AMPK研究进展.ppt
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1、AMPK研究进展研究进展腺苷酸活化蛋白激酶腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是是丝,苏氨酸蛋白丝,苏氨酸蛋白激酶激酶,一种重要的蛋白激酶,一种重要的蛋白激酶,主要协调代谢主要协调代谢和能量的需要。和能量的需要。短期效应能调节能量代谢短期效应能调节能量代谢,长期效应能调长期效应能调节基因转录。节基因转录。激活激活AMPKAMPK,一方面关闭消耗,一方面关闭消耗ATPATP的合成代谢的合成代谢途径;途径;另一方面启动产生另一方面启动产生ATPATP的分解代谢的分解代谢途径途径,故被称为故被称为“细胞能量调节器细胞能量调节器”。能能 够够 调节调
2、节 机体机体 的能量代的能量代 谢谢,维持维持 能量能量 的供的供 求平求平 衡。衡。近年来,近年来,随随AMPKAMPK研究的深入,发现其下游研究的深入,发现其下游靶蛋白种类和数量众多,靶蛋白种类和数量众多,具有多种重要的具有多种重要的生物学效应。生物学效应。能改能改 善代善代 谢综谢综 合合 征征,故故 使使 其其 受受 到到 越越 来来 越越 广广 泛泛 的的 关关 注注。一一 AMPKAMPK的结构的结构AMPKAMPK是一个是一个异源三聚体蛋白异源三聚体蛋白,由,由(63kD)(63kD)、(30kD)(30kD)和和 (37-63kD)(37-63kD)3 3个亚单位个亚单位组成。
3、其中,组成。其中,亚单位起催化作用亚单位起催化作用,而而和和亚基在维持三聚体稳定性和作用亚基在维持三聚体稳定性和作用底物特异性方面起重要作用。底物特异性方面起重要作用。每个亚每个亚单位都存在单位都存在由由2-32-3种基因所编码的异构种基因所编码的异构体体(1 1,2 2、1 1,2 2和和1 1,2 2 3)3),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的不同异构体可形成各种可能的组合合,可能有可能有1212种。种。AMPKAMPK含有含有548548个氨基酸,可分为个氨基酸,可分为催化区催化区N N末末端端(1(1312AA)312AA)、是起催化作用的核心部位,
4、、是起催化作用的核心部位,含有一个典型的含有一个典型的丝,苏氨酸蛋白激酶丝,苏氨酸蛋白激酶的催化的催化区域,中间一个自动抑制区区域,中间一个自动抑制区(312(312392AA)392AA)和和C C末端一个亚单元结合区域末端一个亚单元结合区域(392(392548AA)548AA)含含有变构结合位点,参与和有变构结合位点,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,其中均可被磷酸化,其中苏苏氨酸氨酸172172位点及其磷酸化对位点及其磷酸化对AMPKAMPK活性的
5、调节活性的调节起重要作用。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,2011年年7月月3日在日在Cell Metabolism杂志上研究杂志上研究人员发现了人员发现了AMPK alpha 2催化亚基上一个新催化亚基上一个新丝氨酸磷酸化位点丝氨酸磷酸化位点serine491,这一位点介导,这一位点介导leptin的抑制作用的抑制作用,并且是,并且是leptin影响进食和影响进食和体重的关键位点。体重的关键位点。阻断阻断AMPK2-serine491的的磷酸化会使下丘脑磷酸化会使下丘脑AMPK活性增强、进食量
6、活性增强、进食量和体重增加。和体重增加。Leptin影响下丘脑影响下丘脑AMPK2活性、神经肽表活性、神经肽表达、进食量和体重都需要达、进食量和体重都需要Serine491的磷酸化。的磷酸化。研究还发现,研究还发现,p70S6激酶是一种激酶是一种AMPK活性抑活性抑制激酶,而制激酶,而AMPK是是mTOR-p70S6激酶的底激酶的底物。物。p70S6激酶和激酶和AMPK2形成复合体,使形成复合体,使serine491位点磷酸化。位点磷酸化。亚单位则好似一个支架,它可把亚单位则好似一个支架,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末端区域之末端区域之后紧跟着后紧跟着两个保守的
