韓 冬，王貴佐，李滿祥

(西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院第二附屬醫(yī)院呼吸病研究室，呼吸內(nèi)科，陜西西安 710004)

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是一種重要的蛋白激酶，廣泛參與人體內(nèi)的能量代謝活動(dòng)。AMPK作為3-羥基-3甲基戊二酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A reductase，HMGR)和乙酰輔酶A羧化酶(acetyl-CoA carboxylase，ACC)的上游激酶被首次發(fā)現(xiàn)，其自身磷酸化后可抑制HMGR和ACC的活性，HMGR和ACC分別是調(diào)控膽固醇/異戊二烯和脂肪酸合成的關(guān)鍵酶。AMPK亦參與調(diào)節(jié)人體內(nèi)能量形式之間的轉(zhuǎn)化過程，在維持骨骼肌、肝臟和脂肪細(xì)胞中葡萄糖和脂肪酸的動(dòng)態(tài)平衡中發(fā)揮重要作用［1］。隨后的研究發(fā)現(xiàn)AMPK對(duì)能量形式的調(diào)節(jié)作用也存在于下丘腦中，參與下丘腦對(duì)食物攝入、能量消耗、體重等的調(diào)節(jié)功能［2］。

新近的研究發(fā)現(xiàn)，AMPK與多種疾病的發(fā)生、發(fā)展密切相關(guān)。動(dòng)物研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可參與胰島素抵抗的發(fā)生，敲除AMPK-α2基因的小鼠其胰島素水平降低、血糖水平升高［3］。AMPK亦是心臟應(yīng)激中的一個(gè)關(guān)鍵信號(hào)通路［4］，他汀類藥物對(duì)心血管系統(tǒng)的保護(hù)作用亦是部分通過激活A(yù)MPK信號(hào)通路實(shí)現(xiàn)的［5］。近年來，AMPK與肺部疾病的關(guān)系愈發(fā)受到人們的重視，目前研究認(rèn)為AMPK在肺癌、支氣管哮喘及肺動(dòng)脈高壓等肺部疾病中亦發(fā)揮著重要的作用。本文就AMPK的生物學(xué)特性及其在肺部疾病中的潛在治療作用做一綜述。

1 AMPK的基本結(jié)構(gòu)和功能

AMPK是由1個(gè)催化亞基(α)和2個(gè)調(diào)節(jié)亞基(β和γ)構(gòu)成的異三聚體蛋白酶［6］。3種亞基均有各自的異構(gòu)體亞型，即 α1、α2、β1、β2、γ1、γ2 和 γ3［7］。α1、β1 及 γ1 亞型在不同組織中廣泛表達(dá)，而α2和β2主要在橫紋肌細(xì)胞中表達(dá)。α、β和γ 3個(gè)亞基對(duì)于AMPK的活化都是必需的。α亞基的氨基端包含有絲/蘇氨酸蛋白激酶的催化結(jié)構(gòu)域，即蘇氨酸172位點(diǎn)(Thr172residue)，其磷酸化是AMPK活化的關(guān)鍵［8］。β亞基在糖原和AMPK 的相互作用中是不可或缺的，其氨基端包含有一個(gè)糖原結(jié)合結(jié)構(gòu)域(carbohydrate-binding module，CMB)，研究認(rèn)為 AMPK通過 CMB與糖原結(jié)合［9］。此外，β亞基也通過其羧基端的一個(gè)結(jié)構(gòu)域(第186-270位氨基酸)在穩(wěn)定α和γ亞基的相互定位關(guān)系中發(fā)揮作用［10］。γ 亞基包含 4 個(gè)胱硫醚 β-合成酶(cystathionine βsynthase，CBS)結(jié)構(gòu)域［11］，AMP、ADP 和 ATP 均可與其結(jié)合，改變?chǔ)羴喕臉?gòu)象，進(jìn)而調(diào)節(jié)AMPK被上游激酶的磷酸化［12］及 Thr172的去磷酸化［13］，從而調(diào)節(jié) AMPK 的活性。

