付大波，楊震國，王 蕾，張 偉，肖 飛

（武漢工業(yè)學院動物營養(yǎng)與飼料科學湖北省重點實驗室，武漢 430023）

腺苷一磷酸激活蛋白酶（AMPK）能感知細胞能量代謝狀態(tài)的改變，維持機體的能量代謝平衡。當細胞內能量缺失時，AMPK被磷酸化激活，抑制消耗ATP的合成代謝過程，啟動生成ATP的分解代謝過程。AMPK的活性受到許多因素的調控，本文對AMPK活性的調控因素作一概述。

1 AMPK的分子結構

AMPK在真核細胞生物中廣泛存在，屬絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。其是由催化亞基α、調節(jié)亞基β和γ組成的一個異源三聚體。3個亞單位在AMPK的穩(wěn)定性和活性中有各自特殊的作用。α亞基含有2個功能區(qū)：一個N端激酶結構域和一個C端結構域，兩者大小基本相等。N端是催化核心部位，C端負責與β和γ亞基結合。β亞基N端區(qū)域之后緊跟著兩個保守的結構域-KIS和ASC，ASC結構域為形成穩(wěn)定有活性的 α、β、γ復合物所必需，KIS結構域為β亞基上的功能性糖原結合結構域[1-2]。β亞單位相當于一個支架，分別將α、γ亞基錨定在其上的KIS和ASC區(qū)域，γ亞基有4個串行重復的CBS區(qū)域，使得AMPK易感知AMP/ATP的變化[3]?，F(xiàn)已證實，其上游腺苷一磷酸激活蛋白激酶（AMPKK）磷酸化AMPK的主要位點是位于其催化部位α亞基的Thr-172，這一位點的磷酸化對于該酶的激活是必需的[4]。

2 AMPK的活性調節(jié)

2.1 AMP依賴通路

AMPK受AMP和ATP比值的調控，組織缺血、熱應激等均可干擾線粒體內ATP的生成。由于各種因素作用導致AMP/ATP升高，使得AMPK磷酸化激活，機體通過抑制合成過程保護 ATP水平[5]。AMP變構激活AMPKK、AMP與磷酸化的 AMPK結合，使AMPK成為蛋白磷酸酶-2C（PP2C）更差的底物、AMP與未磷酸化的 AMPK結合，使AMPK成為AMPKK更好的底物、直接變構激活 AMPK的作用。AMP對AMPK活性的促進作用受到高濃度的ATP所抑制，AMP與AMPK的親和力也會因ATP濃度的升高而下降，因為ATP可與AMP競爭AMPK上的變構位點。

有研究報道，導致ATP缺失的細胞應激能引起 AMPK的激活，如三羧酸循環(huán)、呼吸鏈或者ATP合成酶抑制劑以及氧化磷酸化的解耦聯(lián)劑均能激活AMPK，缺血、缺氧等造成的AMP/ATP升高也能使AMPK磷酸化激活[6]。

2.2 非AMP依賴通路

5-氨基－4甲酰胺咪唑核糖核苷酸（AICAR）在細胞內磷酸化成 AMP的類似物 5-氨基咪唑－4甲酰胺核糖核苷（ZMP）磷酸化激活AMPK[7]。研究表明，糖原直接影響AMPK的活化狀態(tài)，而不影響老鼠骨骼肌中的腺苷酸水平[8]。AMPK可直接作為糖原傳感器，檢測細胞內能量儲備狀況，肝糖原變構抑制AMPK活性[9]。糖原中由α1,6糖苷鍵連接的支鏈結構比 α1,4糖苷鍵連接的線性結構對AMPK的變構抑制作用更強[10]。蛋白磷酸酶2Cα（PP2Cα）可以抑制AMPK的活性，AMP/ATP減弱了PP2Cα對AMPK的抑制，從而使AMPK磷酸化活性增加[10]。此外脂肪細胞分泌的脂聯(lián)霉素和瘦素通過下丘腦-交感神經系統(tǒng)（SNS）軸磷酸化激活AMPK[11]。在某些細胞里，磷酸肌酸抑制AMPK的活性，當肌酸與磷酸肌酸比值升高時，AMPK被激活[12]。

2.3 AMPK激酶

研究表明，抑癌基因LKB1在體外可直接磷酸化 AMPKα（Thr-172）激活其活性[12-14]。LKB1 最早發(fā)現(xiàn)于Peutz-Jeghers Syndrome（PJS）的研究中，是第一個被發(fā)現(xiàn)的AMPK激酶（AMPKK），是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。LKB1敲除的小鼠胚胎成纖維細胞中，AMPK不能被激活[14]。降血糖藥甲福明二甲雙胍能夠增多LKB1出核轉運進入細胞質中，并通過磷酸化LKB1使得AMPK活化[15]。鈣/鈣調蛋白依賴的蛋白激酶（CaMKK）為AMPK的另一上游激酶，主要表達于神經組織，在嚙齒動物組織中也廣泛存在[16]。在LKB1敲除的小鼠胚胎成纖維細胞中，CaMKK能夠磷酸化激活AMPK[17]。

