图说AMPK及其信号通路的功能

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AMPK作为调控能量稳态的重要激酶,是真核生物细胞和有机体代谢的中心调节剂之一,负责监管细胞的能力输入和输出,维持细胞生理活动的平稳运转。同时,AMPK也是一个参与多种信号传导通路的关键蛋白。

AMPK可以阻止肿瘤快速增殖的新陈代谢,以及恢复糖尿病患者肝脏和其他组织的正常功能是疾病研究中的热点,每年与其相关的研究论文都在千篇以上。接下来,我们将通过分析一些文章图片,来概述一下AMPK及其相关信号通路的功能和最新研究进展。

AMPK结构

AMPK三维立体图

图源:AMPK: a nutrient and energy sensorthat maintains energy homeostasis

目前还没有完整的AMPK异源三聚体的结构,但各结构域的结构已通过X射线晶体学确定。如上图,结晶结构主要为β-亚基的羧基末端结构域(β-CTD)、α-亚基(α-CTD) 的C末端结构域以及γ-亚基的CBS结构域组成。

AMPK的常规激酶结构域在α-亚基的N末端,紧接着是自身抑制结构域(AID)。在AID之后有延伸的“linker peptide”(图中红色部分),将AID连接至α-亚基羧基末端结构域(α-CTD)。AMPK的β-亚基含有碳水化合物结合模块(CBM)可能用于AMPK与糖原合成酶等靶点结合,这一功能还有待验证。β-亚基C-末端结构域(β-CTD)与α-CTD和γ-亚基相互作用,从而形成复合物的核心。

AMPK的γ-亚基含有四个串联重复的CBS(CBS1-CBS4)。这些串联重复发生在少数其他蛋白质(如胱硫醚β-合酶)中,通常仅作为两个重复组装形成Bateman结构域,在重复之间的裂缝中具有配体结合位点。CBS中心包含四个潜在的配体结合位点。

AMPK结构示意图

图源:AMPK: a nutrient and energy sensorthat maintains energy homeostasis

 

虽然还没有AMPK异源三聚体的完整结构图,但是研究人员利用分子生物学技术绘制了其结构示意图,用来解释AMPK的生理功能。

AMPK结构与激活机制

图源:AMPK: guardian of metabolismand mitochondrial homeostasis

当上游激酶CAMKK2被细胞内钙离子激活,LKB1与STRAD和MO25组成异源三聚体时,AMPK机制激活。导致AMPK活化的因素有氧气应激、葡萄糖饥饿、运动以及线粒体毒物等,激活AMPK的药物主要为小分子变构激活剂(左侧)和AMP仿制药AICAR。AMPK活化的作用就是促进分解代谢以减少合成代谢的过程,也就是减少ATP消耗,增加ATP合成的过程,从而维持能量平衡。

AMPK功能

 

AMPK活化对细胞代谢的影响

图源:AMPK: guardian of metabolismand mitochondrial homeostasis

如图所示,AMPK一旦激活,主要调控在哺乳动物的四大类代谢:蛋白质代谢、脂质代谢、糖类代谢以及自噬和线粒体稳态,几乎包含生命体的整个生理代谢活动。

AMPK与自噬

自噬生理过程

图源:AMPK: guardian of metabolismand mitochondrial homeostasis

自噬,主要功能是降解过大的细胞结构(如泛素-蛋白酶体系),并通过重复利用氨基酸来维持细胞功能,使细胞在饥饿条件下存活。

自噬主要通过必需基因-ATD调控。在自噬起始后,ULK1磷酸化并激活由VPS34、VPS15、ATG14L和Beclin1组成的PI3K复合物。该复合物在新生的自噬体膜上产生磷脂酰肌醇-3-磷酸(PtdIns3P),形成含有ATG9的吞噬膜。ATG9是唯一的跨膜ATG蛋白。其先前通过ATG4、ATG7和ATG3(LC3I)的作用活化,产生LC3II。LC3II用作自噬的标记物以显现自噬体并定量细胞中的自噬,但它也允许自噬受体如SQSTM1、NDP52、NBR1和OPTN的结合。随后,自噬体成熟并与溶酶体融合,溶酶体是由VPS34、VPS15、Beclin1和UVRAG组成的复合物介导的过程,以诱导溶酶体酶降解目的细胞。

AMPK调节自噬的详细机制

图源:AMPK: guardian of metabolismand mitochondrial homeostasis

AMPK激活后,使TSC2和RAPTOR磷酸化,从而导致mTOR复合物1(mTORC1)的下调。mTORC1复合物由mTOR、RAPTOR、mLST8、DEPTOR和PRAS40组成。

AMPK激活也会磷酸化ULK1,促进其活性,激活自噬过程。

AMPK作为线粒体的“Cash for Clunkers”

图源:“The AMP-activated protein kinase (AMPK) signaling pathway coordinates cell growth, autophagy, & metabolism”

活化的AMPK通过ULK1激活线粒体自噬过程,同时通过PGC-1a转录调控新的线粒体产生。

AMPK的这种双重调控过程可以用新的功能性线粒体替换缺陷性的线粒体,实现线粒体的“净化作用”,在许多生理及病理中起到关键作用。

AMPK信号通路

AMPK信号通路

图源:“The AMP-activated protein kinase (AMPK) signaling pathway coordinates cell growth, autophagy, & metabolism”

由于各种生理应激或药理学诱导物的作用,使细胞中的AMP和ADP水平升高时,AMPK被激活。LKB1是响应AMP增加而激活它的上游激酶,而CAMKK2响应钙增加而激活AMPK。活化的AMPK直接磷酸化许多基质以急剧影响代谢和生长,以及磷酸化许多介导长期代谢重编程的转录调节因子。红色标记分子除了作为AMPK的底物外,还可作为体内其他AMPK家族成员(SIK1、SIK2、MARKs、SADs)的底物。

AMPK信号通路与mTOR通路存在交叉

图源:“The AMP-activated protein kinase (AMPK) signaling pathway coordinates cell growth, autophagy, & metabolism”

在营养缺乏的情况下,AMPK是抑制细胞生长的代谢检查点。

这一机制是通过抑制mTORC1通路实现的。AMPK可以直接磷酸化Raptor,阻断mTORC1激酶复合物磷酸化其底物的能力。当然mTOR还参与细胞自噬过程。

LKB1是AMPK的上游激酶,是Peutz-Jeghers综合征(PJS)中突变的肿瘤抑制基因,也是散发性肺癌和宫颈癌的重要部分。PJS患者与遗传有缺陷的PTEN或TSC肿瘤抑制因子的患者具有许多相同临床特征,已经发现通过致癌Ras和PI3K途径对AMPK通路的广泛交叉调节,将mTORC1作为药物靶点。

AMPK信号通路与NFκB通路相互作用

图源:“AMPK in Lymphocyte Metabolism and Function”

AMPK信号通路与免疫衰老炎症有关。

在年轻细胞中,AMPK表达量高,促进SIRT1、FOXO、PGC1α和p53等因子活性,进而抑制NFκB活性。AMPK保护细胞免受线粒体功能障碍,抑制内质网和氧化应激,而内质网和氧化应激是NFκB信号传导的有效诱导剂。在细胞老化后,AMPK活性降低,从而增强NFκB信号传导。

 

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以上的分析只是AMPK研究的“冰山一角”,还有很多理论知识没有解决。本文主要集中在AMPK激活的研究,如结构、上游激酶及相关细胞因子的研究,还有AMPK调节代谢的机制、细胞自噬。已有研究证明AMPK对心血管疾病、肿瘤细胞的治疗都起到了很重要的作用。

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