LKB1-AMPKα信号转导通路在动物高脂血症中的调控作用
2019-12-19明鹏飞黄莹莹董妍丽王希春吴金节
明鹏飞, 黄莹莹, 董妍丽, 王希春, 吴金节, 李 玉
(安徽农业大学 动物科技学院, 合肥 230036)
动物高脂血症是指血液中脂类水平升高的一种代谢性疾病。临床上常表现为血脂升高,主要包括总胆固醇(total cholesterol,TC)、甘油三酯(triglyceride,TG)和低密度脂蛋白胆固醇(low-density lipoprotein cholesterol,LDL-C)含量升高以及高密度脂蛋白胆固醇(high-density lipoprotein cholesterol,HDL-C)含量降低[1]。近年来,高脂血症及其相关疾病的发病率不断升高,深入探究高脂血症发病的复杂机制,为临床高脂血症的治疗提供试验及理论依据显得极其重要[2-3]。高脂血症是常见的营养代谢性疾病,动物高脂血症的发生会导致脂代谢紊乱的发生,进而导致肥胖、胰岛素抵抗等一系列代谢性疾病的发生,给动物生产带来巨大的经济损失。LKB1-AMPKα信号通路可在高脂血症中起重要的调控作用。肝激酶B1也被称为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶11(serine-threonine kinase 11,STK11),主要集中在细胞核与细胞浆中。LKB1的功能表现主要由细胞浆内的部分引发[4],在细胞能量代谢、凋亡等的调控中发挥着重要的作用[5]。腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是一种广泛存在于真核细胞中的高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶[6],是细胞内的能量“感受器”和“调节器”,通过调控脂肪、蛋白质等的合成与转化,在维持细胞内能量代谢平衡过程中起重要作用[7-8]。LKB1还可以作为AMPK相关的13种激酶的上游参与能量代谢的调节[9]。因此,研究LKB1、AMPKα共同调节动物高脂血症的作用机制具有重要的意义。
1 LKB1信号转导通路与高脂血症
LKB1是由Hemminki等[10]在1998年发现的一种肿瘤抑制基因,其蛋白与STRAD(STE20 related adaptor protein)和MO25(Mouse protein 25)的蛋白质形成异源三聚体,使LKB1的活性极大提高,发挥其调节细胞内生物活性和能量代谢的作用[11]。研究表明,LKB1可以促进脂肪动员,通过抑制高脂血症重要指标TC、TG的合成来抑制高脂血症[12]。动物高脂血症血清中TG含量升高会促进极低密度脂蛋白(VLDL)的生成,而VLDL可转变为LDL-C,进而加重高脂血症的发展[13-14]。LKB1可直接抑制与脂肪酸、TG合成有关的靶基因脂肪酸合成酶(fatty acid synthetase,FAS)、乙酰辅酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase,ACC)等的表达,从而抑制脂肪酸和TG的合成。李梦华等[15]研究表明LKB1可通过激活其相关的上下游信号通路(phosphatidylinositol-3-kinase,PI3K)-(related to the A and C kinase,AKT)使大鼠高脂血症中TC、TG和LDL-C含量明显降低,HDL-C含量显著增加,从而抑制高脂血症的发生。由此可知,LKB1可通过调控TC和TG的合成与转化及相关代谢通路来抑制动物高脂血症的发生和发展。
2 AMPKα信号转导通路与高脂血症
AMPK是近年来发现的与细胞能量代谢密切相关的一种酶[16],由α催化亚单位和β、γ两个调节亚单位组成的异源三聚体蛋白,AMPK活性需要3个亚基共同表达,β亚基还与AMPK和AMP两者的连接有关[17]。AMP可通过直接变构激活AMPK等方式,进而通过下游众多的靶蛋白发挥能量调节作用[18]。近年来,研究发现一些神经内分泌激素和细胞因子,如瘦素、胰岛素等均可直接激活AMPKα以实现对细胞的代谢调控[12]。活化的AMPK可以抑制TC和TG的合成,促进脂肪动员,AMPK激活后可磷酸化胆固醇合成关键酶3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(3-Hydroxy-3-methyl glutaryl coenzyme A reductase,HMGR),从而抑制胆固醇的合成,磷酸化ACC,抑制脂肪酸的合成。