AMPK信号通路在细胞代谢与人类疾病中的多维调控网络及治疗靶向研究

《Signal Transduction and Targeted Therapy》：The AMPK signaling pathway in cell metabolism and human diseases

　　

摘要专业翻译 腺苷5‘-单磷酸活化蛋白激酶（AMPK）作为一种高度保守的能量感应激酶，在维持细胞代谢稳态（如葡萄糖/脂质代谢、线粒体生物发生和自噬）中发挥核心作用，以应对能量应激。除通过感知ATP：AMP/ADP比率实现经典的腺苷酸依赖性AMPK激活外，新近证据揭示了非经典激活机制的存在。正常的AMPK信号传导对生理功能至关重要，而其失调则构成多种病理状态的基础，包括代谢性疾病、免疫紊乱和癌症。本综述系统梳理了AMPK领域的历史背景和里程碑式发现，包括AMPK的发现、AMPK复合物的结构、上游调控激酶和下游底物，以及转录/转录后和翻译后调控机制。此外，研究人员阐述了AMPK在维持跨器官系统的代谢平衡、线粒体完整性和免疫能力中的作用，并重点阐明AMPK活性失调如何导致病理疾病，涵盖其表达水平、固有激酶活性、亚细胞定位或上游调控信号级联的改变。特别地，研究人员聚焦于用于研究AMPK相关人类疾病的基因敲入或敲除小鼠模型，以及靶向AMPK的激动剂或拮抗剂在不同病理条件下的转化应用潜力。本综述提供的对AMPK多维调控网络的深入理解及机制见解与治疗创新，将有助于应对复杂代谢疾病带来的挑战。

论文主体内容总结

发现与历史背景

初步发现

AMPK的研究历程始于20世纪70年代。1973年，David Gibson研究团队观察到3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶（HMGR），一种胆固醇合成的关键调控酶，可被大鼠肝脏胞质蛋白组分以时间依赖方式灭活。与此同时，Ki-Han Kim团队报道了乙酰辅酶A羧化酶（ACC），脂肪酸合成的关键调控酶，存在类似的灭活机制。后续研究表明，这种胞质因子（后被鉴定为一种蛋白激酶）在AMP或ADP升高时通过磷酸化修饰灭活HMGR，且该激酶可被AMP以强于ADP的效力变构激活。1987年，Grahame Hardie团队最终证实HMGR和ACC由同一种AMP活化激酶磷酸化并灭活，这一统一机制促使其于1988年被正式命名为“AMP活化蛋白激酶”，缩写AMPK得以标准化。

AMPK异源三聚体结构与分子激活机制

1989年，Carling等人首次实现了大鼠AMPK的纯化与鉴定，确定其催化激酶蛋白分子量约为63 kDa，即现今所知的AMPKα亚基。Hardie团队与Kemp团队随后揭示了哺乳动物AMPK复合物的异源三聚体组成，即α（63 kDa）、β（38 kDa）和γ（35 kDa）亚基。cDNA克隆和蛋白质序列相似性分析证明了AMPK在进化上的保守性。AMPK激活模型通过三种机制得以阐明：直接变构激活、α亚基激活环中苏氨酸172位点（人类AMPKα2中为Thr172，α1中保守的T183）的磷酸化，以及抑制蛋白磷酸酶对其去磷酸化。γ亚基被证实直接参与AMPK复合物中AMP的结合。人类PRKAG2基因（编码γ2亚基）突变与肥厚型心肌病的关联，凸显了AMPK在心脏健康中的临床相关性。

