综述：AMPK：一种在癌症和代谢疾病中可能有效的酶

《Hormones & Cancer》：AMPK: an enzyme that may be effective in cancer and metabolic diseases

本文系统综述了AMPK（AMP依赖的蛋白激酶）作为细胞能量感受器的核心作用，及其在癌症、代谢综合征和炎症等重大疾病中的关键调控机制。文章详细阐述了AMPK的结构功能、其对脂肪、碳水化合物和蛋白质代谢的调节，以及通过抑制mTORC1和激活自噬等通路发挥的抑癌作用。特别探讨了AMPK激活剂（如AICAR、A-769662、二甲双胍等）的分子机制、亚型选择性和治疗潜力，为开发针对代谢性疾病和癌症的新型靶向药物提供了重要的理论依据和研发方向。

　　

引言

细胞活力的维持依赖于ATP相对于ADP的高比率。在这一过程中，5'-腺苷一磷酸激活的蛋白激酶（AMPK）作为对能量水平敏感的关键酶，在细胞内扮演着能量感受器的核心角色。当细胞因运动、缺氧、营养剥夺或线粒体呼吸链终止而经历初级能量水平下降时，AMP/ATP比率升高，从而触发AMPK的激活。

AMPK是一种丝氨酸/苏氨酸（Ser/Thr）蛋白激酶，由三个亚基组成：α、β和γ。其中α亚基是催化亚基，包含AMPK的苏氨酸172位点（Thr¹⁷²）磷酸化区域；β和γ亚基则是调节亚基。γ亚基含有AMP结合的区域，能变构激活酶活性。主要负责AMPK磷酸化和后续激活的上游激酶是肝脏激酶B1（LKB1）和钙/钙调蛋白依赖的蛋白激激酶2（CaMMKK2）。AMPK的激活能启动脂肪酸氧化、葡萄糖摄取、糖酵解、自噬和线粒体自噬等分解代谢途径，同时抑制蛋白质合成、脂肪酸合成、固醇合成、糖原合成和糖异生等合成代谢途径。

哺乳动物体内存在由不同基因编码的AMPK亚基异构体，如α1、α2、β1、β2、γ1、γ2和γ3。这些异构体的组合在不同组织中以不同比例存在，例如，人骨骼肌中以α2β2γ1为主，肝脏中以α1β2γ1为主，巨噬细胞中以α1β1γ1为主。值得注意的是，已开发的AMPK激活剂与不同异构体的结合速率也存在差异。

AMPK激活影响的酶及其在代谢中的作用

AMPK最早被认识的功能是其对脂肪代谢的影响。它不仅能抑制脂肪合成代谢，还能增加脂肪分解代谢。AMPK通过β-氧化激活脂肪酸的摄取，同时抑制脂肪酸、胆固醇和甘油三酯的合成，从而对脂肪储存产生减少作用。具体而言，AMPK抑制乙酰辅酶A羧化酶1（ACC1）和乙酰辅酶A羧化酶2（ACC2），这两个酶催化脂肪酸合成限速步骤——乙酰辅酶A向丙二酰辅酶A的转化。此外，AMPK还抑制固醇调节元件结合蛋白1c（SREBP1c），该蛋白能触发许多脂肪生成酶的表达。

在碳水化合物代谢方面，AMPK激活能增加体内的葡萄糖摄取。在心脏、骨骼肌和脂肪组织等胰岛素敏感组织中，它通过刺激糖酵解和减少肝脏中的葡萄糖产生来调节碳水化合物代谢。AMPK激活通过葡萄糖转运体4（GLUT-4）刺激细胞内葡萄糖摄取，因此可以观察到随着AMPK激活，GLUT1和GLUT4的表达增加。此外，有研究指出，在葡萄糖剥夺期间，激活剂或AMPK激活会抑制糖原合酶。

哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mTOR）是AMPK的底物，位于AMPK的下游通路。mTOR复合物1（mTORC1）和mTOR复合物2（mTORC2）是mTOR通路的组成部分。AMPK通过抑制在蛋白质合成中起重要作用的mTORC1来停止蛋白质合成。然而，蛋白质合成对细胞存活至关重要。AMPK通过将蛋白质合成从帽依赖机制转换为帽非依赖机制来展现这一功能。有研究表明，AMPK减少了帽依赖性蛋白质合成。此外，在应激条件下激活的AMPK还能通过保存细胞能量来维持细胞生命。

