程明慧，秦 虹

(中南大學(xué)湘雅公共衛(wèi)生學(xué)院營養(yǎng)與食品衛(wèi)生學(xué)教研室, 湖南 長沙 410078)

糖尿病及其并發(fā)癥發(fā)病率逐年升高，是全球關(guān)注的重大健康問題。糖尿病成因復(fù)雜，能量代謝失衡、炎癥、氧化應(yīng)激等不良生理病理狀況均可誘導(dǎo)機(jī)體胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞損傷，促進(jìn)糖尿病的發(fā)生發(fā)展。目前，臨床上廣泛應(yīng)用的糖尿病藥物仍存在一定副作用和長期服藥產(chǎn)生耐藥性等問題，糖尿病特效藥物的開發(fā)還存在諸多困難和挑戰(zhàn)。腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase，AMPK)是機(jī)體維持細(xì)胞內(nèi)能量平衡、調(diào)控全身能量代謝的一種關(guān)鍵能量調(diào)節(jié)元件。大量研究表明，AMPK在調(diào)節(jié)糖脂代謝、促進(jìn)白色脂肪棕色化、抗炎、抗氧化應(yīng)激等多方面發(fā)揮重要作用，有利于改善機(jī)體胰島素抵抗和胰島β細(xì)胞損傷，被認(rèn)為是糖尿病防控的重要靶點(diǎn)[1-2]。在中西醫(yī)中均能找到通過干預(yù)AMPK信號通路發(fā)揮抗糖尿病作用的藥理學(xué)依據(jù)。除二甲雙胍、吡格列酮等常用的抗糖尿病藥物以外，小檗堿、白藜蘆醇、苦參堿、紫檀芪、蟲草素、龍膽苦苷等多種傳統(tǒng)中藥提取成分均被發(fā)現(xiàn)可以通過激活A(yù)MPK在糖尿病的防控中發(fā)揮正向作用。本文通過中國知網(wǎng)、PubMed、Web of Science等數(shù)據(jù)庫,分別以中英文形式的AMPK、diabetes、glucose and lipid metabolism、browning of white adipose、inflammation、oxidative stress等為關(guān)鍵詞，主要對近5年高影響因子的相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行檢索和閱讀，并結(jié)合本團(tuán)隊(duì)的科研成果，對AMPK阻止糖尿病發(fā)生發(fā)展的相關(guān)機(jī)制展開綜述，旨在為安全高效的AMPK靶向抗糖尿病藥物的開發(fā)提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 AMPK概述

1.1 AMPK的結(jié)構(gòu)AMPK由α、β、γ 3種亞基組成，是一種在真核細(xì)胞生物體內(nèi)廣泛存在，并在機(jī)體能量代謝的調(diào)節(jié)中扮演關(guān)鍵角色的異源三聚體復(fù)合物。α亞基的α1、α2兩種亞型在機(jī)體多種組織中發(fā)揮催化活性。上游相關(guān)激酶可以通過磷酸化α亞基的Thr172位點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對AMPK的激活。不同基因編碼的兩種β亞基(β1、β2亞型)協(xié)同或獨(dú)立參與各種生理活動的調(diào)節(jié)。β亞基上具有一段在AMPK三聚體的形成和定位中發(fā)揮重要作用的結(jié)構(gòu)域——C端結(jié)構(gòu)域(β-C-terminal domain，β-CTD)。α亞基和γ亞基通過與β亞基的β-CTD結(jié)合，共同組成完整的AMPK復(fù)合物。而β亞基的碳水化合物結(jié)合模塊(β-carbohydrate-binding module，β-CBM)可以與糖原以及糖原代謝相關(guān)酶結(jié)合，參與糖原合成的調(diào)節(jié)。γ亞基具有γ1、γ2、γ3三種亞型。γ亞基包含四個具有胱硫氨酸-β-合成酶(cysteionine-β-synthetase，CBS)結(jié)構(gòu)域的串聯(lián)重復(fù)序列，參與AMPK與腺嘌呤核苷酸的結(jié)合[3]。

