AMPK研究进展72505实用教案

主要主要(zhyo)内容内容n一什么是一什么是AMPKAMPKn二二AMPKAMPK的分子结构的分子结构n三三AMPKAMPK在组织中的分布在组织中的分布(fnb)(fnb)n四四AMPKAMPK活性调节活性调节n五五AMPKAMPK下游靶标及其生物学效应下游靶标及其生物学效应第1页/共39页第一页，共40页。一一. .什么什么(shn me)(shn me)是是AMPKAMPKn 腺苷酸活化蛋白激酶腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated (AMP-activated protein kinase, AMPK)protein kinase, AMPK)是丝是丝/ /苏氨酸蛋白激酶，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广泛存在于真核生物中，主要协调代谢和能量的需要。激活需要。激活AMPKAMPK，一方面关闭，一方面关闭(gunb)(gunb)消耗消耗ATPATP的合成代谢途径；的合成代谢途径； 另一方面启动产生另一方面启动产生ATPATP的分解的分解代谢途径能够调节机体的能量代谢，维持能量的代谢途径能够调节机体的能量代谢，维持能量的供求平衡，故被称为供求平衡，故被称为“细胞能量调节器细胞能量调节器”。短期。短期效应能调节能量代谢，长期效应能调节基因转录。效应能调节能量代谢，长期效应能调节基因转录。第2页/共39页第二页，共40页。二AMPK的分子结构(fn z ji u)n AMPK AMPK是一个异源三聚体蛋白，由是一个异源三聚体蛋白，由、和和33个亚单位组成。个亚单位组成。亚单位起催化作用，而亚单位起催化作用，而和和亚亚单位在维持三聚体稳定性和作用底物特异性方面单位在维持三聚体稳定性和作用底物特异性方面(fngmin)(fngmin)起重要作用。每个亚单位都存在由起重要作用。每个亚单位都存在由2-32-3种基因所编码的异构体种基因所编码的异构体(1(1， 2 2、11， 2 2和和11， 2 3) 2 3)（图（图2 2），从理论上来讲，），从理论上来讲， 、和和 的不同异构体可形成各种可能的组合的不同异构体可形成各种可能的组合, ,可能有可能有1212种。种。第3页/共39页第三页，共40页。第4页/共39页第四页，共40页。第5页/共39页第五页，共40页。n 亚单位含有亚单位含有548548个氨基酸，可分为催化区个氨基酸，可分为催化区N N末端末端(m dun)(1(m dun)(1312AA)312AA)、是起催化作用的核心部位，、是起催化作用的核心部位，含有一个典型的丝含有一个典型的丝/ /苏氨酸蛋白激酶的催化区域，中苏氨酸蛋白激酶的催化区域，中间一个自动抑制区间一个自动抑制区(312(312392AA)392AA)和和C C末端末端(m dun)(m dun)一个亚单元结合区域一个亚单元结合区域(392(392548AA)548AA)含有变构结合位点，含有变构结合位点，参与和参与和AMPAMP的结合。的结合。亚单位中的亚单位中的8 8个位点个位点( (苏氨酸苏氨酸172172、苏氨酸苏氨酸258258、丝氨酸、丝氨酸485485等等) )均可被磷酸化，其中苏氨均可被磷酸化，其中苏氨酸酸172172位点及其磷酸化对位点及其磷酸化对AMPKAMPK活性的调节起重要作用。活性的调节起重要作用。研究中所检测的总研究中所检测的总AMPKAMPK及活性及活性AMPKAMPK蛋白通常是指其蛋白通常是指其亚单位，亚单位，第6页/共39页第六页，共40页。n 亚单位则好似亚单位则好似(ho s)(ho s)一个支架，它可把一个支架，它可把和和亚单位连接起来。亚单位连接起来。 亚单位亚单位N N末端区域之后紧跟着末端区域之后紧跟着两个保守的结构域两个保守的结构域KISKIS和和ASCASC，ASCASC结构域为形成结构域为形成稳定有活性的稳定有活性的的复合物所必需，而的复合物所必需，而KISKIS并不与并不与激酶的其他亚基相互作用。激酶的其他亚基相互作用。KISKIS结构域序列与结构域序列与“N-“N-异异淀粉酶结构域淀粉酶结构域”序列密切相关，为序列密切相关，为亚基上的功能性亚基上的功能性糖原结合结构域。其功能可能与糖原对糖原结合结构域。