AMPK还直接激活Unc-51样自噬激活激酶1（ULK1）并抑制mTORC1，以启动被称为细胞自我吞噬的自噬（和线粒体自噬）通路。同时，它还通过提供AMPK Forkhead Box O3（FOXO3）转录活性，增加几个重要自噬基因的表达，如LC3、Beclin1、VPS34和BNIP3。

考虑到AMPK对代谢的广泛影响，它已成为药物开发的一个重要靶点。因此，已开发的多种激活剂的重要作用逐渐被揭示。

AMPK在癌症中的作用

癌症是异常（基因改变）或受损的体细胞不受控制的生长和增殖。在某些情况下，这些不受控制的生长细胞可能会扩散到身体的其他部位。

mTORC1是细胞生长和代谢功能的重要调节因子，包括蛋白质合成、脂肪生成、葡萄糖代谢、自噬、溶酶体生物合成、增殖和细胞存活。mTORC1在营养、生长因子和胰岛素充足时被生理性激活，这种情况下，ULK1复合物的自噬作用被抑制。而在营养剥夺、细胞应激和缺氧等AMPK被激活的情况下，mTORC1则失活。AMPK通过磷酸化mTORC1中的Raptor蛋白来抑制mTORC1，从而控制细胞的生长信号。因此，mTORC1的激活和失活由AMPK决定。

大多数慢性疾病，包括癌症，都以Warburg样状态为特征。Warburg样效应与调控细胞周期的Ras-Erk-PI3K-mTOR系统有关，而mTORC1在支持糖酵解调节中起关键作用。特别是，能量代谢的恶化影响了细胞的许多功能，并为各种疾病铺平了道路。研究还表明，代谢综合征中存在的异常是由于AMPK无法履行其细胞内功能所致。根据一项关于前列腺癌的研究，AMPK失活会增加前列腺癌细胞的恶性行为。另有报道称，AMPK激活能抑制癌细胞的生长。此外，发现mTOR在许多癌症类型中过度活跃。有研究报道，直接抑制mTOR和激活AMPK可抑制细胞增殖和存活。

通常，癌细胞中的合成代谢速率高于正常体细胞。细胞周期对能量的需求相当高。一项研究通过联合药物治疗（奥利司他、洛尼达明、6-重氮-5-氧代-L-正亮氨酸）在癌细胞中实现了正常葡萄糖水平。药物组合抑制了癌细胞的合成代谢途径，从而观察到强烈的生长抑制效应和细胞凋亡的增加。然而，细胞凋亡在病理条件下可能是不希望发生的情况。例如，糖尿病诱导的心肌细胞凋亡会导致组织和功能丧失，此时心脏保护效应就显得尤为重要。研究表明，通过AMPK激活刺激MAPK8-BCL2信号，可以对抗心脏细胞凋亡，支持自噬通路。

众所周知，LKB1通过激活AMPK，启动细胞的自噬通路并抑制肿瘤生长。当AMPK被激活时，自噬通路启动，细胞生长和分裂受到抑制。此外，已有文献证实，肿瘤抑制蛋白p53通过AMPK直接磷酸化提升p53基因表达并稳定其转录活性，从而在体外和体内促进凋亡性细胞死亡。由于AMPK通过mTORC1抑制细胞生长，与LKB1共同激活自噬通路，并影响肿瘤抑制基因，因此它成为癌症治疗的一个靶点。

AMPK在炎症中的作用

炎症与癌症之间存在关联的证据早在Virchow对肿瘤组织中的白细胞进行研究后多年就已提供。通常认为，10-20%的癌症是由慢性炎症引起的。此外，在某些癌症中，恶性病变发生之前会出现炎症状况。这种炎症有助于恶性细胞增殖、存活和血管生成。根据研究，已知在肿瘤细胞中蛋白酶、类二十烷酸、细胞因子和趋化因子等促炎介质会过度表达。