1.2 AMPK的激活A(yù)MPK可以靈敏的感知機(jī)體能量狀況變化，并通過激活或抑制多種下游因子參與能量代謝的調(diào)節(jié)。傳統(tǒng)的能量感應(yīng)機(jī)制認(rèn)為：當(dāng)細(xì)胞內(nèi)ADP / ATP和 / 或AMP/ATP的比例升高時，ADP和 / 或AMP與AMPK的γ亞基結(jié)合，引起AMPK發(fā)生構(gòu)象改變，抑制其α亞基Thr172位點(diǎn)的去磷酸化，并促進(jìn)上游鈣/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶β、轉(zhuǎn)化生長因子- β激活激酶和肝激酶B1磷酸化Thr172位點(diǎn)，協(xié)同作用激活A(yù)MPK[1]。近年來，有研究提出可能存在一種新的AMPK激活途徑：葡萄糖傳感機(jī)制。相關(guān)研究顯示：當(dāng)機(jī)體能量缺乏時，即使細(xì)胞內(nèi)腺嘌呤核苷酸的比例未發(fā)生改變，AMPK也可以通過感知葡萄糖濃度的改變而激活。當(dāng)葡萄糖濃度較低時，糖酵解中間產(chǎn)物果糖- 1，6-二磷酸與醛縮酶的結(jié)合受到抑制，進(jìn)而引起醛縮酶和溶酶體表面的v-ATP酶之間的相互作用發(fā)生改變，促進(jìn)AMPK復(fù)合物的形成[4]。激活后的AMPK可通過多種機(jī)制減少葡萄糖、脂肪酸、膽固醇的生物合成，增加葡萄糖的攝取利用和脂肪酸的β氧化，進(jìn)而提高機(jī)體內(nèi)ATP的含量水平[5]。

2 AMPK阻止糖尿病發(fā)生發(fā)展的相關(guān)機(jī)制

糖脂代謝紊亂、炎癥反應(yīng)和氧化應(yīng)激會引起外周組織器官產(chǎn)生胰島素抵抗，導(dǎo)致肝臟、肌肉和脂肪組織等胰島素敏感組織無法發(fā)揮正常的生理功能，增加糖尿病發(fā)病風(fēng)險。AMPK可以通過調(diào)節(jié)糖脂代謝、促進(jìn)白色脂肪棕色化、抗炎、抗氧化應(yīng)激等途徑，阻止糖尿病的發(fā)生發(fā)展。

2.1 AMPK與糖代謝肝臟和骨骼肌作為機(jī)體內(nèi)葡萄糖生成和利用的主要的場所，在機(jī)體糖代謝穩(wěn)態(tài)的調(diào)節(jié)中至關(guān)重要。AMPK對肝臟生成葡萄糖和骨骼肌攝取利用葡萄糖的調(diào)控，有助于維持機(jī)體糖代謝穩(wěn)態(tài)，進(jìn)而達(dá)到防治糖尿病的目的。

