蛋白激酶AMPK研究進(jìn)展蛋白激酶AMPK研究進(jìn)展蛋白激酶AMPK研究進(jìn)展

蛋白激酶AMPK研究進(jìn)展1整理ppt主要內(nèi)容一．什么是AMPK二．AMPK的分子結(jié)構(gòu)三．AMPK在組織中的分布四．AMPK活性調(diào)節(jié)五．AMPK下游靶標(biāo)及其生物學(xué)效應(yīng)2整理ppt一.什么是AMPK腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activatedproteinkinase,AMPK)是絲/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛存在于真核生物中，主要協(xié)調(diào)代謝和能量的需要。激活A(yù)MPK，一方面關(guān)閉消耗ATP的合成代謝途徑；另一方面啟動(dòng)產(chǎn)生ATP的分解代謝途徑能夠調(diào)節(jié)機(jī)體的能量代謝，維持能量的供求平衡，故被稱為“細(xì)胞能量調(diào)節(jié)器”。短期效應(yīng)能調(diào)節(jié)能量代謝，長(zhǎng)期效應(yīng)能調(diào)節(jié)基因轉(zhuǎn)錄。3整理ppt二．AMPK的分子結(jié)構(gòu)AMPK是一個(gè)異源三聚體蛋白，由α、β和γ3個(gè)亞單位組成。α亞單位起催化作用，而β和γ亞單位在維持三聚體穩(wěn)定性和作用底物特異性方面起重要作用。每個(gè)亞單位都存在由2-3種基因所編碼的異構(gòu)體(α1，α2、β1，β2和γ1，γ2γ3)（圖2），從理論上來講，α、β和γ的不同異構(gòu)體可形成各種可能的組合,可能有12種。4整理ppt5整理ppt6整理pptα亞單位含有548個(gè)氨基酸，可分為催化區(qū)N末端(1～312AA)、是起催化作用的核心部位，含有一個(gè)典型的絲/蘇氨酸蛋白激酶的催化區(qū)域，中間一個(gè)自動(dòng)抑制區(qū)(312～392AA)和C末端一個(gè)亞單元結(jié)合區(qū)域(392～548AA)含有變構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)，參與和AMP的結(jié)合。α亞單位中的8個(gè)位點(diǎn)(蘇氨酸172、蘇氨酸258、絲氨酸485等)均可被磷酸化，其中蘇氨酸172位點(diǎn)及其磷酸化對(duì)AMPK活性的調(diào)節(jié)起重要作用。研究中所檢測(cè)的總AMPK及活性AMPK蛋白通常是指其α亞單位，7整理pptβ亞單位則好似一個(gè)支架，它可把α和γ亞單位連接起來。β亞單位N末端區(qū)域之后緊跟著兩個(gè)保守的結(jié)構(gòu)域——KIS和ASC，ASC結(jié)構(gòu)域?yàn)樾纬煞€(wěn)定有活性的αβγ的復(fù)合物所必需，而KIS并不與激酶的其他亞基相互作用。KIS結(jié)構(gòu)域序列與“N-異淀粉酶結(jié)構(gòu)域”序列密切相關(guān)，為β亞基上的功能性糖原結(jié)合結(jié)構(gòu)域。其功能可能與糖原對(duì)AMPK的調(diào)節(jié)有關(guān)。β亞基的N端豆蔻?；土姿峄?，這些翻譯后的修飾，調(diào)節(jié)酶活性和亞基的細(xì)胞定位.8整理pptγ亞單位的N端區(qū)域在大小和序列上變化較大，與γ1相比，γ2和γ3的N端區(qū)域較長(zhǎng)。γ亞單位有4個(gè)串行重復(fù)的CBS(胱硫醚β-合酶:cystathionine-β-synthase，CBS）結(jié)構(gòu)域。γ亞基含有兩個(gè)能結(jié)合激活性核苷酸AMP和抑制性核苷酸ATP的調(diào)節(jié)位點(diǎn)，這可以使AMPK能靈敏的檢測(cè)到AMP:ATP比率。9整理ppt四個(gè)CBS域?yàn)锳MP創(chuàng)建了兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，通常被稱為貝特曼域（Batemandomains）。第一個(gè)AMP與貝特曼域結(jié)合后，可以增大第二個(gè)AMP與另一個(gè)貝特曼域的結(jié)合親和力，當(dāng)AMP結(jié)合兩個(gè)貝特曼域時(shí)，γ亞單位會(huì)發(fā)生構(gòu)象變化，這使α亞基上的催化域暴露出來。正是在這種催化結(jié)構(gòu)域中，當(dāng)蘇氨酸-172被AMPK上游激酶磷酸化時(shí)，AMPK被激活。10整理ppt三．AMPK在組織中的分布AMPK各亞基的組織分布不同。α1分布很廣，主要分布于腎、肝、肺、心臟和腦；α2主要分布在骨骼肌、心臟和肝臟。已證實(shí)α2亞基也存在于腦神經(jīng)元中，而且α2亞單位含量明顯高于α1亞基。研究還發(fā)現(xiàn)α1定位于胞質(zhì)，而α2主要定位于胞核，提示在有ATP損耗的細(xì)胞應(yīng)激反應(yīng)中，AMPK-α2復(fù)合物的核定位可能至少部分通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子，調(diào)節(jié)基因表達(dá)。11整理ppt