2 AMPK活性的調(diào)節(jié)

AMPK在調(diào)節(jié)細(xì)胞的能量代謝過程中發(fā)揮重要作用。當(dāng)細(xì)胞內(nèi)AMP水平增高時(shí)，AMPK即被激活。AMP可與AMPK的γ亞基結(jié)合，引起 AMPK的構(gòu)象改變，從而使AMPK的活性增加2-5倍［6］。在各種構(gòu)型中，由 α2和 γ2亞基構(gòu)成的AMPK構(gòu)型被激活的程度最高，而由γ3亞基構(gòu)成的AMPK被激活的程度最低［6］。除了受AMP的變構(gòu)調(diào)節(jié)外，AMPK還受上游激酶的調(diào)節(jié)。絲氨酸-蘇氨酸激酶11(serine/threonine kinase，STK11，又稱LKB1)和鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶 β(Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase β，CaMKKβ)為兩種研究較為明確的AMPK上游激酶。在體外試驗(yàn)中，純化重組的LKB1復(fù)合體可直接磷酸化AMPK的Thr172［14-15］，激活 AMPK。之后在 LKB1缺陷細(xì)胞的研究中發(fā)現(xiàn)了AMPK的另一種上游激酶-CaMKKβ［16-17］。體外實(shí)驗(yàn)中，從大鼠腦組織分離或在大腸桿菌中表達(dá)的CaMKKβ 可 以 磷酸化 并 激活 AMPK［17］。CaMKKβ 激 活A(yù)MPK并不依賴于細(xì)胞內(nèi)AMP的濃度增高，但有賴于細(xì)胞內(nèi)Ca2+含量的增高［17］。AMPK被上游激酶磷酸化的過程是可逆的，由蛋白磷酸酶調(diào)控。已有研究證實(shí)［17］PP2A和PP2C可使AMPK去磷酸化，從而抑制其活化。近年來有學(xué)者提出了調(diào)節(jié)AMPK活性的新機(jī)制，其研究認(rèn)為AMPK能被誘導(dǎo)細(xì)胞死亡的DFF45樣效應(yīng)因子A(cell-death-inducing DNA fragmentation factor-α-like effector A，CIDEA)通過泛素依賴的蛋白酶體(ubiquitin-dependent proteasome)途徑降解，同時(shí)在AMPK的β亞基上發(fā)現(xiàn)了一個(gè)CIDEA的結(jié)合位點(diǎn)［18］。

3 AMPK的主要激動(dòng)劑

AMPK是一種絲氨酸-蘇氨酸蛋白激酶，與酵母菌的Snf1激酶同源。一般來講，能使AMP/ATP比例增高的應(yīng)激事件均可使AMPK的活性上調(diào)，如缺氧、低血糖或骨骼肌的收縮等。近年來，其他激活A(yù)MPK的機(jī)制日益引起人們的關(guān)注，例如活性氧自由基(reactive oxygen species，ROS)等。表1列出了AMPK的主要激動(dòng)劑的類型及其名稱。

4 AMPK在肺部疾病中的作用

4.1AMPK與肺癌肺癌是目前我國(guó)惡性腫瘤中首位的死亡原因，占全部惡性腫瘤死亡的22.7%，且其發(fā)病率和死亡率仍在上升。最近，越來越多的研究聚焦于AMPK的調(diào)控與肺癌發(fā)生之間的關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)，LKB1是AMPK的兩個(gè)主要上游激酶之一，抑制其活性可協(xié)同Kras基因突變促進(jìn)肺癌的發(fā)生［19］。值得注意的是，相較于缺少p53或Ink4a/Arf的腫瘤細(xì)胞，Lkb1基因缺陷的腫瘤細(xì)胞表現(xiàn)出更頻繁的轉(zhuǎn)移［19］。另有一項(xiàng)研究表明魚藤素(deguelin)可通過激活A(yù)MPK并抑制蛋白激酶B(protein kinase B，又稱AKT)的活性，進(jìn)而抑制凋亡抑制蛋白survivin的翻譯，從而抑制肺癌的發(fā)生［20］。在小鼠中的一項(xiàng)研究表明二甲雙胍可以預(yù)防煙草致癌物誘導(dǎo)的小鼠肺癌的發(fā)生［21］。該研究認(rèn)為二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK，進(jìn)而抑制哺乳動(dòng)物雷帕霉素靶蛋白(Mammalian target of rapamycin，mTOR)通路的過度激活，從而抑制肺癌的發(fā)生［21］。此外，還有研究證實(shí)在肺癌細(xì)胞中，洛伐他汀可抑制AKT的活性并激活A(yù)MPK信號(hào)通路，進(jìn)而通過誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡的方式抑制肺癌細(xì)胞的生存并增強(qiáng)其對(duì)放療的敏感性［22］?？傊?，近年來的研究大多證實(shí)AMPK通路的激活可抑制肺癌的發(fā)生，為肺癌治療提供了新靶點(diǎn)的可能。

