甲双胍作为辅助治疗的糖尿病合并乳腺癌患者及单纯乳腺癌患者已经开始进行Ⅲ期临床试验[22]，以评估二甲双胍作用于肿瘤的具体效果。如果将补充AMPK作为一种癌症的辅助治疗，可能会受到多种因素影响，例如,LKB1可以影响治疗效果，在缺乏LKB1的情况下，一些激活剂无法激活AMPK，在一些肿瘤细胞中，如果加入LKB1活化剂，AMPK的底物也可以对AMPK的激活更为敏感。

6 展 望

总体来说，AMPK主要负责调节细胞代谢使其处于适当的增长状态。AMPK的激活可以起到抑制肿瘤的作用，现在普遍认为这是通过PI3K/Akt/mTOR途径和调节其他对细胞增长生存相关的基因及因子实现的。因此，推断将补充AMPK激活剂与肿瘤的其他治疗方法结合可能会成为未来趋势。但是，不同的遗传背景可能会对治疗的敏感性造成差异，这仍需要更多来自实验研究、临床调查的支持及更长时间的探索。

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