肝臟糖異生的異常增加，會引起機(jī)體糖代謝紊亂，是糖尿病的重要危險因素。大量研究表明，AMPK的激活可以有效抑制肝臟糖異生，使機(jī)體血糖濃度維持在適宜范圍內(nèi)，降低糖尿病發(fā)病風(fēng)險。AMPK可以通過直接促進(jìn)哺乳動物雷帕霉素靶蛋白2(mammalian target of rapamycin complex 2，mTORC2)磷酸化或者抑制環(huán)磷酸腺苷(cAMP)刺激的mTORC2去磷酸化，阻止mTORC2與環(huán)磷酸腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein，CREB)結(jié)合，進(jìn)而抑制過氧化物酶體增殖物激活受體γ共激活因子1α(peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC -1α)轉(zhuǎn)錄磷酸烯醇式丙酮酸羧化激酶(phosphoenolpyruvate carboxykinase，PEPCK)和葡萄糖- 6 -磷酸酶(glucose-6-phosphatase，G6Pase)，減少肝糖的生成和輸出[6]。在對人參皂苷Rg2、辣椒素酯等植物化學(xué)物質(zhì)降糖機(jī)制的研究中發(fā)現(xiàn)，AMPK可以通過促進(jìn)糖原合成酶(glycogen synthase，GS)磷酸化，抑制環(huán)磷酸腺苷效應(yīng)元件(cAMP response element，CRE)的轉(zhuǎn)錄活性，下調(diào)PEPCK水平，從而減少肝臟糖異生[7, 8]。除此以外，AMPK還通過磷酸化組蛋白去乙?；?histone deacetylase 4 / 5 / 7，HDAC4、HDAC5、HDAC7)，使之與14-3-3蛋白結(jié)合，抑制肝細(xì)胞核因子4α(hepatic nuclear factor 4 alpha，HNF4α)和叉頭轉(zhuǎn)錄因子1(forkhead transcription factor 1，F(xiàn)oxO1)的轉(zhuǎn)錄活性，進(jìn)而減少糖異生相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)[9]。

骨骼肌對葡萄糖的攝取利用在糖代謝穩(wěn)態(tài)的維持和調(diào)節(jié)中發(fā)揮著不可忽視的作用。體內(nèi)外實(shí)驗(yàn)顯示，AMPK可以通過增加PGC -1α的表達(dá)，促進(jìn)db / db小鼠骨骼肌(L6肌管)中葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白4(glucose transporter 4，GLUT4)的合成和易位，表現(xiàn)出對骨骼肌攝取利用葡萄糖的顯著增強(qiáng)效果[2, 10]。另有實(shí)驗(yàn)研究表明，AMPK可通過磷酸化RabGAP蛋白(Tre-2 / BUB2 / cdc1 domain family member 1 / 4，TBC1D1、TBC1D4)，促使GLUT4易位至細(xì)胞質(zhì)膜，進(jìn)而上調(diào)骨骼肌對葡萄糖的攝取利用，改善機(jī)體的胰島素抵抗[11]。

上述眾多研究表明，AMPK可以通過多種途徑抑制肝臟糖異生、促進(jìn)骨骼肌對葡萄糖的攝取利用，從而有效緩解機(jī)體的糖代謝紊亂，降低糖尿病及其并發(fā)癥的發(fā)病風(fēng)險。

2.2 AMPK與脂代謝機(jī)體脂代謝紊亂與糖尿病的發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)血清中游離脂肪酸、膽固醇、甘油三酯、低密度脂蛋白等脂質(zhì)水平與糖尿病的患病風(fēng)險存在明顯的劑量反應(yīng)關(guān)系[12]。因此，可從增加脂肪酸β氧化、減少脂質(zhì)合成、調(diào)控脂肪水解等方面尋找改善糖尿病患者脂代謝紊亂的方法。