其功能可能与糖原对AMPKAMPK的调节有的调节有关。关。亚基的亚基的N N端豆蔻酰化和磷酸化，这些翻译后的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修饰，调节酶活性和亚基的细胞定位. .第7页/共39页第七页，共40页。n 亚单位的亚单位的N N端区域在大小和序列上变化较端区域在大小和序列上变化较大，与大，与 1 1相比，相比， 2 2和和 3 3的的N N端区域较端区域较长。长。亚单位有亚单位有4 4个串行重复的个串行重复的CBS(CBS(胱硫醚胱硫醚-合酶合酶:cystathionine-synthase:cystathionine-synthase，CBSCBS）结）结构域。构域。 亚基含有两个能结合激活性核苷酸亚基含有两个能结合激活性核苷酸AMPAMP和抑制性核苷酸和抑制性核苷酸ATPATP的调节位点，这可以使的调节位点，这可以使AMPKAMPK能灵敏能灵敏(ln mn)(ln mn)的检测到的检测到AMP:ATPAMP:ATP比率。比率。 第8页/共39页第八页，共40页。n 四个四个CBSCBS域为域为AMPAMP创建了两个结合位点，通常被称创建了两个结合位点，通常被称为贝特曼域（为贝特曼域（Bateman domainsBateman domains）。第一个）。第一个AMPAMP与贝与贝特曼域结合后，可以增大第二个特曼域结合后，可以增大第二个AMPAMP与另一个贝特曼与另一个贝特曼域的结合亲和力，当域的结合亲和力，当AMPAMP结合两个贝特曼域时，结合两个贝特曼域时，亚亚单位会发生构象变化，这使单位会发生构象变化，这使亚基上的催化域暴露出亚基上的催化域暴露出来。正是在这种催化结构域中，当苏氨酸来。正是在这种催化结构域中，当苏氨酸-172-172被被AMPKAMPK上游激酶上游激酶(jmi)(jmi)磷酸化时，磷酸化时，AMPKAMPK被激活。被激活。第9页/共39页第九页，共40页。三AMPK在组织(zzh)中的分布n AMPK AMPK各亚基的组织分布不同。各亚基的组织分布不同。11分布很广，分布很广，主要分布于肾、肝、肺、心脏和脑；主要分布于肾、肝、肺、心脏和脑； 2 2主要主要分布在骨骼肌、心脏和肝脏。已证实分布在骨骼肌、心脏和肝脏。已证实 2 2亚基亚基也存在于脑神经元中，而且也存在于脑神经元中，而且22亚单位含量明显亚单位含量明显高于高于11亚基。研究还发现亚基。研究还发现11定位于胞质，而定位于胞质，而22主要定位于胞核，提示在有主要定位于胞核，提示在有ATPATP损耗损耗(snho)(snho)的细胞应激反应中，的细胞应激反应中，AMPK-2AMPK-2复合物的核定位复合物的核定位可能至少部分通过磷酸化转录因子，调节基因可能至少部分通过磷酸化转录因子，调节基因表达。表达。第10页/共39页第十页，共40页。n 1在肝脏高表达，在骨骼肌中低表达； 而2恰好相反。 n 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(zhyo)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。第11页/共39页第十一页，共40页。四四AMPKAMPK活性调节活性调节(tioji)(tioji)n 1、AMPK的上游激酶n AMPK是一种高度(god)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 。n n 第12页/共39页第十二页，共40页。 LKB1 LKB1最早发现于最早发现于PeutzJegherPeutzJegher综合征综合征( (色色素素(s s)(s s)沉着息肉综合征）的研究中，是人体沉着息肉综合征）的研究中，是人体细胞中一个抑癌基因，又细胞中一个抑癌基因，又 叫叫 STK11(serine STK11(serine threonine protein kinase 11)threonine protein kinase 11)， 是是 由由 lkblkb基基 因因 编码编码 的的 丝丝 氨氨 酸苏酸苏 氨氨 酸蛋酸蛋 白白激激 酶酶 家族家族 的成的成 员员 ， 是是 一一 种种 抑抑 癌癌 因因 素，素， 其其 编编 码码 的的 蛋蛋 白质白质 称称 为为 LKB1 LKB1STK STK 1111。