ACC是调控脂肪酸合成的关键酶[19],激活的AMPKα可磷酸化并激活其下游靶蛋白固醇调节元件结合蛋白1c(Sterol regulatory element-binding protein 1C,SREBP-1c),直接抑制与脂肪酸、TG合成有关的HMGR和FAS等多个靶基因,从而抑制脂肪酸和TG的合成[6,20]。另外还可磷酸化甘油二酯和甘油三酯合成关键酶甘油磷酸酰基转移酶(Glycerol-3-phosphate acyltransferase,GPAT),磷酸化激素敏感酯酶(Hormone-sensitive triglyceride lipase,HSL)促进脂酰甘油酯和胆固醇脂水解[21]。AMPK活性降低可能导致血浆游离脂肪酸升高及脂质异位沉积,导致高脂血症、肥胖等脂代谢紊乱性疾病的发生。因此,在动物高脂血症等脂质代谢过程中,AMPK信号通路不仅抑制了脂肪酸和TG的合成,也促进了TG的分解和脂肪酸的氧化,更灵敏且稳定的维持机体脂代谢过程。所以,AMPK可通过调控TC和TG的合成与转化及脂合成与分解基因来抑制动物高脂血症的发生。
3 LKB1-AMPKα信号通路与动物高脂血症
3.1 LKB1与AMPKα相互作用的方式
研究发现,AMPK的上游激酶LKB1和钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶(Calmodulin-dependent protein kinase kinase,CaMKK)可以磷酸化苏氨酸残基Thr-172,进而激活细胞中AMPK的活性,如图1所示[22]。有一个特殊的Thr-172存在于AMPKα亚基上,该位点与LKB1磷酸化AMPK密切相关,当ATP/ADP比值下降的效应经腺苷酸激酶放大后,使AMP结合在AMPKα亚基上,促进LKB1磷酸化并激活AMPK[23]。研究发现 AMPK结合了AMP之后,更易受到LKB1的激活作用[24]。LKB1通过去乙酰化在胞质中的定位是其发挥激酶活性并激活AMPKα的先决条件[25],当LKB1组成异源三聚体LKB1-STRAD-MO25后,激活AMPK磷酸化下游SIRT1、过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅助活化因子1α(Peroxisome proliferator-activated receptor gamma co-activator,PGC-1α)活性因子,抑制耗能过程,促进产能过程,维持细胞内代谢平衡,LKB1-AMPKα信号通路与能量代谢关系如图2所示[5]。
图1 LKB1、CaMKK调控AMPK的方式[22]
3.2 LKB1-AMPKα信号通路对动物高脂血症的调控
研究表明,LKB1-AMPKα信号通路在葡萄糖转换、脂类代谢过程中发挥着重要的作用,可调控脂肪肝、奶牛酮病、动物高脂血症等脂代谢相关基因的表达[26]。有研究表明,增加LKB1的表达,能够促进AMPKα的表达,对抗高脂血症等脂代谢紊乱性疾病的发生[27]。在临床实践中,降低血脂、改善血脂异常是预防高脂血症等脂代谢性疾病发生、发展的有效途径。AMPK的激动剂5-氨基咪唑-4-氨甲酰核糖核苷(5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofuranoside,AICAR)可降低动物高脂血症的血脂水平,但需要借助于AMPK的上游蛋白激酶LKB1和CaMKKβ,从而导致包括过氧化物酶激活受体γ(peroxisome proliferators-activated receptors,PPARγ)、PGC-1α等在内的下游靶标脱乙酰化,降低动物体内TG、TC的合成代谢,抑制高脂血症的发生[28]。
图2 LKB1-AMPK信号通路与能量代谢[5]
初欣欣等[29]研究表明:高脂血症会触发AMPK表达量下降,抑制AMPK信号通路及其下游靶分子使血清TC、TG、LDL-C和FFA含量升高,进一步促进金黄地鼠高脂血症的发展。孙乐等[6]的研究中,通过高脂饲料诱导小鼠之后血清TC、TG水平明显升高,形成了典型的高脂血症,添加粗壮女贞后促进LKB1磷酸化并激活AMPK信号通路,降低高脂血症金黄地鼠TC、TG、LDL-C 水平,从而改善高脂血症水平。沈彦君[30]的研究表明,毛冬青皂苷可通过活化AMPK信号通路及下游脂生成、脂肪酸β氧化基因进而改善高脂饮食诱导的大鼠高脂血症,使高脂血症大鼠血清中TC、TG等水平降低,HDL-C水平升高。Long和Zierath等[31]研究表明:在果糖诱导的大鼠高脂血症模型中添加绿茶能明显降低肝脏FASmRNA和蛋白表达水平,增加AMPK的磷酸化水平,显著降低血清中TG和TC的含量。
