AMPK研究进展.ppt

,蛋白激酶AMPK研究进展,韩吉春,主要内容,一什么是AMPK 二AMPK的分子结构 三AMPK在组织中的分布 四AMPK活性调节 五AMPK下游靶标及其生物学效应,一.什么是AMPK,腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase, AMPK)是丝/苏氨酸蛋白激酶，广泛存在于真核生物中，主要协调代谢和能量的需要。激活AMPK，一方面关闭消耗ATP的合成代谢途径； 另一方面启动产生ATP的分解代谢途径能够调节机体的能量代谢，维持能量的供求平衡，故被称为“细胞能量调节器”。短期效应能调节能量代谢，长期效应能调节基因转录。,二AMPK的分子结构,AMPK是一个异源三聚体蛋白，由、和3个亚单位组成。亚单位起催化作用，而和亚单位在维持三聚体稳定性和作用底物特异性方面起重要作用。每个亚单位都存在由2-3种基因所编码的异构体(1， 2、1， 2和1， 2 3)（图2），从理论上来讲， 、和 的不同异构体可形成各种可能的组合,可能有12种。,亚单位含有548个氨基酸，可分为催化区N末端(1312AA)、是起催化作用的核心部位，含有一个典型的丝/苏氨酸蛋白激酶的催化区域，中间一个自动抑制区(312392AA)和C末端一个亚单元结合区域(392548AA)含有变构结合位点，参与和AMP的结合。亚单位中的8个位点(苏氨酸172、苏氨酸258、丝氨酸485等)均可被磷酸化，其中苏氨酸172位点及其磷酸化对AMPK活性的调节起重要作用。研究中所检测的总AMPK及活性AMPK蛋白通常是指其亚单位，,亚单位则好似一个支架，它可把和亚单位连接起来。 亚单位N末端区域之后紧跟着两个保守的结构域KIS和ASC，ASC结构域为形成稳定有活性的的复合物所必需，而KIS并不与激酶的其他亚基相互作用。KIS结构域序列与“N-异淀粉酶结构域”序列密切相关，为亚基上的功能性糖原结合结构域。其功能可能与糖原对AMPK的调节有关。亚基的N端豆蔻酰化和磷酸化，这些翻译后的修饰，调节酶活性和亚基的细胞定位., 亚单位的N端区域在大小和序列上变化较大，与 1相比， 2和 3的N端区域较长。亚单位有4个串行重复的CBS(胱硫醚-合酶:cystathionine-synthase，CBS）结构域。 亚基含有两个能结合激活性核苷酸AMP和抑制性核苷酸ATP的调节位点，这可以使AMPK能灵敏的检测到AMP:ATP比率。,四个CBS域为AMP创建了两个结合位点，通常被称为贝特曼域（Bateman domains）。第一个AMP与贝特曼域结合后，可以增大第二个AMP与另一个贝特曼域的结合亲和力，当AMP结合两个贝特曼域时，亚单位会发生构象变化，这使亚基上的催化域暴露出来。正是在这种催化结构域中，当苏氨酸-172被AMPK上游激酶磷酸化时，AMPK被激活。,三AMPK在组织中的分布,AMPK各亚基的组织分布不同。1分布很广，主要分布于肾、肝、肺、心脏和脑； 2主要分布在骨骼肌、心脏和肝脏。已证实 2亚基也存在于脑神经元中，而且2亚单位含量明显高于1亚基。研究还发现1定位于胞质，而2主要定位于胞核，提示在有ATP损耗的细胞应激反应中，AMPK-2复合物的核定位可能至少部分通过磷酸化转录因子，调节基因表达。,1在肝脏高表达，在骨骼肌中低表达； 而2恰好相反。 1、2广泛分布于各组织细胞，3仅在骨骼肌中含量较高。在大部分细胞中主要以1、1和1异构体为主，而在肝细胞和脑中2 表达较高，骨骼肌和心肌中2、2和2 3 则均有表达。,四AMPK活性调节,1、AMPK的上游激酶 AMPK是一种高度保守的丝氨酸苏氨酸蛋白激酶。目前，据研究发现至少有3种AMPK的上游激酶（AMPKK），分别为LKB1、TAK1和CaMKK。它们的作用位点都是磷酸化AMPK亚基172位苏氨酸 。