AMPK信号通路及其在感染性疾病中的研究进展

颜明智，赵军，刘辉，毕晓娟，吕国栋

1.新疆医科大学第一附属医院临床医学研究院省部共建中亚高发病成因与防治国家重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830054；2.新疆医科大学药学院；3.新疆医科大学第一附属医院药学部临床药学科

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一种AMP依赖性蛋白激酶，在能量代谢调节方面起到关键性作用[1]。当病毒、细菌或者寄生虫等病原体侵入宿主后，会调节AMPK活性，从而影响宿主对病原体感染的防御机制，以满足病原体的生长发育条件[2-4]。近年来研究发现，不同的病原体感染对AMPK信号通路的影响不同，针对AMPK信号通路设计的靶向药物或小分子有助于控制病原体感染。本文将对AMPK信号通路在相关感染性疾病中的研究进行综述。

1 AMPK及其信号通路概述

1.1AMPK的亚基组成 AMPK是一种异三聚体丝氨酸/苏氨酸激酶，由催化α亚基与β和γ两个调节亚基复合而成[5]。每个亚基都存在多种亚型(α1、α2、β1、β2、γ1、γ2和γ3)，这些亚型可以组成12种AMPK复合物[6]，研究[7]表明，不同亚基组成的AMPK复合物对不同类型的应激刺激会出现相应反应。α亚基的N端具有一个丝/苏氨酸蛋白激酶的催化区域，中间的自抑制区域与C末端的亚基结合区域上含有变构结合位点，可以参与AMP的结合。α亚基主要负责催化作用，其中苏氨酸172(Thr172)位点的磷酸化是AMPK活化所必需的[8]。β亚基常被视作α与γ亚基的连接支架，但随着对其深入了解，研究人员发现β亚基也可通过调节AMPK复合物的磷酸化状态以及活性，从而参与AMPK的功能表达[9]。γ亚基含有四个胱硫醚β-合成酶结构域，当四个结构域串联后形成了Bateman结构域，该结构域提供了两个结合位点，分别用于结合激活性核苷酸AMP和抑制性核苷酸ATP，当Bateman结构域发生改变时，会影响AMPK与AMP的结合能力，进而影响细胞能量代谢[10]。

1.2AMPK信号通路

1.2.1AMPK的活化 AMPK在AMPK信号通路中处于中心环节。一方面，当ATP与AMP/ADP的比例下调，如机体运动、细胞增殖、缺氧或氧化应激时，ADP可与AMPK的γ亚基上的腺苷酸结合位点相结合，致使AMPK结构改变进而直接激活AMPK磷酸化，从而产生ATP的分解代谢途径[1]；另一方面，AMPK上游激酶可以通过AMPK上的作用位点——Thr172完成AMPK的磷酸化过程[11]。研究[12-13]发现，肝激酶 B1(Liver kinase B1，LKB1)、钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶(Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinase kinase，CaMKK)和转化生长因子激酶1(TGF β-activated Kinase 1，TAK1)是三种具有激活AMPK作用的上游激酶。LKB1与折叠蛋白MO25、STRAD组成上游激酶复合物，是一种主要的AMPK上游激酶，LKB1可以直接通过磷酸化AMPK α亚基上的Thr172激活AMPK[14]。在LKB1缺失的细胞中，Ca2+浓度增加会激活CaMKK，进而使AMPK活化。此外，Mungai等[15]发现，活性氧物质(Reactive oxygen species，ROS)通过激活钙释放激活钙离子(Ca2+-release-activated Ca2+，CRAC)通道，导致细胞内Ca2+增加，从而激活AMPK上游激酶CaMKK2。目前，虽然Momcilovic[12]已证明TAK1能够在体外激活AMPK，但有关TAK1激活AMPK的机制尚不明了。

1.2.2AMPK对代谢的调节作用 当机体发生能量应激时，AMPK直接磷酸化并参与多种代谢途径，以恢复能量平衡。AMPK对代谢的影响大致可分为两类：抑制合成代谢(减少ATP的消耗)和促进分解代谢(刺激ATP的产生)。

1.2.2.1AMPK对合成代谢的抑制 蛋白质翻译是细胞中ATP的主要消耗因素，AMPK通过调节哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)来调节这些过程[16]。AMPK活化后直接抑制mTOR复合物1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)，进而抑制mTOR活性，导致细胞生长减缓和蛋白质合成减少[17]。乙酰辅酶A羧化酶(Acetyl-CoA carboxylase，ACC)作为一种脂肪酸合成途径的限速酶，其控制着脂肪酸的合成过程，同时它也是AMPK的下游靶点[18]。AMPK活化后，激活ACC1第79位上的苏氨酸磷酸化位点，从而降低ACC表达，抑制脂肪酸的合成[19]。AMPK-ACC信号通路与多种代谢性疾病相联系，在糖尿病[20]、肥胖症[21]和高血酸尿症[22]等疾病的治疗可作为重要的药物靶点。

