AMPK对脂质代谢调控作用的研究进展

任静，朱仲玲综述，阎昭 审 校

（天津医科大学肿瘤医院临床药理研究室，国家肿瘤临床医学研究中心，天津市“肿瘤防治”重点实验室，天津市恶性肿瘤临床医学研究中心，天津300060）

脂类是机体储能和供能的主要物质，也是生物膜的重要组成成分。脂质代谢指生物体内脂类在各种代谢酶的作用下进行多步骤、复杂的生化反应，包括消化、吸收、合成、分解及转运等一系列生理过程，对于维持机体正常的生命活动具有重要意义[1]。脂质代谢紊乱是诱发动脉粥样硬化等心血管疾病的重要危险因素。腺苷酸激活蛋白激酶（AMP-activa ted protein kinase，AMPK）作为能量代谢的调控中枢，能够调节多种脂质代谢相关酶及转录因子，在维持脂质代谢稳态中发挥着极其重要的作用[2]。本文对AMPK调控脂质代谢的作用做一综述。

1 AMPK的结构

AMPK是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，以α-，β-和γ-亚基组成的异源三聚体的形式广泛存在于真核细胞中[3]。α亚基为催化亚基，决定蛋白激酶复合物的活性，其172位苏氨酸（Thr172）为磷酸化激活位点[4]。β亚基为AMPK的结构核心，存在β1和β2两种亚型。当糖原大量储备时，AMPKβ1糖原结构域与糖原结合，以抑制AMPK活性。AMP或ATP通过与AMPK的γ亚基Bateman域结合，抑制STK残基Thr172去磷酸化，激活AMPK[5]。因此，AMPK的激活方式包括以下3种：上游激酶磷酸化α亚基Thr172、降低α亚基Thr172的去磷酸化水平以及与γ亚基Bateman域结合使AMPK变构激活。

2 AMPK的活性调节

AMPK活性调节非常复杂，既可因AMP/ATP升高，直接变构激活[6]；也可通过与AMP结合，促进AMPK 上游激酶（AMPKupstream kinases，AMPKK）磷酸化其α亚基Thr172而被激活[7]。AMPKK主要包括：肝激酶 B1（liver kinase B1，LKB1）、钙调蛋白依赖性激酶-β（Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase-β，CaMKK-β）以及转化生长因子β激活的蛋白激酶 1（transforming growth factor（TGF）-β-activatedkinase-1，TAK1）[8]。LKB1 在应答机体能量需求和维持代谢平衡中起重要作用，是活化AMPK最主要的上游激酶[9]。它既可通过直接磷酸化AMPKα-亚基Thr172使AMPK激活，也可通过调控AMPK和AMP相关的蛋白激酶活性，抑制蛋白磷酸酶（protein phosphatase enzymes，PP2A）介导的AMPKα-亚基Thr172去磷酸化而激活AMPK。CaMKK活性受细胞内Ca2+浓度影响[10]。研究发现，细胞内Ca2+浓度升高可直接磷酸化CaMKK-β继而激活AMPK，并不依赖于AMP/ATP比值变化。TAK1则经TGF-β信号激活后，与AMPKγ亚基结合直接激活AMPK[11]。

3 AMPK对脂质代谢的调节作用

在机体脂质代谢过程中，多种代谢酶及转录因子发挥着至关重要的作用。乙酰辅酶A（CoA）羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC） 是脂肪酸（fatty acid，FA）合成过程中的关键酶，而甘油-3-磷酸酰基转移酶（glycerol-3-phosphate acyltransferase，GPAT）和3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶（hydroxy-methylglutaryl CoA reductase，HMGCR）则分别是甘油三酯（triacylglycerol，TG）和胆固醇（cholesterol，TC）合成的限速酶。激素敏感性脂肪酶（hormone-sensitive lipase，HSL）是作用于脂质分解的关键酶。固醇调节元件结合蛋白（sterol regulatory element binding proteins，SREBPs） 是这些关键酶的上游转录因子，能够促进TG和TC的合成。CCAAT增强子结合蛋白 α（CCAAT enhancer binding proteinα，C/EBPα）是脂肪细胞的形成过程中的转录因子，能够促进脂质合成。AMPK可通过直接磷酸化以上关键酶及转录因子而影响酶活性或下游靶基因转录，从而在调节脂质合成及分解代谢中发挥关键性作用。