,LKB1最早发现于PeutzJegher综合征(色素沉着息肉综合征）的研究中，是人体细胞中一个抑癌基因，又 叫 STK11(serine threonine protein kinase 11)， 是 由 lkb基 因 编码 的 丝 氨 酸苏 氨 酸蛋 白激 酶 家族 的成 员 ， 是 一 种 抑 癌 因 素， 其 编 码 的 蛋 白质 称 为 LKB1STK 11。,LKB1可以直接磷酸化AMPK亚单位上的172位苏氨酸而激活AMPK 。 发 挥 作 用 必 须 有 两 个 附 属 蛋 白 质 的 共 同 存 在 ： STRA D 和 M O 2 5 。 STRA D (STE20 related adaptor protein)是 LKB1 特 异 性接头 蛋 白和底 物 ， M O25(mouse protein 25) 主要 参 与 LK B1 的 调 节 ， 它 通 过 结 合 到 STRAD 的 羧 基 端 从 而 发挥 稳 定 STRAD 和 LKB1 复 合 物 的功 能。AMP可以加强LKB1STRADM025复合物对完整AMPK三聚体的磷酸化，但是不能加强该复合物对分离的、单个的AMPK亚基的磷酸化。,CaMKK(钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶)也能够调节AMPK的活性，CaMKK主要存在于神经系统 ，其对Thr172的磷酸化不依赖于AMP浓度的升高，而是通过增高Ca2+浓度从而激活AMPK。其调节是通过细胞内钙离子浓度的升高而启动。,Regulation of AMPK activation.,TAK1(TGF-活化激酶-1)被广泛认为是一种MAPKK(促分裂原活化蛋白激酶激酶)激酶-7，近来研究表明其在AMPK活化通路中具有中枢般的调节作用。研究表明，体外TAK1，以及TAK1相关蛋白TAB1能够使Thr172磷酸化，激活AMPK，从而被认为是一种新的AMPKK。当TAK1缺乏时，LKB1也有一定的活性，提示除了TAK1对AMPK的直接激活作用外，还可能存在着其他的作用机制。,2、通过AMPATP比值调节,AMPK的活性主要受细胞中AMPATP比值和肌酸磷酸肌酸比值的升高的调节。在生理情况下，为了维持基本的代谢需要，细胞中维持着高浓度的ATP水平。在多数真核细胞中，ATPADP的比值约为10：1，而且在很小的范围内变化。在腺苷激酶的作用下2ADP ATP+AMP，因而AMPATP比值是ADPATP的级数，而且比后者的比值变化更为敏感。当细胞受到任何引起ATP生成减少，消耗增加的应激刺激时，AMPATP比值增加，AMPK则被激活。因而，AMP是调节AMPK的关键，但AMP是如何调节AMPK的机制尚不完全清楚。,在体内许多因素，如缺血、缺氧、葡萄糖缺乏、饥饿、电刺激、热休克， 以及一氧化氮、三羧酸循环或氧化磷酸化的抑制剂，如亚砷酸盐、抗霉素A、二硝基苯酚和叠氮化合物等，均导致AMPATP比值显著增高,3.激活剂,目前5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(5-amino-4-imidazolecarboxamide-riboside，AICAR)己作为AMPK的激活剂广泛运用于研究。AICAR能被细胞摄取，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-D-ribofuranosyl-5-monophate)，ZMP具有AMP样作用，可激活AMPK。但AICAR并非AMPK的特异激活剂，因为ZMP也是其他受AMP调节的酶(如磷酸酯酶、果糖-1,6-二磷酸酶)的激活剂。,4.通过AMP非依赖通路调节,瘦素(leptin)和脂联素(adiponectin)均为脂肪细胞分泌的肽类激素。