奶牛肝脏过表达AMPKα可显著促进其下游靶基因的表达,进而激活LKB1,可有效加速脂氧化,降低血浆脂质TC、TG含量,使脂肪氧化与合成的比值增加[32],抑制奶牛高脂血症的发生。此外,LKB1-AMPKα信号通路可通过脂代谢关键调控因子PPARα、SREBP-1c、碳水化合物反应元件结合蛋白(Carbohydrate response element binding protein,ChREBP)等实现对奶牛高脂血症的调控。当LKB1激活AMPKα后,可使PPARα增强长链脂酰CoA合成酶(Long-chain acyl-CoA synthetase,ACSL)、肉碱棕榈酰转移酶1 (Carnitine palmitoyltransferse1,CPT1)、ACC氧化酶(1-Aminocyclop ropane-1-carboxylic acid oxidase,ACO)的表达和生物活性,促进长链脂肪酸进入线粒体,增加脂肪酸氧化能力,抑制脂肪酸合成[33],从而调控奶牛高脂血症的发生。LKB1-AMPKα是负性调控SREBP-1c活性的上游通路之一,能够阻止SREBP-1c蛋白水解[34],磷酸化SREBP-1c丝氨酸372,进而下调脂质合成相关基因ACC、FAS及硬脂酰辅酶A去饱和酶1(Stearoyl-CoA desaturase1,SCD1)、胆固醇合成酶(3-Hy-droxy-3-methylglutaryl coenzyme A,HMG-CoA)、HMG-CoA还原酶等的表达和转录水平[35],结果导致脂肪酸和TG含量减少,从而抑制奶牛高脂血症的发生。ChREBP分子中同样有AMPKα的磷酸化位点,当LKB1表达升高磷酸化并激活AMPKα后,直接磷酸化ChREBP,使其失去转录活性并阻止与DNA结合,抑制其靶标基因ACCα和FAS等的表达,进而降低脂肪酸的合成[36],抑制了奶牛高脂血症的发生。
徐晶等[21]对能量负平衡小尾寒羊的研究表明:能量缺乏激活了AMPKα,使脂代谢关键酶 GPAT 及 ACC 的活性下降,高脂血症指标TG、TC含量降低,抑制了脂代谢紊乱性疾病的发生。Lin等[37]研究发现,茶多酚能促进AMPK与LKB1的激活表达,进而抑制ACCα活性,降低高脂血症指标。何坤[38]研究表明:绿茶多酚通过PI3K/AKT/AMPK-LKB1信号通路,抑制FAS的相对表达量,降低犬血清内TC、TG含量,升高HDL的含量,抑制了犬高脂血症的发生。朱海波[39]研究证明虫草素衍生物对叙利亚金黄地鼠、家兔和巴马小型猪、Beagle犬等高脂血症动物均具有显著的降血脂功能,其可能与AMPKγ调节亚基直接结合,增强AMPK活性,继而激活其上游LKB1,抑制其信号通路下游TC和TG合成调控蛋白ACC的活性,促进脂肪酸氧化,从而抑制多种动物高脂血症的发生。因此,当LKB1-AMPKα信号通路表达增强后,脂肪酸氧化分解增强,TG、TC含量降低,脂质蓄积减少,抑制了动物高脂血症的发生。所以LKB1-AMPKα信号通路在动物高脂血症中起核心调节作用。
综上所述,LKB1-AMPKα相关信号通路可通过调节高脂血症主要指标TC、TG等的合成与转化及脂合成、脂氧化基因来控制动物高脂血症的发生和发展,其与高脂血症密切相关,当此信号通路出现功能失调时,高脂血症及其一系列并发症就会产生,导致脂质代谢综合征的形成。
4 小结及展望
随着对LKB1-AMPK信号通路进一步深入研究,其上下游靶蛋白的种类及数量将逐渐被发现,相互作用的机理将逐渐被阐明,可能为治疗动物高脂血症等代谢性疾病提供新的作用靶点。在LKB1-AMPKα信号通路对动物高脂血症的研究中,应结合其上游的基因、下游的靶蛋白,绘制动态调控网络,并探究其相互作用的机制,以期为动物高脂血症及其相关研究提供依据。此外,调控动物高脂血症的信号通路不只LKB1-AMPKα一条,是一个复杂的网络,在后续的研究中,如果能发现其他重要的信号通路以及这些信号通路之间的相互作用方式,或将为动物高脂血症的防治打开另一扇大门。