第13页/共39页第十三页，共40页。 LKB1可以直接可以直接(zhji)磷酸化磷酸化AMPK亚亚单位上的单位上的172位苏氨酸而激活位苏氨酸而激活AMPK 。 发发 挥挥 作作 用用 必必 须须 有有 两两 个个 附附 属属 蛋蛋 白白 质质 的的 共共 同同 存存 在在 ： STRA D 和和 M O 2 5 。 STRA D (STE20 related adaptor protein)是是 LKB1 特特 异异 性接头性接头 蛋蛋 白和底白和底 物物 ， M O25(mouse protein 25) 主要主要 参参 与与 LK B1 的的 调调 节节 ， 它它 通通 过过 结结 合合 到到 STRAD 的的 羧羧 基基 端端 从从 而而 发挥发挥 稳稳 定定 STRAD 和和 LKB1 复复 合合 物物 的功的功 能。能。AMP可可以加强以加强LKB1STRADM025复合物对完整复合物对完整AMPK三聚体的磷酸化，但是不能加强该复合三聚体的磷酸化，但是不能加强该复合物对分离的、单个的物对分离的、单个的AMPK亚基的磷酸化。亚基的磷酸化。第14页/共39页第十四页，共40页。 CaMKK( CaMKK(钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶) )也能够调节也能够调节AMPKAMPK的活性，的活性，CaMKKCaMKK主要存在于神经系统主要存在于神经系统(shnjngxtng) (shnjngxtng) ，其对，其对Thr172Thr172的磷酸化不依赖于的磷酸化不依赖于AMPAMP浓度的升高，而是通过增高浓度的升高，而是通过增高Ca2+Ca2+浓度从而激活浓度从而激活AMPKAMPK。其调节是通过细胞内钙离子浓度的升高而启动。其调节是通过细胞内钙离子浓度的升高而启动。第15页/共39页第十五页，共40页。Regulation of AMPK activation. 第16页/共39页第十六页，共40页。 TAK1(TGF- TAK1(TGF-活化激酶活化激酶-1)-1)被广泛认为是一种被广泛认为是一种MAPKK(MAPKK(促分裂原活化蛋白激酶激酶促分裂原活化蛋白激酶激酶) )激酶激酶-7-7，近来研，近来研究表明其在究表明其在AMPKAMPK活化通路中具有中枢般的调节作用。活化通路中具有中枢般的调节作用。研究表明，体外研究表明，体外TAK1TAK1，以及，以及TAK1TAK1相关蛋白相关蛋白TAB1TAB1能够使能够使Thr172Thr172磷酸化，激活磷酸化，激活AMPKAMPK，从而被认为是一种新的，从而被认为是一种新的AMPKKAMPKK。当。当TAK1TAK1缺乏时，缺乏时，LKB1LKB1也有一定的活性，提示也有一定的活性，提示除了除了TAK1TAK1对对AMPKAMPK的直接的直接(zhji)(zhji)激活作用外，还可激活作用外，还可能存在着其他的作用机制。能存在着其他的作用机制。第17页/共39页第十七页，共40页。2、通过(tnggu)AMPATP比值调节 AMPK AMPK的活性主要受细胞中的活性主要受细胞中AMPAMPATPATP比值比值和肌酸磷酸肌酸比值的升高的调节。在生理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，细胞中维情况下，为了维持基本的代谢需要，细胞中维持着高浓度的持着高浓度的ATPATP水平水平(shupng)(shupng)。在多数真核。在多数真核细胞中，细胞中，ATPATPADPADP的比值约为的比值约为1010：1 1，而且在很，而且在很小的范围内变化。在腺苷激酶的作用下小的范围内变化。在腺苷激酶的作用下2ADP ATP+AMP2ADP ATP+AMP，因而，因而AMPAMPATPATP比值是比值是ADPADPATPATP的级数，而且比后者的比值变化更为敏感。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当细胞受到任何引起ATPATP生成减少，消耗增加的生成减少，消耗增加的应激刺激时，应激刺激时，AMPAMPATPATP比值增加，比值增加，AMPKAMPK则被激则被激活。因而，活。因而，AMPAMP是调节是调节AMPKAMPK的关键，但的关键，但AMPAMP是如是如何调节何调节AMPKAMPK的机制尚不完全清楚。