7、结构域两个保守的结构域KISKIS和和ASCASC,ASCASC结构域为形成稳定有活性的结构域为形成稳定有活性的的的复合物所必需,复合物所必需,而而KISKIS并不与激酶的其他亚并不与激酶的其他亚基相互作用。基相互作用。KISKIS结构域序列与结构域序列与“N-N-异淀粉异淀粉酶结构域酶结构域”序列密切相关序列密切相关,为,为亚基上的亚基上的功能性糖原结合结构域功能性糖原结合结构域。其功能可能与。其功能可能与糖糖原对原对AMPKAMPK的调节有关的调节有关。亚基的亚基的N N端豆蔻酰化和磷酸化端豆蔻酰化和磷酸化,这些翻译,这些翻译后的修饰,调节酶活性和亚基的细胞定位后的修饰,调节酶活性和亚基的
8、细胞定位.亚基的亚基的N N端区域在大小和序列上变化较大,端区域在大小和序列上变化较大,与与 1 1相比,相比,2 2和和 3 3的的N N端区域较长。端区域较长。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-合合酶酶:cystathionine-synthase:cystathionine-synthase,CBSCBS)结构)结构域。域。亚基亚基含有两个能结合激活性核苷酸含有两个能结合激活性核苷酸AMPAMP和和抑制性核苷酸抑制性核苷酸ATPATP的调节位点。的调节位点。AMPKAMPK以异源三聚体形式广泛存在于哺乳动物的以异源三聚体形式广泛存在于哺乳动物的各
9、种真核细胞种类,这种保守的三聚体形式各种真核细胞种类,这种保守的三聚体形式是该酶的结构和功能所必需的。是该酶的结构和功能所必需的。AMPKAMPK亚单位亚单位在不同组织器官的分布不同,所形成的三聚在不同组织器官的分布不同,所形成的三聚体亦各异,可能与组织特异性靶分子的调节体亦各异,可能与组织特异性靶分子的调节有关。有关。亚基的亚基的N N端乙酰化,也增加了端乙酰化,也增加了AMPKAMPK调节的复调节的复杂性。杂性。二二 AMPKAMPK的组织分布的组织分布AMPKAMPK各亚基的组织分布不同。各亚基的组织分布不同。1 1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
10、、心脏和脑;2 2主主要分布在骨骼肌、心脏和肝脏。已证实要分布在骨骼肌、心脏和肝脏。已证实 2 2亚基也存在于脑神经元中,而且亚基也存在于脑神经元中,而且2 2亚基含量亚基含量明显高于明显高于1 1亚基亚基。研究还发现。研究还发现1 1定位于胞定位于胞质质,而,而2 2主要定位于胞核主要定位于胞核,提示在有提示在有ATPATP损损耗的细胞应激反应中,耗的细胞应激反应中,AMPK-AMPK-2 2复合物的核复合物的核定位可能至少部分通过磷酸化转录因子,调定位可能至少部分通过磷酸化转录因子,调节基因表达节基因表达。1 1在肝脏高表达,在骨骼肌中低表达;在肝脏高表达,在骨骼肌中低表达;而而2 2恰好
11、相反。恰好相反。1 1、2 2广泛分布于各组织细胞,广泛分布于各组织细胞,3 3仅在仅在骨骼肌中含量较高。骨骼肌中含量较高。在大部分细胞中主要以在大部分细胞中主要以1 1、1 1和和1 1异构异构体为主,而在体为主,而在肝细胞和脑中肝细胞和脑中2 2 表达较高,表达较高,骨骼肌和心肌中骨骼肌和心肌中2 2、2 2和和2 2 3 3 则均有则均有表达。表达。三三 AMPKAMPK活性的调节活性的调节 AMPKAMPK是一种高度保守的丝氨酸苏氨酸是一种高度保守的丝氨酸苏氨酸蛋白激酶。目前,据研究发现蛋白激酶。目前,据研究发现至少有至少有3 3种种AMPKAMPK的上游激酶,分别为的上游激酶,分别为