Sayeed等[10]發(fā)現(xiàn)，AMPK可提高p38絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase，MAPK)磷酸化水平，并活化過氧化物酶體增殖物激活受體α(peroxisome proliferator-activated receptor α，PPAR-α)，誘導(dǎo)乙酰輔酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase，ACC)磷酸化，進(jìn)而增加脂肪酸β氧化[10]。Zhu等研究表明，AMPK可以上調(diào)肉毒堿棕櫚酰轉(zhuǎn)移酶(carnitine palmitoyltransferase 1，CPT1)、?；o酶A氧化酶1(acyl coenzyme A oxidase 1，ACOX1)等脂肪酸β氧化相關(guān)蛋白的表達(dá)，并通過抑制固醇調(diào)節(jié)元件結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子(sterol regulatory element binding protein -1c，SREBP -1c)的轉(zhuǎn)錄和核易位，促進(jìn)膽固醇合成限速酶3-羥基-3-甲基戊二酰輔酶A還原酶(3-hydroxy-3-methylglutaryl coenzyme A Reductase，HMGCR)磷酸化、降低脂肪酸合成酶(fatty acid synthase，F(xiàn)AS)、ACC1等脂質(zhì)合成相關(guān)蛋白含量[13]。有研究顯示，AMPK可通過直接磷酸化碳水化合物應(yīng)答元件結(jié)合蛋白(carbohydrate response element binding protein，ChREBP)，阻止其與DNA結(jié)合，降低丙酮酸激酶肝異構(gòu)體基因的表達(dá)水平，或通過活化沉默信息調(diào)節(jié)因子1(sirtuin 1，SIRT1)下調(diào)ChREBP的轉(zhuǎn)錄活性，從而抑制糖類向脂質(zhì)的轉(zhuǎn)化，減少脂質(zhì)的生成[6, 8, 14]。

肝臟過量攝取脂肪酸，會增加肝臟脂肪變性和胰島素抵抗的發(fā)病風(fēng)險，進(jìn)而推動糖尿病及其相關(guān)疾病的發(fā)病進(jìn)程。AMPK可以通過磷酸化激素敏感脂肪水解酶(hormone-sensitive lipase，HSL)的S565位點(diǎn)，拮抗環(huán)磷酸腺苷依賴蛋白激酶A(cAMP-dependent protein kinase A，PKA)對HSL的激活作用，降低脂肪水解速度[15]。另有研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可以誘導(dǎo)脂肪甘油三酯脂肪酶(adipose triglyceride lipase，ATGL)的S406位點(diǎn)磷酸化，促進(jìn)脂肪組織甘油三酯的水解[16]。上述研究提示，AMPK對脂解作用可能存在雙向調(diào)控，通過與機(jī)體其他機(jī)制有機(jī)結(jié)合，合理控制脂解速度，維持脂代謝穩(wěn)態(tài)。

以上研究表明，AMPK可以通過多種機(jī)制增加脂肪酸的β氧化、減少脂質(zhì)的生成和積累、雙向調(diào)控脂肪的水解，進(jìn)而維持機(jī)體脂代謝穩(wěn)態(tài)、阻止糖尿病發(fā)生發(fā)展。

2.3 AMPK與白色脂肪組織棕色化白色脂肪組織可在內(nèi)、外界因素刺激作用下發(fā)生棕色化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為米色脂肪組織。米色脂肪組織中含有豐富的線粒體，其線粒體膜上存在大量的解偶聯(lián)蛋白(uncoupling protein 1，UCP -1)，可以增加機(jī)體非戰(zhàn)栗性產(chǎn)熱，促進(jìn)能量消耗，減少脂肪積累，進(jìn)而降低糖尿病及其他肥胖相關(guān)疾病的發(fā)病風(fēng)險[17]。而諸多研究表明，AMPK可以通過調(diào)控多種白色脂肪組織棕色化相關(guān)靶點(diǎn)，促進(jìn)米色脂肪組織的生成，在糖尿病的防治中發(fā)揮正向調(diào)節(jié)作用。