组织损伤、感染、组织应激和组织功能障碍都会引起炎症。炎症由病原体或炎症组织产物引起。在这种情况下，巨噬细胞迅速从静息状态切换到高活性状态。它们增加了吞噬作用和抗原产生，这与肿瘤细胞的变化相似。然而，炎症细胞和肿瘤细胞的一个区别在于，炎症细胞的变化由细胞外信号驱动，而突变在肿瘤细胞的进化中起主要作用。此外，表现出抗炎特性的M2巨噬细胞与肿瘤细胞的一个关键区别在于，M2巨噬细胞优先通过氧化磷酸化产生能量，而肿瘤细胞优先通过糖酵解和磷酸戊糖途径产生能量。氧化磷酸化是细胞产生ATP的主要方式之一。当涉及到快速增殖的细胞（肿瘤、胚胎、免疫系统、愈合组织以及细菌或病毒感染的细胞）进行基因组复制或营养剥夺时，它们倾向于发酵性糖酵解。虽然发酵性糖酵解被优先用于快速产生ATP，但研究指出，尤其是在对抗癌症时，应排除发酵性糖酵解途径。类似地，病毒和细菌在捕获宿主细胞的初期，利用Warburg效应不通过氧化磷酸化产生能量，而是通过糖酵解产生能量。在慢性炎症情况下，这些细胞通过Warburg效应产生能量，以增加快速能量生产和癌症中的细胞增殖。相信AMPK可能对炎症产生抗炎作用，从而阻止癌症的发生和进展。

研究表明，细胞内对促炎信号的反应中，有氧糖酵解和乳酸代谢的增强与在癌细胞中观察到的Warburg效应相似。一项研究发现，限制小鼠的糖酵解会影响肿瘤生长和免疫系统。当乳酸积累减少时，发现具有IFN-γ的T细胞和NK细胞对肿瘤细胞的过滤作用增强。

另一项研究报道，AMPK激活通过抑制NF-κB逆转了神经炎症和全身性炎症。NF-κB是一种调节促炎基因诱导和功能的转录因子，它参与免疫细胞产生不同类型的促炎细胞因子以及促炎细胞因子的转录。一项研究中使用二甲双胍作为AMPK激活剂。有文献记载，二甲双胍能有效调节行为变化，并降低促炎细胞因子、神经炎症和氧化应激。

AMPK在代谢综合征中的作用

代谢综合征是一种以血脂异常、胰岛素抵抗、高胰岛素血症、促凝血状态、促炎症和早期动脉粥样硬化为特征的代谢紊乱。它尤其常与腹部肥胖相关。此外，某些癌症类型与代谢综合征、肥胖和2型糖尿病（T2DM）有关。考虑到AMPK对代谢的影响，它构成了代谢综合征和癌症治疗的共同靶点。

T2DM表现为异常血糖水平和受损的脂质谱。激活AMPK可调节血糖水平，同时改善脂质谱。此外，研究表明，通过抗糖尿病药物激活AMPK也可能对心血管疾病有效。

作为候选药物的AMPK激活剂的开发

研究发现，非AMP模拟物且通过结合AMPK起作用的化合物，会结合到AMPK上一个特殊的区域。该区域位于α亚基的激酶区和β亚基的碳水化合物结合模块之间，被称为变构药物和代谢物（ADaM）位点。结合到ADaM区域的化合物通过变构激活AMPK并防止去磷酸化来发挥其作用。大多数结合ADaM区域的AMPK激活剂显示出相似的空间特征。当将这些与ADaM区域相互作用的化合物进行叠合时，观察到它们在空间中的位置相似。

一项高通量筛选（HTS）研究揭示，对接至AMPK活性位点的化合物尤其通过与酶的α-Asp-88、α-Lys-29、α-Lys-31和α-Gly-19形成氢键而发生相互作用。此外，有报道指出，靶向ADaM区域的化合物通过与Thr-21、Lys-29、Lys-31、His-109和Asn-111等残基形成氢键来稳定该区域，从而磷酸化Ser108残基，该残基对于不依赖于Thr172磷酸化的自身磷酸化至关重要。研究强调，α-Asp-88和β-Arg-83之间，以及β-Ser-108和α-Lys-29之间的相互作用在酶激活过程中尤为重要。已知一些作为AMPK激活剂开发的化合物会选择性地结合不同亚基的异构体。例如，首批激活剂中的A-769662和PF-249选择性连接β1亚基。这种主要存在于肾脏和巨噬细胞中的异构体，已在糖尿病肾病和非酒精性脂肪肝病中被激活。主要位于肌肉和肝脏的β2亚基则提示，对此异构体显示更高亲和力的激活剂可用于治疗糖尿病。激活剂的异构体选择性为在特定疾病治疗中实现选择性AMPK激活提供了重要机会。因此，具有不同化学结构的激活剂仍在不断开发中。