结构解析方面，2003年Neumann等人建立了大肠杆菌中共表达亚基的功能性AMPK异源三聚体表达纯化系统。2005年，Parker团队报道了大鼠AMPKβ1亚基碳水化合物结合模块（β-CBM）与β-环糊精复合物的晶体结构，Tong团队则解析了酵母AMP活化蛋白激酶Snf1激酶结构域（KD）的晶体结构。2009年，Wu团队解析了含有催化KD和自抑制结构域（AID）的AMPKα亚基片段的晶体结构，阐明了AID介导AMPK自抑制的结构基础。2007年，Shapiro团队与Tong团队分别独立解析了裂殖酵母和酿酒酵母中AMPK同源物的异源三聚体核心晶体结构。Gamblin团队则解析了首个哺乳动物AMPK异源三聚体结构。2011年，Gamblin团队呈现了包含完整催化α亚基的AMPK复合物结构，证明了ADP对AMPK去磷酸化和失活的保护作用。同年，Li等人利用单颗粒电镜和三维重构报道了全长大鼠AMPK的首个三维结构，提出AMPK活性调控的“三态模型”。2013年，Wu团队纠正了AID结构和α-linker结构中的错误解析，并鉴定了一个新的α亚基基序，即调控亚基相互作用基序（α-RIM），该基序与γ亚基的腺苷酸结合位点协同作用。2013年，Gamblin和Carling团队解析了AMPK与小分子激活剂991结合的晶体结构，发现了激酶结构域与碳水化合物结合模块之间的结合位点。2021年，Melcher团队利用冷冻电镜解析了完全失活、ATP结合状态的AMPK复合物结构，该结构中激酶结构域发生180°旋转和100 ?位移，完全暴露激酶激活环，从而导致AMPK去磷酸化。

功能发现与上游调控

2003年，里程碑式的发现揭示肝激酶B1（LKB1）是负责磷酸化AMPK关键Thr172残基的主要上游激酶。2005年，CaMKK2/β被确认为哺乳动物细胞中AMPK的第二个上游激酶。转化生长因子-β活化蛋白激酶（TAK1）被认定为第三个真正的上游激酶。自20世纪80年代以来，研究人员逐步阐明了AMPK通过感知AMP/ATP比率升高在细胞能量稳态中的作用，特别是在营养饥饿、运动和低氧等能量应激情境下。在能量应激期间，AMPK通过直接磷酸化参与多种通路的关键底物来恢复能量平衡，这些作用大致可分为两类：抑制合成代谢以减少ATP消耗，以及促进分解代谢以刺激ATP产生。过去20年中，不同情境下新AMPK底物的不断发现，扩展了AMPK的生理和病理功能，如DNA损伤、自噬、线粒体稳态、细胞周期、癌症功能障碍、抗病毒免疫应答、细胞死亡和衰老等。

治疗靶向与药物开发

1999年，Winder和Hardie提出AMPK激活剂可能成为2型糖尿病的有效治疗方法。1995年，AICA核苷被首次提出可在完整细胞中激活AMPK，后续研究证明其可减少分离的大鼠肝细胞中的糖异生并促进分离或灌注肌肉中的葡萄糖摄取。然而，由于疗效持续时间短和副作用，AICAR无法作为人类临床药物使用。2001年，二甲双胍被发现可在肝细胞中激活AMPK，降低ACC活性并促进脂肪酸氧化。噻唑烷二酮类药物也被发现可抑制呼吸链复合物I并快速激活哺乳动物组织中的AMPK。2006年，研究人员从约70万个化合物中筛选出首个AMPK小分子激活剂A-769662，其直接变构激活纯化的大鼠肝脏AMPK，结合于α亚基激酶结构域N端叶与β亚基CBM之间形成的代谢物（ADaM）位点。ADaM位点激活剂包括水杨酸盐、991、MK-8722、PF249和PF-739等。近期，一些显示出临床转化潜力的激活剂被相继鉴定，如O304和PXL770。AMPK药物开发的演进反映了对AMPK生物学理解的不断深入及其在多种疾病情境中治疗潜力的日益认可。

AMPK的组成与结构

α亚基/β亚基/γ亚基

AMPK作为一种高度保守的异源三聚体复合物，由催化性α亚基以及调节性β和γ亚基组成。哺乳动物中存在两种α1/α2亚型、两种β1/β2亚型和三种γ1/γ2/γ3亚型。这些亚型可组装成至少12种不同的αβγ异源三聚体组合，每种组合具有不同的组织和亚细胞表达模式。α亚基作为AMPK复合物的催化核心，包含负责磷酸化下游底物的激酶结构域。α亚基激酶结构域采用典型的蛋白激酶折叠，由较小的N端叶和较大的C端叶组成，共同形成催化裂隙。β亚基包含碳水化合物结合模块（CBM）和羧基末端结构域（β-CTD），β-CBM具有结合糖原的功能。γ亚基以可变的N端结构域（NTDs）、β结合结构域和四个胱硫醚β-合酶结构域（CBS1、CBS2、CBS3、CBS4）为特征，这四个结构域共同形成两个Bateman结构域，负责与AMP/ADP/ATP结合。