AMPK增加脂肪組織生熱的作用與其維持脂肪組織中的線粒體質(zhì)量相關(guān)。AMPK可以通過調(diào)節(jié)PGC-1α 及其下游因子核呼吸因子(nuclear respiratory factors 1 / 2，NRF1、NRF2)和線粒體轉(zhuǎn)錄因子A(mitochondrial transcription factor A，TFAM)，促進(jìn)線粒體的生物合成和氧化代謝，進(jìn)而推動白色脂肪棕色化的進(jìn)程[18]。研究發(fā)現(xiàn)，UCP -1的合成、易位和激活是白色脂肪棕色化進(jìn)程中不可缺少的一環(huán)。AMPK通過上調(diào)白色脂肪組織中PGC-1α的活性，提高UCP -1的表達(dá)水平，進(jìn)而促進(jìn)米色脂肪組織的生成[19-20]。對白色脂肪組織棕色化相關(guān)機(jī)制展開進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，增加AMPKα基因的表達(dá)，可抑制轉(zhuǎn)化生長因子β1識別和激活受體結(jié)合型Smad3蛋白，進(jìn)而阻止Smad3與PR結(jié)構(gòu)域蛋白16(PR domain containing 16，PRDM16)啟動子結(jié)合，促進(jìn)PRDM16啟動子的PR結(jié)構(gòu)域去甲基化，進(jìn)而增加PGC -1α，UCP-1、2型脫碘酶(deiodinase type 2，Dio2)的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，誘導(dǎo)白色脂肪棕色化[21]。

以上論述表明，AMPK通過調(diào)控PRDM16、UCP-1、PGC-1α等下游因子，促進(jìn)白色脂肪棕色化，顯著增加非戰(zhàn)栗性產(chǎn)熱，通過增加機(jī)體的能量消耗，減少脂肪的異常堆積，改善脂誘導(dǎo)性胰島素抵抗，進(jìn)而降低糖尿病的發(fā)病風(fēng)險。

2.4 AMPK與炎癥反應(yīng)當(dāng)機(jī)體出現(xiàn)炎癥反應(yīng)時，炎性因子的過量表達(dá)，會損傷胰島β細(xì)胞，并降低全身各細(xì)胞的胰島素敏感性，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)體胰島素分泌缺乏和胰島素抵抗[22]，導(dǎo)致糖尿病的發(fā)生發(fā)展。大量研究表明，AMPK可顯著減弱機(jī)體的炎癥反應(yīng)，進(jìn)而起到防治糖尿病的作用。

Fig 1 The domain map of AMPK

Fig 2 Mechanisms of AMPK in diabetes prevention and control

AMPK可通過上調(diào)PGC-1α的濃度，抑制核因子κB(nuclear factor-κB，NF-κB)的表達(dá)，或通過促進(jìn)硫氧還蛋白相互作用蛋白(thioredoxin-interacting protein，TXNIP)變性失活，減少炎性小體核苷酸結(jié)合寡聚化結(jié)構(gòu)域樣受體蛋白3(nucleotide-binding oligomerization domain-like receptor protein 3，NLRP3)的生成，進(jìn)而抑制白介素-1β(interleukin -1β，IL-1β)、IL- 6、IL-18、單核細(xì)胞趨化蛋白-1、腫瘤壞死因子等炎性因子的生成和釋放[23-24]。另有研究表明，AMPK可以促進(jìn)自噬激酶(unc -51 like kinase 1，ULK1)和mTORC1磷酸化，上調(diào)自噬相關(guān)蛋白活性，或通過對FoxO3、轉(zhuǎn)錄因子EB(transcription factor EB，TFEB)等轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，提高自噬相關(guān)基因的表達(dá)水平，進(jìn)而緩解機(jī)體的炎癥反應(yīng)[25]。

以上研究結(jié)果顯示，AMPK可以通過調(diào)控炎癥以及自噬相關(guān)基因的轉(zhuǎn)錄和表達(dá)，調(diào)節(jié)炎性反應(yīng)和自噬反應(yīng)相關(guān)蛋白活性，阻礙炎性小體的形成，促進(jìn)炎性小體的清除，抑制炎性因子的成熟和釋放，進(jìn)而緩解機(jī)體炎癥反應(yīng)、阻止糖尿病的發(fā)生發(fā)展。