3.1 AMPK对ACC的调节 ACC是参与FA合成及氧化途径的关键代谢酶[12]。ACC存在两种异构体，即ACC1和ACC2。ACC1可催化乙酰CoA羧化成丙二酰CoA，促进FA从头合成，而ACC2则通过抑制肉毒碱棕榈酰转移酶-1（carnitine acyltransferase I，CPT-1）而抑制线粒体中FA的β-氧化[13]。ACC1和ACC2均为AMPK的直接下游靶酶。AMPK通过磷酸化ACC1及ACC2使两者失活，从而发挥抑制FA合成、促进FA氧化的作用。

3.2 AMPK对GPAT的调节 GPAT是催化TG合成途径中第一步也是关键步骤的限速酶[14]。GPAT有4种主要的异构体，即GPAT1-GPAT4。GPAT1和GPAT2位于线粒体外膜，而GPAT3和GPAT4位于内质网。一项研究表明，肝脏线粒体中过表达GPAT会导致脂肪酸氧化显著减少80%，肝脏二酰基甘油和磷脂生物合成则显著增加，最终导致细胞内TG合成显著增加[15]。在肝细胞中，AMPK能够促进线粒体GPAT磷酸化导致其失活[16]。AMP-类似物氨基咪唑甲酰胺核糖核苷酸（AMP-analog aminoimidazole carboxamide ribonucleotide，AICAR）可通过激活 AMPK而下调GPAT1活性，从而减少肝细胞内脂质积累。

3.3 AMPK对HMGCR的调节 外源性TC来自食物，而内源性TC来自肝脏生物合成。在肝细胞的细胞质中，乙酰CoA通过26个步骤转化为内源性TC。HMGCR是TC生物合成的限速酶，其活性是调控TC合成的因素。研究表明，AMPK通过促进HMGCRSer871磷酸化抑制HMGCR活性，从而下调TC 合成[17]。

3.4 AMPK对SREBPs的调节 SREBPs是调节脂质代谢重要的核转录因子。目前认为SREBP-1c主要调节FA代谢，SREBP-2主要调节TC代谢，而SREBP-1a对FA和TC代谢均有调节作用。其中SREBP-1 c是脂肪代谢的主要转录调控因子，直接参与调控FA和TG合成相关酶基因的表达，包括ACC1、脂肪酸合成酶、硬脂酰辅酶A去饱和酶1等。FAS和GPAT分别是从头FA合成和TG合成中的两种关键酶，并且两者都受SREBP-1调节[18]。已有研究证实，肝脏中AMPK通过直接磷酸化SREBP-1c的Ser372和SREBP-2的未识别位点[19-20]，抑制SREBP-1c和SREBP-2基因的转录，从而抑制下游FA和TC合成酶的表达[21]，减少脂质合成。

3.5 AMPK对C/EBPα的调节 C/EBPα属于亮氨酸拉链转录因子家族，是脂肪形成所必须的转录因子，可诱导成纤维细胞内脂肪的形成。活化的C/EBPα不仅能够促进自身表达，而且还能与过氧化物酶体增殖物激活受体γ协同，共同诱导脂肪前体细胞向脂肪细胞的分化[22]。在饥饿或低葡萄糖浓度等基础条件下，活化的AMPK通过磷酸化cAMP依赖性蛋白激酶（cAMP-dependent protein kinase，PKA）Ser568激活PKA。活化的PKA进一步磷酸化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，使其易位至细胞核并激活[23]。

3.6 AMPK对HSL的调节 HSL是TG水解途径的限速酶，亦是儿茶酚胺和利尿钠肽诱导脂质降解的主要脂肪酶。研究表明，AMPK通过促进HSLSer565磷酸化，抑制HSL Ser660和Ser563磷酸化而下调HSL活性，从而抑制脂肪细胞内脂解作用[24]。

3.7 AMPK对mTORC1-ER应激途径的调节 哺乳动物雷帕霉素靶标（mammalian target of rapamycin，mTOR）具有调节细胞生长和能量应激的双重作用，以两种不同的蛋白质复合物存在，即雷帕霉素复合物 1（mTORcomplex1，mTORC1）和 mTORC2。mTORC1能够促进肝脏SREBP-1c表达和脂肪生成。内质网（endoplasmic reticulum，ER）是一种高度动态的细胞器，在维持代谢稳态中起重要作用[25]。当ER受到攻击时，ER被激活并且通过3种ER膜蛋白启动未折叠蛋白反应，即肌醇需求酶-1、激活转录因子-6和蛋白激酶样ER激酶（protein kinase-like ER kinase，PERK）。研究表明，在胰腺β细胞中，PERK和真核翻译起始因子2α上调SREBPs表达。而在乳腺上皮细胞中，敲除PERK则会抑制SREBPs活性和脂肪生成。Li等[26]报道，AMPK可通过抑制mTORC1继而抑制ER应激，从而减轻肝脏内脂质累积。

