《Nature Reviews Molecular Cell Biology》：对AMPK的激活和功能的新见解

AMP激活蛋白激酶（AMPK）的经典作用是作为一种细胞能量感受器，在能量状态下降时被激活，信号是AMP / ATP和ADP / ATP比值的增加。AMPK一旦激活，通过促进ATP生成分解代谢途径，同时抑制能量消耗过程，从而恢复能量稳态。越来越多的研究发现，AMPK在肥胖、糖尿病等多种代谢性疾病的发生发展中起到重要的作用。

《Nature Reviews Molecular Cell Biology》（IF=113.915）是国际公认生命医学领域的顶级期刊，期刊主要刊载分子生物学、细胞生物学等研究方向的学术论文。2022年10月31日，该杂志在线发表一篇综述《New insights into activation and function of the AMPK》。在这篇综述中，作者主要关注AMPK的最新非典型途径，包括AMPK感知线粒体、DNA和溶酶体损伤，探讨了AMPK在癌症、肥胖、糖尿病、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)和其他疾病中的作用，揭露了科研人的宠儿AMPK激活和功能的新见解。1.线粒体、DNA和溶酶体损伤激活AMPK机制

1.1 AMPK在感知和响应线粒体损伤中的作用（图1a）

由于氧化损伤或线粒体抑制剂，位于嵴基质表面的ATP合酶受到抑制，增加线粒体内ADP / ATP比值。而后通过ADP/ATP转位酶传递到膜间/嵴间空间中，ADP / ATP比率的增加，反过来又将AK2催化的ADP向AMP的可逆转化转变为AMP，激活AMPK，从而促进线粒体生物发生、分裂和线粒体自噬，以维持线粒体稳态。

1.2 AMPK在DNA损伤和修复中的作用（图1b）

DNA损伤导致核Ca2+增加，可能是由于其从核包膜释放，尽管其确切来源仍不清楚。同时，DNA损伤可能通过DNA损伤敏感激酶ATM/ATR和CHK2下游p53的激活触发细胞凋亡。促凋亡因子caspase 3的激活，将AMPKα1的核输出信号NES裂解，使其从细胞质净转位到细胞核。在细胞核中，含α1的AMPK复合物被Ca2+/CaMKK2（由Ca2+升高触发）磷酸化并被激活。AMPK磷酸化并抑制外切酶EXO1和53 BP1，协助DNA损伤修复。

1.3AMPK在感知和响应溶酶体损伤中的作用（图1c）

在未受损的溶酶体中，去泛素化酶USP9X从溶酶体表面去除泛素簇。溶酶体损伤暴露LAMP1/2上的管腔聚糖，招募细胞质凝集素GAL9。这又将AMPK和TAK1招募到溶酶体表面，同时取代USP9X。USP9X缺失增强了溶酶体表面泛素簇的形成，从而触发自噬体的吞噬，同时也促进了TAK1复合体上k63连接的多聚泛素链的形成，导致其活化和随后的AMPK活化。AMPK促进溶酶体自噬，可能涉及ULK1的磷酸化，同时激活TFEB/TFE3来刺激新的溶酶体成分的生物发生。

图1. 线粒体、DNA和溶酶体损伤激活AMPK机制示意图

2.AMPK在癌症中的作用

研究发现，AMPK在已知的肿瘤抑制因子LKB1的下游起作用，并可能介导其许多的下游效应，这就提出了一个明显的问题：AMPK是否是一种肿瘤抑制因子？这一观点最初得到了几个论据的支持。首先，AMPK抑制大多数生物合成途径（图2）；其次，AMPK抑制了促进生长的mTORC1途径，该途径在许多癌症中被激活；最后，使用AMPK激活药物二甲双胍治疗2型糖尿病被发现与较低的癌症风险有关（尽管目前并不能证明风险的降低是否由于二甲双胍在肿瘤祖细胞中自主激活了AMPK）。图2. AMPK通过不同的磷酸化来维持细胞稳态

在最近一项关于T细胞急性淋巴细胞白血病/淋巴瘤（T-ALL）的研究中，Prkaa1基因（编码AMPKα1，是胸腺中发育中的T细胞唯一表达的AMPK催化亚基）以T细胞特异性方式被敲除时，所产生的肿瘤发病更早，发展更快，表明肿瘤祖细胞中特异性AMPK的丧失促进了肿瘤的发生。但另一项关于同一癌症类型的研究得出了相反的结论，研究发现，Prkaa1的敲除抑制了T-ALL的活化和功能，表明AMPK的存在促进了癌症的发生。

这两项研究类似的研究为何会得出截然相反的结论？在第一个模型中，AMPK是在T-ALL发展之前被删除的，而在第二个模型中，AMPK是在T-ALL发展之后（通过注射他莫昔芬）被删除的。这表明AMPK最初可以作为一种肿瘤的抑制剂。然而，如果在肿瘤发生后（尽管AMPK做出了最大的努力来防止），AMPK就会转化为肿瘤的促进者，保护肿瘤细胞免受其快速生长所带来的压力。这也表明，AMPK作为抑制剂，而不是激活剂，更有可能在治疗已存在的癌症中找到一席之地。