1.2.2.2AMPK对分解代谢的促进 为了补充ATP，AMPK促进大分子分解以产生更多的ATP供能，其中主要包括葡萄糖代谢途径和脂质氧化。Wu等[23]报道AMPK活化后诱导硫氧还蛋白互作蛋白(Thioredoxin interacting protein，TXNIP)磷酸化，加速TXNIP降解，从而增加GLUT1对葡萄糖的摄取。AMPK还通过磷酸化6-磷酸果糖-2-激酶同工酶3(6-phosphofructo-2-kinase 3，PFKFB3)，从而影响糖酵解过程中的限速酶6-磷酸果糖激酶-1(6-phosphofructokinase1，PFK1)的活性，以刺激糖酵解产生更多的ATP[24]。除了加速细胞葡萄糖的摄取，AMPK还通过分解细胞中存储的脂质，以产生更多的ATP。Ahmadian等[25]研究报道，AMPK磷酸化后通过增加脂肪酶如脂肪甘油三酯脂酶(Adipose triglyceride lipase，ATGL)活性，将甘油三酯分解成脂肪酸，并将游离的脂肪酸导入线粒体进行β氧化，以产生大量能量。

2 AMPK在病毒性感染中的相关机制

AMPK是糖脂代谢过程中的重要调节因子，AMPK的药理学活性对病毒在细胞中的脂质积累以及自身复制具有重要作用[26]。丙型肝炎病毒(Hepatitis C virus，HCV)是引起慢性肝病的主要病原体，在世界范围内广泛传播[27]。Yu等[28]发现，HCV感染后增加了宿主细胞内活性氧水平，改变了NAD/NADH比值，降低沉默信息调节因子1(Silent information regulator 1，SIRT1)和AMPK的水平，从而改变肝细胞的代谢，这种机制与肝脏代谢性疾病的发病有关。EB病毒(Epstein-Barr virus，EBV)是一种疱疹病毒，易引发淋巴瘤和鼻咽癌[29]。Lo等[30]报道，EBV中的潜伏性膜蛋白1(Latent membrane protein-1，LMP1)促使LKB1/AMPK信号通路失活，使用AMPK激活剂AICAR(5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofurano side)可以激活AMPK并阻断LMP1介导的鼻咽上皮细胞增殖和转化，提示AMPK是一种潜在的抗EBV药物靶点。此外，研究人员发现通过AMPK激活剂(二甲双胍、A769662和AICAR)可以激活被柯萨奇病毒B3(Coxsackievirus B3，CVB3)感染的宿主细胞中的AMPK，进而抑制细胞中的脂质积累以限制CVB3的复制[31]。

AMPK作为细胞能量稳态的主要调节剂，受病原体与宿主细胞环境的影响而发生变化，激活AMPK也可能会促进病毒感染宿主细胞。人巨细胞病毒(Human cytomegalovirus，HCMV)隶属于疱疹病毒，该病毒通过CaMKK激活宿主细胞中的AMPK，增加GLUT4对葡萄糖的转运，从而增加宿主细胞复制，而AMPK抑制剂Compound C可以阻断HCMV诱导的糖酵解过程，从而减弱HCMV复制[32]。除了影响糖代谢，一些病毒还可以通过诱导宿主细胞的自噬，以利于自身复制。呼吸道合胞病毒(Respiratory Syncytial Virus，RSV)通过AMPK/mTOR信号通路激活自噬，抑制宿主细胞凋亡来增强自身复制能力[33]。蓝舌病毒(Bluetongue Virus，BTV)是一种双链片段RNA病毒，通过激活AMPK诱导宿主细胞自噬以利于病毒自身复制[34]。

3 AMPK在细菌性感染中的相关机制

致病性细菌寄生于宿主后，通过调控AMPK信号通路以改变宿主代谢环境，并通过与宿主竞争必要的能源用于满足自身生长发育的要求[35]。此外，在对感染苏云金芽孢杆菌的秀丽隐杆线虫模型的转录组学和蛋白质组学分析中发现，AMPK可作为免疫应答的调节剂在细菌感染中发挥作用[36]。鼠伤寒沙门氏菌(Salmonellatyphimurium，S.typhimurium)是一种兼性的细胞内革兰氏阴性病原体，可引起人类胃肠炎和鼠伤寒。Raja等[3]发现鼠伤寒沙门氏菌早期感染可以激活AMPK，但随着感染的进行，鼠伤寒沙门氏菌迫使Sirt1/LKB1/AMPK复合物在溶酶体中降解，即限制AMPK活性，导致mTOR活化从而抑制宿主细胞自噬，以利于鼠伤寒沙门氏菌自身繁殖。Liu等[37]使用AMPK抑制剂Compound C抑制被鼠伤寒沙门氏菌感染的宿主细胞AMPK后，鼠伤寒沙门氏菌复制增加。嗜肺军团菌(Legionellapneumophila)是一种引起急性发热性呼吸道疾病的病原体[38]。Lisa等[39]研究报道，嗜肺军团菌的感染上调了线粒体生物发生和AMPK表达，线粒体受损的细胞较正常细胞更有利于嗜肺军团菌的增长繁殖。流产布鲁氏菌(Brucellaabortus)是一种细胞内感染的细菌病原体，易导致动物流产和不孕，对于人类致病性相对较弱[40]。ROS是一种重要的杀菌物质，但流产布鲁氏菌会抑制宿主细胞中的ROS产生[41]。Liu等[42]证实流产布鲁氏菌感染激活了肌醇需求酶1(Inositol-requiring enzyme 1，IRE1)导致AMPK活化，并抑制了ROS的产生从而促进流产布鲁氏菌感染。Patkee等[43]在对铜绿假单胞菌的研究中发现，AMPK激活剂二甲双胍和AICAR可以通过限制葡萄糖的渗透性来减少气道上皮细胞内的铜绿假单胞菌感染。