leptin在调节摄食、能量消耗和神经内分泌功能方面起重要作用。最近研究表明，leptin选择性激活骨骼肌中的AMPK2亚基，早期激活是leptin对肌肉的直接作用，而其后的激活作用则有赖于下丘脑-交感神经系统轴，但在下丘脑中leptin抑制AMPK活性，引起摄食减少和体重下降。adiponectin是一种由脂肪细胞产生的抗糖尿病胰岛素抵抗和抗动脉粥样硬化的细胞因子。,五AMPK下游靶标及其生物学效应,1. AMPK对脂代谢的调节 乙酰辅酶A羧化酶(ACC)和羟甲基戊二酸单酰CoA还原酶(HMGR)分别在脂肪酸和胆固醇的合成中起关键作用。激活的AMPK可以使它们磷酸化，抑制它们的功能，从而抑制肝脂肪酸和胆固醇的合成。,2. AMPK对糖代谢的调节,AMPK对糖代谢的调节是一条非胰岛素激活的信号通路，一是诱导葡萄糖转运体4向浆膜转移；二是通过磷酸化转录因子，开启葡萄糖转运体4基因的表达。AICAR(5-氨基-4-甲酰胺咪唑核糖核苷酸,为AMPK的激活剂)和肌肉收缩增加肌肉对葡萄糖的摄取，是通过葡萄糖转运体(GLUT)向胞膜转位来完成的。,在骨骼肌细胞过表达重组激活的AMPK时，可刺激葡萄糖的摄取，并伴随有GLUT1和GLUT4的转位。在脂肪细胞中，AMPK可以增加葡萄糖转运以及GLUT4的转位，该作用与胰岛素信号通路不尽相同。激活脂肪细胞GLUT4的转位，从而增加葡萄糖的转运，该作用有可能是通过p38 AMPK依赖的机制。,AMPK的激活引起磷酸果糖-2-激酶磷酸化，刺激2，6-二磷酸果糖产生，从而促进糖酵解。产生更多ATP。磷酸果糖-2-激酶有四种异构体，只有心脏型和诱导型异构体是AMPK的靶标。肝细胞中激活AMPK不仅可以通过抑制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，还能通过抑制果糖1，6-二磷酸酶抑制糖异生。以及通过磷酸化糖原合酶，抑制糖原合成。,3.抑制蛋白质和成,AMPK的激活将抑制mTOR及其效应器。AMPK可能通过调节mTOR通路，从而抑制蛋白质合成。降低mTOR对其效应器真核细胞启始因子4E结合蛋白、70kD S6激酶、核糖体蛋白S6激酶和真核细胞启始因子4G的磷酸化作用，进而抑制蛋白质合成，减少能量消耗。AMPK可能通过激活真核延长因子2(eukaryotic elongation factor-2，eEF-2)激酶，使eEF-2磷酸化失活，导致蛋白质合成受抑制。,4.诱导细胞凋亡,激活AMPK，通过c-myc或c-Jun N端激酶及其后的caspase通路，诱导胰腺细胞凋亡；通过caspase通路诱导神经母细胞瘤的细胞凋亡。此外， 还发现在神经母细胞瘤中，AICAR活化AMPK后，通过激活核因子kB(nuclear factor-kappaB，NF-kB )，促进氧化应激诱导的凋亡。,5.促进血管生成，调节血管张力,AMPK激活有助于血管生成前Akt信号的维持，AMPK还可通过磷酸化激活内皮型一氧化氮合酶 ，产生一氧化氮，调节血管张力。通过舒张血管平滑肌，增加血流， 以改善缺血缺氧组织的血氧供应。,7.抗炎,AMPK的激活减少cAMP介导的上皮氯化物的分泌，从而减轻炎症反应。,8.对衰老细胞的调控,细胞经AMPK激活剂处理后出现衰老特性，与衰老相关的-半乳糖苷酶活性增加以及P16INK4a表达增加。AMPK激活引起的衰老表型可能与HuR功能下降有关。 HuR 是RNA结合蛋白，AMPK抑制RNA结合蛋白HuR向胞质输出,以及HuR与编码增生性基因的转录本的靶向结合。,9.对心血管系统的调节作用,心肌缺血时，AMPK可被缺氧和氧化应激而激活。而AMPK的活化对缺血再灌具有保护作用，是应激状态下维持心肌能量稳态所必须的。AMPK是一种保护性蛋白激酶，对缺血性心肌损伤具有重要的防护作用