研究表明，不同的AMPK激活剂通过触发自噬而发挥肿瘤抑制的作用。尽管自噬在癌症治疗中的作用从不同角度被讨论，但触发自噬构成了癌症治疗中的重要通路。AMPK的激活导致细胞生长和增殖的抑制、LKB1介导的肿瘤抑制效应的激活以及氧化代谢的调节，后者具有抗Warburg效应。此外，与有氧糖酵解相反，免疫系统增加的氧化代谢表明AMPK也可能具有抗炎特性。AMPK激动剂（AICAR）或当前使用的化合物如水杨酸盐（阿司匹林）和双胍类（二甲双胍、苯乙双胍）能抑制肿瘤细胞增殖，表明AMPK激活剂可能具有抗癌作用。

在各种研究中观察到，代谢综合征患者主要在其骨骼肌和脂肪组织中AMPK活性降低。据报道，AMPK功能受损在T2DM胰岛素抵抗的发展中很重要。另一个在2型糖尿病中的靶点PPARβ/δ，通过激活AMPK发挥其部分作用。因此，认为靶向PPARβ/δ - AMPK通路可能在抗糖尿病药物开发中有益。通过AMPK激活直接或间接改善与T2DM和代谢综合征相关的症状，为治疗提供了良好的策略。

除了作为AMPK激活剂开发的化合物外，据报道一些目前临床使用的药物也通过激活AMPK起作用。例如，具有抗糖尿病特性的噻唑烷二酮类（曲格列酮、罗格列酮和吡格列酮）通过阻断复合物1来激活AMPK。因此，它们除了通过PPARγ起作用外，还通过激活AMPK来展示其胰岛素增敏效应。据报道，已使用多年的药物如阿司匹林和二甲双胍，也通过AMPK依赖的机制，借助AMPK激活抑制mTOR信号，从而显示其LKB1酶介导的抗肿瘤活性。此外，研究表明在大多数癌细胞中，激活AMPK的激酶如LKB1发生了突变。除阿司匹林外，据报道其他水杨酸盐对代谢有各种影响，例如降低肥胖小鼠和T2DM患者的循环甘油三酯和脂肪酸水平，以及增加脂肪酸氧化，这些作用是由AMPK介导的。

结论

作为生物体结构基本单元的细胞的存活，主要与能量循环相关。AMPK参与感知细胞能量状态并据此形成细胞反应。细胞满足能量需求有一些已知的方法。此外，已证明癌细胞偏爱有氧糖酵解（Warburg效应）来满足其能量需求。在缺乏AMPKα信号的情况下，细胞中会出现Warburg效应。然而，研究证明AMPK在体内抑制肿瘤生长，并对Warburg效应进行负调控。此外，有研究指出，在AMPK信号不足的情况下，AMPK的生理激活剂——线粒体活性氧衍生物——会增强Warburg效应。这些研究结果表明，AMPK参与调节细胞代谢稳态，并能检测线粒体活性。LKB1（一种肿瘤抑制基因）也作为调节AMPK激活的激酶之一，这一事实突显了AMPK与癌症之间存在紧密联系。这种相互关联在强调AMPK在癌症潜在机制中起关键作用的研究结果中得到印证。由于已知的几种AMPK激活剂能够抑制自噬通路并具有抗癌特性，使得AMPK成为开发新的癌症疗法和克服耐药性的主要靶点。AMPK可启动自噬通路（衰老、代谢综合征、炎症、癌症等），这使得我们相信AMPK可能在多种情况下发挥作用。大量关于自噬的研究极大地促进了我们在生理和分子层面的理解。在哺乳动物中，自噬在细胞代谢、先天和获得性免疫以及细胞质质量控制中起着至关重要的作用。

基于所有这些信息，可以得出结论：开发新的AMPK激活剂将为某些代谢性疾病的治疗提供一个重要的选择。