4 AMPK在寄生虫感染中的相关机制

寄生虫需要寄生于宿主并从宿主环境中获取氮、氨基酸、核糖、半乳糖和葡萄糖等营养物质，从而有利于自身的生存和繁衍[44]。因此，宿主与寄生虫之间能量的动态相互作用是有效协调寄生虫不同发育阶段的必要条件，而AMPK在该过程中扮演了重要的角色[45]。Choi等[46]发现人体健康和体内稳态的必需营养素ω-3多不饱和脂肪酸(ω3 Polyunsaturated fatty acids，ω3-PUFAs)通过上游激酶CaMKKβ激活AMPK信号通路，诱导弓形虫感染的巨噬细胞发生自噬，从而限制了细胞内弓形虫的生长和繁殖。Moreira等[47]发现在利什曼原虫感染的巨噬细胞中，婴儿利什曼原虫通过激活宿主细胞的LKB1/AMPK和SIRT1引起宿主细胞的代谢发生转变，将早期糖酵解代谢转变成氧化磷酸化，以增加巨噬细胞对婴儿利什曼原虫的能量供应。Ruivo等[48]发现寄生于红细胞内的疟原虫可以降低宿主细胞中AMPK活性，利用AMPK激活剂水杨酸盐激活宿主的AMPK信号通路，对寄生于红细胞内的疟原虫导致的肝感染产生抑制。Kluck等[4]发现在夏氏疟原虫感染的状态下，AMPK活化受抑制，从而上调ACC的表达，促进毛细血管内皮细胞中的脂质积累，疟原虫从中获取能量来源；当AMPK激活剂二甲双胍激活AMPK后，会限制宿主对寄生虫的脂质供应，从而抑制血液中疟原虫的生长和繁殖。除了影响宿主的糖脂代谢功能，寄生虫还可以通过逃避宿主细胞自噬而免于被清除。Zhu等[49]发现，日本血吸虫感染导致宿主巨噬细胞中的白细胞介素7(Interleukin-7，IL-7)升高，并激活宿主巨噬细胞中的AMPK，促使日本血吸虫卵抗原触发的巨噬细胞自噬功能下降，而AMPK抑制剂Compound C可以增加自噬小体的数量并促进自噬的发生。对于胞外寄生虫，如细粒棘球绦虫，其进入宿主体内后自身的合成代谢能力严重退化，但具有完整的糖酵解、三羧酸循环和戊糖磷酸等代谢通路[50-51]。Loos等[52]在细粒棘球蚴中成功克隆出了AMPK蛋白，并发现AMPK激动剂二甲双胍在体内和体外对细粒棘球蚴感染均有一定的治疗效果，这提示AMPK是一个潜在的抗包虫药物靶点。

5 总结及展望

宿主与病原体之间的相互作用是一个动态的过程，在感染的早期和中后期这一过程可能会发生变化，双方都在竞争以获取更多的能量来满足自身的发育，而病原体往往占据主导地位。除了从宿主环境中获得能量，病原体还可以逃避宿主“追捕”，即逃避自噬，免于被宿主清除。由于病原体的种类繁多，致病机制也各不相同，目前尚无法完全了解病原体与宿主之间的能量代谢关系，但AMPK信号通路显然在感染性疾病中扮演了重要的角色。病原体对AMPK的激活或者抑制往往取决于自身的生长状态，但最终目的仍然是为了使病原体更好的生长繁殖。对AMPK激活或者抑制往往会影响脂质代谢、糖代谢以及蛋白质合成等一系列反应，AMPK的双重作用迫使我们需要探究AMPK的上游和下游蛋白的表达，以利于我们探明感染性疾病的致病机制，并针对AMPK及其信号通路设计针对性的药物分子。总而言之，AMPK有望成为感染性疾病中的重要靶点。