β1在肝臟高表達(dá)，在骨骼肌中低表達(dá)；而β2恰好相反。γ1、γ2廣泛分布于各組織細(xì)胞，γ3僅在骨骼肌中含量較高。在大部分細(xì)胞中主要以α1、β1和γ1異構(gòu)體為主，而在肝細(xì)胞和腦中α2表達(dá)較高，骨骼肌和心肌中α2、β2和γ2γ3則均有表達(dá)。12整理ppt四．AMPK活性調(diào)節(jié)

1、AMPK的上游激酶

AMPK是一種高度保守的絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶。目前，據(jù)研究發(fā)現(xiàn)至少有3種AMPK的上游激酶（AMPKK），分別為L(zhǎng)KB1、TAK1和CaMKK。它們的作用位點(diǎn)都是磷酸化AMPKα亞基172位蘇氨酸。

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LKB1最早發(fā)現(xiàn)于Peutz—Jegher綜合征(色素沉著息肉綜合征）的研究中，是人體細(xì)胞中一個(gè)抑癌基因，又叫STK11(serine／threonineproteinkinase11)，是由lkb基因編碼的絲氨酸／蘇氨酸蛋白激酶家族的成員，是一種抑癌因素，其編碼的蛋白質(zhì)稱為L(zhǎng)KB1／STK11。14整理pptLKB1可以直接磷酸化AMPKα亞單位上的172位蘇氨酸而激活A(yù)MPK。發(fā)揮作用必須有兩個(gè)附屬蛋白質(zhì)的共同存在：STRAD和MO25。STRAD(STE20relatedadaptorprotein)是LKB1特異性接頭蛋白和底物，MO25(mouseprotein25)主要參與LKB1的調(diào)節(jié)，它通過結(jié)合到STRAD的羧基端從而發(fā)揮穩(wěn)定STRAD和LKB1復(fù)合物的功能。AMP可以加強(qiáng)LKB1／STRAD／M025復(fù)合物對(duì)完整AMPK三聚體的磷酸化，但是不能加強(qiáng)該復(fù)合物對(duì)分離的、單個(gè)的AMPKα亞基的磷酸化。15整理ppt

CaMKK(鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶激酶)也能夠調(diào)節(jié)AMPK的活性，CaMKK主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)，其對(duì)Thr172的磷酸化不依賴于AMP濃度的升高，而是通過增高Ca2+濃度從而激活A(yù)MPK。其調(diào)節(jié)是通過細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度的升高而啟動(dòng)。16整理pptRegulationofAMPKactivation.17整理ppt