4 AMPK激活剂

4.1 AMPK直接激活剂 AMPK直接激活剂能够直接结合AMPK并使其激活，而细胞内ATP、ADP或AMP水平不发生任何显著性变化[27]。这类激活剂可能与AMPK特定亚基发生直接的相互作用，诱导AMPK构象变化，而导致其激活。新型取代吡唑啉酮衍生物（C29）直接激活AMPKα激酶结构域，还可非选择性地激活AMPK异源三聚体，使AMPK激活[28]。噻吩并吡啶酮（A-769662）、苯并咪唑衍生物[29]、水杨酸盐[30]、5-（5-羟基-异恶唑-3-基）-呋喃-2-膦酸前药（compound-13）[31]、PT-1 及 MT63-78（Debio0930）[32]等化合物不仅可作为AMP模拟物，直接变构激活AMPK，还可抑制AMPKα亚基Thr-172去磷酸化。AICAR由腺苷转运蛋白吸收入细胞后，被腺苷激酶磷酸化为AICAR单磷酸盐（ZMP）。ZMP作为AMP模拟物与AMPKγ亚基上的位点3结合，变构激活AMPK。腺苷衍生物（WS010117）和虫草素则通过与AMPKγ亚基相互作用，直接激活AMPK[33]。

4.2 AMPK间接激活剂 导致细胞内AMP或钙积累而激活AMPK的化合物被称为AMPK间接激活剂。此类激活剂并不与AMPK发生直接相互作用。研究表明，口服降糖药二甲双胍和噻唑烷二酮（thiazolidinediones，TZDs）药物能够通过抑制线粒体呼吸链复合物I（nicotinamide adenine dinucleotide，NADH），导致 AMP/ATP 比值增加[34]，从而激活AMPK。一些多酚化合物如白藜芦醇、槲皮素、没食子儿茶素-3-没食子酸酯和姜黄素等能够靶向抑制线粒体ATP合成酶，而小檗碱（berberine，BBR）激活AMPK则与抑制抑制呼吸链复合物有关。据报道，人参皂苷能增加细胞内AMP：ATP比值，从而激活AMPK[35]。α-硫辛酸（α-lipoic acid，ALA）则可增加肌管中 C2C12细胞内的钙水平，通过CaMKK激活AMPK[36]，促进脂肪分解和脂肪酸β-氧化[37]。

5 AMPK激活剂对脂质代谢的调节作用

AMPK激活剂能够磷酸化调节多种代谢酶的活性，如ACC、脂肪酸合成酶（FAS）等关键酶，调控脂质代谢信号转导通路，开启分解代谢、关闭合成代谢途径，补充ATP供给。已有文献报道，二甲双胍和BBR可以通过激活AMPK信号传导有效治疗非酒精性脂肪性肝病[38]。西他列汀则通过激活高脂肪饮食抑制的SIRT1/AMPK通路途径，上调其下游靶基因的表达而调节脂肪酸代谢[39]。最近研究发现，新型AMPK激活剂亚精胺对脂质代谢也具有调节作用。亚精胺可通过激活AMPK从而抑制SREBP1c和FAS表达，有效调节脂质代谢[40]。富含椰子油联合甘草提取物中链甘油三酯能够通过激活肝脏中AMPK而抑制高脂血症[41]。胆汁酸受体激动剂fexaramine促进其下游基因小异二聚体配体的表达，激活AMPK-ACC-CPT1α信号通路，促进脂肪酸氧化，从而发挥降脂作用[42]。

6 展望

AMPK抑制脂质合成、促进脂质分解及氧化，在机体的能量和脂质代谢中发挥着关键性作用。除此之外，AMPK在糖及蛋白代谢中亦发挥着重要作用[7]。糖尿病药物二甲双胍[7]及西他列汀[39]可激活AMPK，在发挥降糖作用的同时亦发挥降脂作用，对于糖尿病合并高脂血症的患者具有积极的治疗意义[43]。最近文献报道，舒尼替尼、伊马替尼及帕唑帕尼等酪氨酸激酶抑制剂（tyrosine kinase inhibitor，TKI）类抗肿瘤药物在治疗过程中发生高甘油三酯血症、高胆固醇血症等血脂代谢异常[44]。亦有文献报道，舒尼替尼能够直接抑制AMPK活性[45]。以上研究结果提示，TKI类抗肿瘤药物所致脂质代谢紊乱可能与AMPK相关，此类药物在临床使用的过程中应该更多地关注代谢不良反应并及时加以处理。本文对AMPK调控脂质代谢的作用进行综述，对于维持机体脂质代谢稳态，防治脂质紊乱相关的代谢综合征及不良反应具有重要的指导意义。