近年來研究發(fā)現(xiàn)了另外兩種AMPKK：轉化生長因子-β-激活激酶-1（TAK1）和共濟失調毛細血管擴張癥突變基因（ATM）[18－19]。TAK1 為絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，是絲分裂素激活的激酶（MAPKs）家族成員之一。研究表明，HeLa細胞中TAK1可以磷酸化AMPK催化部位α亞基的Thr-172，并能降低LKB1的活性[18]。胰島素樣生長因子Ⅰ（IGF-Ⅰ）可通過ATM和LKB1依賴途徑作用于AMPK的α亞基將其磷酸化激活；IGF-Ⅰ能刺激ATM蘇氨酸和酪氨酸亞基磷酸化，而酪氨酸亞基磷酸化在這個信號通路中是很重要的[20]。

3 展望

AMPK是體內能量平衡的關鍵酶。其被激活后能調控許多營養(yǎng)物質的代謝、蛋白質的合成以及其他的代謝途徑。AMPK能被多種物質通過多種途徑調控，而這些物質又各自與其他各種信號通路有聯(lián)系。對AMPK活性調控機制的研究仍有待更進一步的研究。

[1] Polekhina G,Gupta A,Michell B J,et al.AMPKβsubunit target smetabolic stress sensing to glycogen[J].Current Biology,2003,13（10）:867-871.

[2] Hudson E R,Pan D A,James J,et al.A novel domain in AMP-activated protein kinase causes glycogen storage bodies similar to those seen in hereditary cardiac arrbythmias[J].Current Biology,2003,13（10）:861-866.

[3] Cheung P C F,Salt I P,Davies S P,et al.Characterization of AMP-activated protein kinaseγ-subunit isoforms and their role in AMP binding[J].Biochem Journal,2000,346:659-669.

[4] Stein SC,Woods A,Jones N A,et al.The regulation of AMP-activated protein kinase by phosphorylation[J].Biochem Journal,2000,345（3）:437-443.

[5] Hardie DG,Carling D,Carlson M.The AMP-activated/SNF1 protein kinase subfamily:metabolic sensors of the eukaryotic cell[J].Annual Review of Biochemistry,1998,67:821-855.

[6] Kahn B B,Alquier T,Carling D,et al.AMP-activated protein kinase:ancient energy gauge provides clues tomodern understanding ofmetabolism[J].Cell Metabolism,2005,1（1）:15-25.

[7] Corton JM,Gillespie JG,Hawley SA,et al.5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleoside.A specific method for activating AMP-activated protein kinase in intact cells[J].European Journal of Biochemistry,1995,229（2）:558-565.

[8] Wojtaszewski JF P,Jorgensen SB,Hellsten Y,et al.Glycogendependent effects of 5-aminoimidazole-4-carboxam ide(AICA)-riboside on AMP-activated protein kinase and glycogen synthase activities in rat skeletalmuscle[J].Diabetes,2002,51（2）:284-292.

[9] McBride A,Ghilagaber S,Nikolaev A,et al.The glycogen-binding domain on the AMPK beta subunit allows the kinase to act as a glycogen sensor[J].Cell Metabolish,2009,9（1）:23-34.

[10] Chung T L,Blerina K,Márta K.AMPK as amediator of hormonal signalling[J].Journal of molecular endocrinology,2010,44（2）:84-97.

[11] Minokoshi Y,Kim Y B,PeroniOD,etal.Leptin stimulates fattyacid oxidation by activating AMP-activated protein kinase[J].Nature,2002,415（6 869）:339-343.

[12] Hawley SA,Boudeau J,Reid JL,et al.Complexes between the LKB1 tumor suppressor,STRAD alpha/beta and MO25 alpha/be ta are upstream kinases in the AMP-activated protein kinase cascade[J].Journal of Biochemistry,2003,2（4）:28.

[13] Woods A,Johnstone SR,Dickerson K,et al.LKB1 is the upstream kinase in the AMP-activated protein kinase cascade[J].Current Biology,2003,13（22）:2 004-2 008.

[14] Shaw R J,Kosmatka M,Bardeesy N,et al.The tumor suppressor LKB1 kinase directly activates AMP-activated kinase and regu lates apoptosis in response to energy stress[J].National Academy of Sciences,2004,101（10）:3 329-3 335.

[15] Xi Z L,Dong Y Z,Scholz R.Phosphorylation of LKB1 at serine 428 by protein kinase C-ξis required for metformin-enhanced activation of the AMP-activated protein kinase in endothelial cells[J].Circulation,2008,117:952-962.

[16] Vinet J,Carra S,Blom JM,et al.Cloning ofmouse Ca2+/calmod ulin-dependent protein kinase beta(CaMKKbeta)and charateri zation of CaMKKbeta and CaMKKalpha distribution in the adult mouse brain[J].Brain research Molecular brain research,2003,111（1－2）:216-221.

[17] Hurley R L,Anderson K A,Franzone JM,et al.The Ca2+/Calmodulin-dependent protein kinase kinases Are AMP-activated protein kinase kinases[J].Journal of Biological Chemistry,2005,280（32）:29 060-29 066.

[18] Momcilovic M,Hong S P,Carlson M.Mammalian TAK1 Acti vates snf1 protein kinase in yeast and phosphorylates AMP-acti vated protein kinase in vitro[J].The Journal of Biological Chem istry,2006,281（35）:25 336-25 343.

[19] Fu X,Wan S,Lyu Y L,et al.Etoposide induces ATM-dependent mitochondrial biogenesis through AMPK activation[J].PLoSONE,2008,3（4）:1-10.

[20] Suzuki A,Kusakai G,Kishimoto A,et al.IGF-1 phosphorylates AMPK-alpha subunit in ATM-dependent and LKB1-indepen dent manner[J].Biochemical and Biophysical Research Commu nications,2004,324（3）:986-992.