TAK1(TGF-β活化激酶-1)被廣泛認(rèn)為是一種MAPKK(促分裂原活化蛋白激酶激酶)激酶-7，近來研究表明其在AMPK活化通路中具有中樞般的調(diào)節(jié)作用。研究表明，體外TAK1，以及TAK1相關(guān)蛋白TAB1能夠使Thr172磷酸化，激活A(yù)MPK，從而被認(rèn)為是一種新的AMPKK。當(dāng)TAK1缺乏時(shí)，LKB1也有一定的活性，提示除了TAK1對(duì)AMPK的直接激活作用外，還可能存在著其他的作用機(jī)制。18整理ppt2、通過AMP／ATP比值調(diào)節(jié)AMPK的活性主要受細(xì)胞中AMP／ATP比值和肌酸／磷酸肌酸比值的升高的調(diào)節(jié)。在生理情況下，為了維持基本的代謝需要，細(xì)胞中維持著高濃度的ATP水平。在多數(shù)真核細(xì)胞中，ATP／ADP的比值約為10：1，而且在很小的范圍內(nèi)變化。在腺苷激酶的作用下2ADP←→ATP+AMP，因而AMP／ATP比值是ADP／ATP的級(jí)數(shù)，而且比后者的比值變化更為敏感。當(dāng)細(xì)胞受到任何引起ATP生成減少，消耗增加的應(yīng)激刺激時(shí)，AMP／ATP比值增加，AMPK則被激活。因而，AMP是調(diào)節(jié)AMPK的關(guān)鍵，但AMP是如何調(diào)節(jié)AMPK的機(jī)制尚不完全清楚。19整理ppt在體內(nèi)許多因素，如缺血、缺氧、葡萄糖缺乏、饑餓、電刺激、熱休克，以及一氧化氮、三羧酸循環(huán)或氧化磷酸化的抑制劑，如亞砷酸鹽、抗霉素A、二硝基苯酚和疊氮化合物等，均導(dǎo)致AMP／ATP比值顯著增高20整理ppt21整理ppt3.激活劑目前5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(5-amino-4-imidazolecarboxamide-riboside，AICAR)己作為AMPK的激活劑廣泛運(yùn)用于研究。AICAR能被細(xì)胞攝取，在腺苷激酶的磷酸化作用下形成一磷酸衍生物ZMP(5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-β-D-ribofuranosyl-5-monophate)，ZMP具有AMP樣作用，可激活A(yù)MPK。但AICAR并非AMPK的特異激活劑，因?yàn)閆MP也是其他受AMP調(diào)節(jié)的酶(如磷酸酯酶、果糖-1,6-二磷酸酶)的激活劑。22整理ppt23整理ppt4.通過AMP非依賴通路調(diào)節(jié)

瘦素(leptin)和脂聯(lián)素(adiponectin)均為脂肪細(xì)胞分泌的肽類激素。leptin在調(diào)節(jié)攝食、能量消耗和神經(jīng)內(nèi)分泌功能方面起重要作用。最近研究表明，leptin選擇性激活骨骼肌中的AMPKα2亞基，早期激活是leptin對(duì)肌肉的直接作用，而其后的激活作用則有賴于下丘腦-交感神經(jīng)系統(tǒng)軸，但在下丘腦中l(wèi)eptin抑制AMPK活性，引起攝食減少和體重下降。adiponectin是一種由脂肪細(xì)胞產(chǎn)生的抗糖尿病胰島素抵抗和抗動(dòng)脈粥樣硬化的細(xì)胞因子。24整理ppt25整理ppt五．AMPK下游靶標(biāo)及其生物學(xué)效應(yīng)1.AMPK對(duì)脂代謝的調(diào)節(jié)

乙酰輔酶A羧化酶(ACC)和羥甲基戊二酸單酰CoA還原酶(HMGR)分別在脂肪酸和膽固醇的合成中起關(guān)鍵作用。激活的AMPK可以使它們磷酸化，抑制它們的功能，從而抑制肝脂肪酸和膽固醇的合成。26整理ppt2.AMPK對(duì)糖代謝的調(diào)節(jié)

AMPK對(duì)糖代謝的調(diào)節(jié)是一條非胰島素激活的信號(hào)通路，一是誘導(dǎo)葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4向漿膜轉(zhuǎn)移；二是通過磷酸化轉(zhuǎn)錄因子，開啟葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體4基因的表達(dá)。AICAR(5-氨基-4-甲酰胺咪唑核糖核苷酸,為AMPK的激活劑)和肌肉收縮增加肌肉對(duì)葡萄糖的攝取，是通過葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)體(GLUT)向胞膜轉(zhuǎn)位來完成的。27整理ppt