的机制尚不完全清楚。第18页/共39页第十八页，共40页。 在体内在体内(t ni)许多因素，如缺血、缺氧、许多因素，如缺血、缺氧、葡萄糖缺乏、饥饿、电刺激、热休克，葡萄糖缺乏、饥饿、电刺激、热休克， 以及一氧以及一氧化氮、三羧酸循环或氧化磷酸化的抑制剂，如亚化氮、三羧酸循环或氧化磷酸化的抑制剂，如亚砷酸盐、抗霉素砷酸盐、抗霉素A、二硝基苯酚和叠氮化合物等，、二硝基苯酚和叠氮化合物等，均导致均导致AMPATP比值显著增高比值显著增高第19页/共39页第十九页，共40页。第20页/共39页第二十页，共40页。3.3.激活剂激活剂 目前目前5-5-氨基咪唑氨基咪唑-4-4-甲酰胺核糖核苷酸甲酰胺核糖核苷酸(5-(5-amino-4-imidazolecarboxamide-ribosideamino-4-imidazolecarboxamide-riboside，AICAR)AICAR)己作为己作为AMPKAMPK的激活剂广泛运用于研究。的激活剂广泛运用于研究。AICARAICAR能被细胞摄取，在腺苷激酶的磷酸能被细胞摄取，在腺苷激酶的磷酸(ln sun)(ln sun)化作用下形成一磷酸化作用下形成一磷酸(ln sun)(ln sun)衍生物衍生物ZMP(5-ZMP(5-aminoimidazole-4-carboxamide-1-D-aminoimidazole-4-carboxamide-1-D-ribofuranosyl-5-monophate)ribofuranosyl-5-monophate)，ZMPZMP具有具有AMPAMP样作样作用，可激活用，可激活AMPKAMPK。但。但AICARAICAR并非并非AMPKAMPK的特异激活剂，的特异激活剂，因为因为ZMPZMP也是其他受也是其他受AMPAMP调节的酶调节的酶( (如磷酸如磷酸(ln sun)(ln sun)酯酶、果糖酯酶、果糖-1,6-1,6-二磷酸二磷酸(ln sun)(ln sun)酶酶) )的激活剂。的激活剂。第21页/共39页第二十一页，共40页。第22页/共39页第二十二页，共40页。4.4.通过通过AMPAMP非依赖非依赖(yli)(yli)通路调节通路调节 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(zuyng)。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(zuyng)，而其后的激活作用(zuyng)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。第23页/共39页第二十三页，共40页。第24页/共39页第二十四页，共40页。五五AMPKAMPK下游下游(xiyu)(xiyu)靶标及其生物学效应靶标及其生物学效应n1. AMPK1. AMPK对脂代谢的调节对脂代谢的调节n n 乙酰辅酶乙酰辅酶A A羧化酶羧化酶(ACC)(ACC)和和羟甲基戊二酸单酰羟甲基戊二酸单酰CoACoA还原酶还原酶(HMGR)(HMGR)分分别别(fnbi)(fnbi)在脂肪酸和胆固醇的合成在脂肪酸和胆固醇的合成中起关键作用。激活的中起关键作用。激活的AMPKAMPK可以使它可以使它们磷酸化，抑制它们的功能，从而抑们磷酸化，抑制它们的功能，从而抑制肝脂肪酸和胆固醇的合成。制肝脂肪酸和胆固醇的合成。第25页/共39页第二十五页，共40页。2. AMPK2. AMPK对糖代谢对糖代谢(dixi)(dixi)的调节的调节n 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(tnggu)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(tnggu)葡萄糖转运体(GLUT)向胞膜转位来完成的。第26页/共39页第二十六页，共40页。 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(bn su)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。第27页/共39页第二十七页，共40页。 