表1 AMPK的主要激動(dòng)劑的類型及名稱

4.2AMPK與支氣管哮喘近年來的研究提出AMPK作為一種新型的信號(hào)蛋白在調(diào)節(jié)炎癥和免疫反應(yīng)中發(fā)揮重要作用［23-24］。在幾種炎性疾病的動(dòng)物模型中，證實(shí)AMPK的激動(dòng)劑可阻斷炎癥反應(yīng)的進(jìn)程［23，25-26］。而氣道炎癥正是支氣管哮喘的主要發(fā)病機(jī)制之一。一項(xiàng)研究表明，AMPK的特異性激動(dòng)劑AICAR能減輕小鼠哮喘模型中poly(I∶C)誘發(fā)的氣道高反應(yīng)性(airway hyperresponsiveness，AHR)及氣道炎癥。其機(jī)制在于AICAR能減少炎癥細(xì)胞向肺內(nèi)的遷移，降低肺內(nèi)Th1和Th2細(xì)胞因子如IL-5、IL-13、IFN-γ和TNF-α的水平，進(jìn)而抑制NF-κB的激活，發(fā)揮抗炎作用［26］。近來有學(xué)者在甲苯二異氰酸酯誘發(fā)的小鼠哮喘模型研究中，發(fā)現(xiàn)AMPK的活化可抑制HIF/VEGFA信號(hào)通路，進(jìn)而減輕氣道炎癥、降低氣道反應(yīng)性及血管通透性，從而減輕哮喘的嚴(yán)重程度［27］。該研究主要證實(shí)了以下兩個(gè)分子機(jī)制:①AMPK信號(hào)通路通過抑制ROS的生成，增高白介素10(IL-10)的表達(dá)，而IL-10是一種已證實(shí)可抑制哮喘發(fā)生的抗炎因子［28］。②活化的AMPK可通過抑制ROS-HIF-VEGFA軸的作用，降低血管通透性，減少細(xì)胞和炎性因子的滲出，減輕哮喘的臨床經(jīng)過。

4.3AMPK與急性肺損傷中性粒細(xì)胞是固有免疫和炎癥反應(yīng)中不可或缺的細(xì)胞因素［29］，但其過度激活會(huì)導(dǎo)致過量的細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)釋放，從而引起組織損傷和器官功能障礙，如急性肺損傷(acute lung injury，ALI)的發(fā)生［30-31］。已有研究證實(shí)小鼠肺內(nèi)AMPK的激活可以減輕脂多糖(LPS)誘發(fā)的ALI的嚴(yán)重程度［32］?；罨腁MPK可以減少LPS誘導(dǎo)的中性粒細(xì)胞中NF-κB的核內(nèi)轉(zhuǎn)移，從而抑制NF-κB的功能，進(jìn)而抑制NF-κB依賴基因如腫瘤壞死因子-α(tumor necrosis factor-α，TNF-α)和誘導(dǎo)型一氧化氮合酶(inducible nitric oxide synthase，iNOS)的表達(dá)，減少IL-6等細(xì)胞因子和炎癥介質(zhì)的釋放，從而減輕ALI的疾病經(jīng)過［32］。該研究提示調(diào)節(jié)AMPK的活性有可能作為ALI及其它中性粒細(xì)胞主導(dǎo)的急性炎癥性疾病治療的新靶點(diǎn)。