2.5 AMPK與氧化應(yīng)激機(jī)體發(fā)生氧化應(yīng)激時，活性氧(reactive oxygen species，ROS)過量生成和積累，會引起包括胰島在內(nèi)的全身各組織氧化損傷，進(jìn)而導(dǎo)致胰島素分泌不足和胰島素敏感性降低。而AMPK可以通過多種途徑減少體內(nèi)ROS的堆積，進(jìn)而減緩機(jī)體的氧化損傷，在糖尿病的預(yù)防和控制發(fā)揮積極作用。

AMPK可通過磷酸化Fox3、mTORC1、TFEB等靶點(diǎn)，激活并調(diào)控自噬反應(yīng)選擇性的清除受損線粒體，抑制線粒體功能障礙所導(dǎo)致的ROS生成增多[5]。上文提及，激活A(yù)MPK可以增加線粒體內(nèi)膜上解偶聯(lián)蛋白UCP-1的表達(dá)。Demine等[26]研究發(fā)現(xiàn)，線粒體解偶聯(lián)可以激活自噬反應(yīng)并減少ROS的生成。因此，AMPK可以通過增加UCP-1的表達(dá)，調(diào)控線粒體解偶聯(lián)，進(jìn)而減少活性氧的生成，發(fā)揮抗氧化應(yīng)激作用。同時大量研究表明，AMPK可調(diào)控氧化還原相關(guān)酶活性，減少活性氧和過氧化物的積累，緩解糖尿病患者的氧化應(yīng)激損害。呂麗娟等[27]的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，激活A(yù)MPK可以下調(diào)糖基化終產(chǎn)物受體(receptor for advanced glycation endproducts，RAGE)的表達(dá)，降低還原型輔酶Ⅱ氧化酶2(nicotinamide adenine dinucleotide phosphate oxidase 2，NoX2)的活性，減少ROS 和超氧化物陰離子的生成，并通過抑制26S蛋白酶體對三磷酸鳥苷環(huán)化水解酶1的降解，促進(jìn)內(nèi)皮一氧化氮合酶(endothelial nitric oxide synthase，eNOS)聚合物的生成，從而發(fā)揮抗氧化作用。部分研究發(fā)現(xiàn)，AMPK可以直接激活FoxO1或通過活化SIRT1促進(jìn)FoxO1和FoxO3去乙?；黾悠湓诩?xì)胞核中的穩(wěn)定性，促進(jìn)抗氧化酶的轉(zhuǎn)錄表達(dá)，抑制活性氧的生成[28-29]。AMPK還可以通過活化核因子E2相關(guān)因子(nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2)上調(diào)其下游血紅素氧合酶1(heme-oxygenase-1，HO -1)的表達(dá)，促進(jìn)過氧化物的還原，減少體內(nèi)ROS 的堆積[30]。

以上論述表明，AMPK可以通過調(diào)控自噬以及氧化還原反應(yīng)相關(guān)蛋白和基因的表達(dá)，減少過氧化物的生成和積累，進(jìn)而發(fā)揮抗氧化應(yīng)激功能，降低糖尿病的發(fā)病風(fēng)險。

3 小結(jié)

糖尿病是一種對公共健康造成沉重負(fù)擔(dān)的代謝紊亂性疾病。AMPK作為機(jī)體重要的能量穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)器，被認(rèn)為是糖尿病防治的重要靶點(diǎn)。AMPK通過調(diào)控 PGC-1α、UCP-1、SIRT1等多種下游效應(yīng)因子，參與糖脂代謝、白色脂肪棕色化、炎癥、氧化應(yīng)激等多種生理病理過程的調(diào)節(jié)，從而阻止糖尿病的發(fā)生發(fā)展。目前，對于AMPK發(fā)揮上述生理調(diào)節(jié)功能的相關(guān)機(jī)制研究已取得巨大進(jìn)展，但部分機(jī)制仍未被完全闡明，且現(xiàn)階段已知的多種AMPK激活劑在臨床應(yīng)用上仍具有一定的局限性，還需展開進(jìn)一步的探索研究，為安全有效的糖尿病防治藥物的開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)。