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(cjn)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。第28页/共39页第二十八页，共40页。3.3.抑制抑制(yzh)(yzh)蛋白质和成蛋白质和成n AMPK的激活将抑制(yzh)mTOR及其效应器。AMPK可能通过调节mTOR通路，从而抑制(yzh)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(yzh)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(yzh)。 第29页/共39页第二十九页，共40页。4.4.诱导细胞诱导细胞(xbo)(xbo)凋亡凋亡n 激活AMPK，通过c-myc或c-Jun N端激酶及其后的caspase通路，诱导(yudo)胰腺细胞凋亡；通过caspase通路诱导(yudo)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(yudo)的凋亡。第30页/共39页第三十页，共40页。5.5.促进血管生成促进血管生成(shn chn)(shn chn)，调节血管张力，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(tioji)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。第31页/共39页第三十一页，共40页。7.7.抗炎抗炎 AMPK的激活( j hu)减少cAMP介导的上皮氯化物的分泌，从而减轻炎症反应。第32页/共39页第三十二页，共40页。8.8.对衰老对衰老(shuilo)(shuilo)细胞的调控细胞的调控n 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(gngnng)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。第33页/共39页第三十三页，共40页。9.9.对心血管系统对心血管系统(xtng)(xtng)的调节作用的调节作用n 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(zhngyo)的防护作用。当心肌缺血时，免疫调节因子MIF(巨噬细胞移动抑制因子)可调控AMPK活性 而当MIF缺失时，上述调节会失控。第34页/共39页第三十四页，共40页。AMPKAMPK对心肌的保护作用可能是通过对心肌的保护作用可能是通过(tnggu)(tnggu)以下几以下几个机制：个机制： 在心脏，在心脏，AMPKAMPK可直接磷酸化并激活磷酸果糖激酶可直接磷酸化并激活磷酸果糖激酶 2 2，产生，产生2,6-2,6-二磷酸果糖，后者通过二磷酸果糖，后者通过(tnggu)(tnggu)激活激活6 6磷酸果糖磷酸果糖-1-1激酶增加糖原的分解。激酶增加糖原的分解。 AMPKAMPK在心肌缺血时可增加葡萄糖的摄入和糖酵解。在心肌缺血时可增加葡萄糖的摄入和糖酵解。 减少在缺血和再灌时心肌的损伤和凋亡。减少在缺血和再灌时心肌的损伤和凋亡。第35页/共39页第三十五页，共40页。 此外，心肌缺氧时AMPK的激活( j hu)还可以抑制蛋白合成，改善心肌肥大。AMPK还可以调节离子通道，改善心脏的传导功能。第36页/共39页第三十六页，共40页。第37页/共39页第三十七页，共40页。谢谢 谢谢第38页/共39页第三十八页，共40页。2022-3-18谢谢您的观看(gunkn)！第39页/共39页第三十九页，共40页。NoImage内容(nirng)总结主要内容。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。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。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。而AMPK的活化对缺血再灌具有(jyu)保护作用，是应激状态下维持心肌能量稳态所必须的。谢谢您的观看第四十页，共40页。