3.AMPK与肥胖

AMPK的激活可以影响整个身体的能量摄入和能量消耗，因此可能是治疗肥胖症的一个重要靶点。对暴露在寒冷中的小鼠或用胃泌素处理的小鼠的研究发现，激活下丘脑中的AMPK通过ACC的磷酸化来刺激食欲，而下丘脑AMPK减少的小鼠消耗的热量更少。减少下丘脑神经元中的AMPK也会通过激活交感神经对棕色脂肪组织的驱动来刺激能量消耗。相比之下，使用去甲肾上腺素或β3-肾上腺素激动剂、AMPKβ1激活剂（A-769662）或基因突变（AMPK-γ1的D316A突变）激活脂肪组织中的AMPK，可以促进线粒体脂肪酸氧化和能量消耗，导致高脂肪饮食的小鼠体重增加减少。

总的来说，这些数据表明了中枢和外周效应之间的二分法，即在大脑中抑制AMPK，但在脂肪细胞中激活，对于抑制食欲而刺激能量消耗以减轻体重是可取的。

4.AMPK与糖尿病

AMPK在肥胖、胰岛素抵抗小鼠和人类的骨骼肌中活性降低，鉴于AMPK增加肌肉葡萄糖摄取的作用，AMPK早已被认为是糖尿病的潜在治疗目标。二甲双胍、SGLT-2抑制剂卡格列净和水杨酸盐，都能直接或间接通过抑制线粒体功能激活AMPK。在过去的5年中，已经发现抑制Thr172去磷酸化，或与ADaM位点结合并激活含有β1和β2的AMPK复合物的直接AMPK激活剂，能够增加肌肉的葡萄糖摄取并降低2型糖尿病患者的血糖。然而，针对肌肉的一个挑战是，激活含有β2亚基（在骨骼肌和心肌中表达的主要β异构体）的AMPK复合物会促进心脏肥大，这阻碍了AMPK临床药物的开发。避免这种情况的一个潜在方法是以在骨骼肌而不是心肌中高度表达γ3亚基为研究目标（γ3亚基对刺激葡萄糖摄取很重要）。

5.AMPK与NASH

含β1的AMPK复合物对抑制肝脏脂肪生成和通过磷酸化抑制ACC刺激脂肪酸氧化非常重要。当肝脏AMPK的组成性激活，以及一些针对β1异构体的小分子，可以降低肝脏脂质和炎症以及血清胆固醇。与AMPK的间接激活剂（如二甲双胍）结合使用时，效果会增强。重要的是，含有β1的复合物的激活也能减少肝脏纤维化和TGFβ诱导的星状细胞的活化。有趣的是，AMPK的抗纤维化作用与使用ACC抑制剂的观察结果相似，表明ACC的抑制可能是介导AMPK对非酒精性脂肪肝疾病影响的主要机制。AMPK的激活也可能通过磷酸化和抑制caspase 6来防止肝细胞损伤。一种AMPK激活剂（PXL770）最近进入了II期临床试验，发现它能降低2型糖尿病患者的脂肪生成、肝脏脂肪量、血糖（包括空腹血浆葡萄糖和HbA1c）和胰岛素抵抗，但不降低血清甘油三酯的水平。

总之，这些结果表明，针对含β1的复合物可能会减少NASH并改善葡萄糖平衡，尽管还需要进一步研究以确定它是否也会有效地减少临床人群的纤维化。

6.针对AMPK的新兴领域

最新的研究表明AMPK激活剂对常染色体多囊肾病、炎症性肠病、肌肉萎缩症、神经元损失和X-连锁肾上腺白质营养不良症产生有益的治疗作用。延长小鼠寿命的抗衰老疗法达沙替尼和槲皮素，也是AMPK的激活剂。然而，重要的是要考虑到AMPK的长期激活可能有不良的副作用，包括潜在的心脏和肾脏肥大、阿尔茨海默病等。因此，针对组织的和短暂的（而不是持续的）AMPK激活，类似于日常运动，可能是以上疾病治疗的关键。

总结与展望

综上，AMPK不仅调节新陈代谢，还调节细胞功能，如自噬、线粒体和溶酶体的平衡、DNA修复和免疫。尽管如此，大多数这些机制的基本原理仍然是保护腺嘌呤核苷酸库，更广泛地说，是保护能量平衡。因此，AMPK这一名称仍然是合适的。从药物开发的角度来看，AMPK的多样性导致了人们对针对AMPK可能产生意外后果的担忧。尽管在非人灵长类动物中使用强效泛β激活剂观察到心脏肥大，但在针对2型糖尿病和/或心血管疾病患者的临床研究中发现适度使用AMPK激活剂是安全有效的。进一步的研究将揭示AMPK新的底物和作用，这可能会扩大潜在AMPK在各个疾病领域的治疗应用。