4.4AMPK與肺動(dòng)脈高壓肺動(dòng)脈高壓(pulmonary artery hypertension，PAH)是一種臨床綜合征，當(dāng)肺動(dòng)脈壓異常增高超過正常范圍時(shí)即稱為PAH，它可由許多心、肺和肺血管疾病引起。一項(xiàng)研究證實(shí)二甲雙胍，一種可激活A(yù)MPK的治療糖尿病藥物，可明顯改善慢性缺氧或野百合堿誘導(dǎo)的大鼠肺動(dòng)脈高壓模型的嚴(yán)重程度［33］。Apelin是近年來發(fā)現(xiàn)的一種小分子舒血管活性多肽，其受體為G蛋白偶聯(lián)受體-血管緊張素受體AT-1相關(guān)的受體蛋白(putative receptor protein related to the angiotensin receptor AT1，APJ)。近年來的研究提示低氧引起的APJ表達(dá)下調(diào)是低氧性肺動(dòng)脈高壓(HPH)發(fā)生發(fā)展的一個(gè)重要的病理機(jī)制［34-35］，而AMPK在其中發(fā)揮關(guān)鍵作用。該研究認(rèn)為Apelin通路的激活可誘導(dǎo)AMPK的活化，進(jìn)而提高KLF2和eNOS的表達(dá)，從而抑制肺動(dòng)脈高壓的發(fā)生，而Apelin的抑制則會(huì)加重肺動(dòng)脈高壓的嚴(yán)重程度［36］。上述研究提示AMPK信號(hào)通路可作為治療肺動(dòng)脈高壓的新靶點(diǎn)。

4.5AMPK與囊性纖維化囊性纖維化(Cystic fibrosis，CF)是一種常染色體隱性遺傳病，可累及全身各器官的上皮組織，尤以肺部受累最為多見和嚴(yán)重，目前尚無根治方法［37］。在肺部其病理機(jī)制主要是病變的氣道上皮細(xì)胞頂膜的CF跨膜電導(dǎo)調(diào)節(jié)器(CF transmembrane conductance regulator，CFTR)Cl-通道發(fā)生了基因突變，導(dǎo)致呼吸道表面液體層(airway surface liquid，ASL)功能失調(diào)，損害肺黏液纖毛清除功能，導(dǎo)致支氣管肺部感染等并發(fā)癥的發(fā)生［38］。一項(xiàng)在取自CF病人原代培養(yǎng)的人CF支氣管上皮細(xì)胞(primary human bronchial epithelial cell，HBE)中進(jìn)行的研究證實(shí)，通過AICAR或二甲雙胍激活A(yù)MPK，可抑制CFTR介導(dǎo)的Cl-過度分泌和上皮細(xì)胞鈉離子通道(epithelial sodium channel，ENaC)介導(dǎo)的Na+的吸收減少，進(jìn)而減少ASL的重吸收，維持ASL的穩(wěn)定;同時(shí)可抑制NF-κB和過氧化物酶體增殖物激活受體(peroxisome proliferator-activated receptor，PPAR)的上調(diào)，減少IL-6、IL-8和GM-CSF等炎癥因子的釋放［39］。過度的ENaC的電流、ASL的重吸收和炎癥是CF肺損傷發(fā)病機(jī)制中的主要元兇［38-39］。該研究認(rèn)為二甲雙胍可通過激活A(yù)MPK，抑制CF HBE中過表達(dá)的ENaC，并減少炎癥介質(zhì)的釋放［39］，為治療囊性纖維化提出了新的思路。

5 小結(jié)

綜上所述，通過藥理學(xué)方法激活A(yù)MPK具有廣泛的抗炎、抑制細(xì)胞增殖等保護(hù)性作用，體外研究證實(shí)激活A(yù)MPK信號(hào)通路具有治療肺癌、肺動(dòng)脈高壓、支氣管哮喘等疾病的潛在價(jià)值，但其是否在臨床上可用于上述疾病的治療有待于進(jìn)一步驗(yàn)證。

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