在骨骼肌細(xì)胞過表達(dá)重組激活的AMPK時(shí)，可刺激葡萄糖的攝取，并伴隨有GLUT1和GLUT4的轉(zhuǎn)位。在脂肪細(xì)胞中，AMPK可以增加葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)以及GLUT4的轉(zhuǎn)位，該作用與胰島素信號(hào)通路不盡相同。激活脂肪細(xì)胞GLUT4的轉(zhuǎn)位，從而增加葡萄糖的轉(zhuǎn)運(yùn)，該作用有可能是通過p38AMPK依賴的機(jī)制。28整理ppt

AMPK的激活引起磷酸果糖-2-激酶磷酸化，刺激2，6-二磷酸果糖產(chǎn)生，從而促進(jìn)糖酵解。產(chǎn)生更多ATP。磷酸果糖-2-激酶有四種異構(gòu)體，只有心臟型和誘導(dǎo)型異構(gòu)體是AMPK的靶標(biāo)。肝細(xì)胞中激活A(yù)MPK不僅可以通過抑制6-磷酸果糖2-激酶、L型丙酮酸激酶(L-PK)等抑制葡萄糖酵解，還能通過抑制果糖1，6-二磷酸酶抑制糖異生。以及通過磷酸化糖原合酶，抑制糖原合成。29整理ppt3.抑制蛋白質(zhì)和成

AMPK的激活將抑制mTOR及其效應(yīng)器。AMPK可能通過調(diào)節(jié)mTOR通路，從而抑制蛋白質(zhì)合成。降低mTOR對(duì)其效應(yīng)器真核細(xì)胞啟始因子4E結(jié)合蛋白、70kDS6激酶、核糖體蛋白S6激酶和真核細(xì)胞啟始因子4G的磷酸化作用，進(jìn)而抑制蛋白質(zhì)合成，減少能量消耗。AMPK可能通過激活真核延長(zhǎng)因子2(eukaryoticelongationfactor-2，eEF-2)激酶，使eEF-2磷酸化失活，導(dǎo)致蛋白質(zhì)合成受抑制。

30整理ppt4.誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡

激活A(yù)MPK，通過c-myc或c-JunN端激酶及其后的caspase通路，誘導(dǎo)胰腺β細(xì)胞凋亡；通過caspase通路誘導(dǎo)神經(jīng)母細(xì)胞瘤的細(xì)胞凋亡。此外，還發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)母細(xì)胞瘤中，AICAR活化AMPK后，通過激活核因子kB(nuclearfactor-kappaB，NF-kB)，促進(jìn)氧化應(yīng)激誘導(dǎo)的凋亡。31整理ppt5.促進(jìn)血管生成，調(diào)節(jié)血管張力

AMPK激活有助于血管生成前Akt信號(hào)的維持，AMPK還可通過磷酸化激活內(nèi)皮型一氧化氮合酶，產(chǎn)生一氧化氮，調(diào)節(jié)血管張力。通過舒張血管平滑肌，增加血流，以改善缺血缺氧組織的血氧供應(yīng)。32整理ppt7.抗炎

AMPK的激活減少cAMP介導(dǎo)的上皮氯化物的分泌，從而減輕炎癥反應(yīng)。33整理ppt8.對(duì)衰老細(xì)胞的調(diào)控

細(xì)胞經(jīng)AMPK激活劑處理后出現(xiàn)衰老特性，與衰老相關(guān)的β-半乳糖苷酶活性增加以及P16INK4a表達(dá)增加。AMPK激活引起的衰老表型可能與HuR功能下降有關(guān)。HuR是RNA結(jié)合蛋白，AMPK抑制RNA結(jié)合蛋白HuR向胞質(zhì)輸出,以及HuR與編碼增生性基因的轉(zhuǎn)錄本的靶向結(jié)合。34整理ppt9.對(duì)心血管系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用

心肌缺血時(shí)，AMPK可被缺氧和氧化應(yīng)激而激活。而AMPK的活化對(duì)缺血再灌具有保護(hù)作用，是應(yīng)激狀態(tài)下維持心肌能量穩(wěn)態(tài)所必須的。AMPK是一種保護(hù)性蛋白激酶，對(duì)缺血性心肌損傷具有重要的防護(hù)作用。當(dāng)心肌缺血時(shí)，免疫調(diào)節(jié)因子MIF(巨噬細(xì)胞移動(dòng)抑制因子)可調(diào)控AM