12、LKB1LKB1、AMPKKAMPKK、TAK1TAK1和和CaMKKCaMKK。其其AMPKAMPK活性调节非常复杂,它可被活性调节非常复杂,它可被5 5-AMPAMP别构激活别构激活以及被以及被磷酸肌酸别构抑制磷酸肌酸别构抑制,也,也可被其上游的可被其上游的AMPKAMPK激酶激酶(AMPKK)(AMPKK)激活激活,它们,它们的作用位点都是磷酸化的作用位点都是磷酸化AMPKAMPK亚基亚基172172位苏位苏氨酸氨酸 。1 1、AMPKAMPK的上游激酶的上游激酶LKB1最早发现于最早发现于PeutzJegher综合征综合征((色(色素沉着息肉综合征)素沉着息肉综合征)的研究中,是人体细
13、胞中的研究中,是人体细胞中一个抑癌基因,又一个抑癌基因,又 叫叫 STK11(serine threonine protein kinase 11),是是 由由 lkb基基 因因 编码编码 的的 丝丝 氨氨 酸苏酸苏 氨氨 酸蛋酸蛋 白激白激 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 LKB1STK 11.它可以直接它可以直接磷酸化磷酸化AMPK亚单位上的亚单位上的172位位苏氨酸而激活苏氨酸而激活AMPK。LKB1 发发 挥挥 作作 用用 还还 必必 须须 有有 两两 个个 附附 属属 蛋蛋 白白 质质 的
14、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 性接性接头头 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LKB1不仅活化不仅活化AMPK,还激活,还激活AMPK亚家族的多亚家族的多种激酶种激酶。相应地,这些激酶参与介导。相应地,这些激
15、酶参与介导LKB l的磷酸的磷酸化效应,包括其肿瘤抑制功能。化效应,包括其肿瘤抑制功能。Regulation of AMPK activation.LKB1LKB1的结构及组织分布的结构及组织分布LKB1LKB1基因定位于人基因定位于人19p1319p133 3,整个基因跨整个基因跨度为度为23 kb23 kb。LKB1LKB1蛋白由蛋白由433433个氨基酸残基组个氨基酸残基组成成(鼠类的鼠类的LKB1LKB1有有436436个氨基酸残基个氨基酸残基),分子,分子量为量为50 kD50 kD,具有丝氨酸苏氨酸蛋白激酶具有丝氨酸苏氨酸蛋白激酶功能功能.LKB1LKB1广泛分布于人体多种组织中广
16、泛分布于人体多种组织中.,发现几,发现几乎所有组织均有表达,其中成人以上皮、睾乎所有组织均有表达,其中成人以上皮、睾丸生精小管和肝脏的表达最强,丸生精小管和肝脏的表达最强,而胎儿组而胎儿组织中又高于成人;肿瘤组织中的表达高于相织中又高于成人;肿瘤组织中的表达高于相应的正常组织应的正常组织.LKB1LKB1的活性调节的活性调节LKB1LKB1的激酶催化域位于第的激酶催化域位于第44-30944-309位氨基酸残基位氨基酸残基。在。在LKB1LKB1的的433433个氨基酸残基中,第个氨基酸残基中,第1-3461-346氨基酸残基是维氨基酸残基是维持其激酶功能所必需的,持其激酶功能所必需的,其中第
17、其中第38-4338-43氨基酸残基为氨基酸残基为LKB1LKB1的核定位信号序列的核定位信号序列(nuclear localisation(nuclear localisation signalsignal,NLS)NLS)。LKB1LKB1通过通过NLSNLS定位于细胞核,通过与定位于细胞核,通过与LIP1(LKB1 interacting proteinLIP1(LKB1 interacting protein一一1)1)作用而锚在细作用而锚在细胞质胞质.在某些特定细胞在某些特定细胞(如神经元,内皮细胞,淋巴细胞等如神经元,内皮细胞,淋巴细胞等),AMPKAMPK也能被也能被CaCa2+
18、2+和和AMPAMP依赖的磷酸化激活,这一过依赖的磷酸化激活,这一过程中的上游激酶是程中的上游激酶是CaMKKCaMKK。AMPAMP可以加强可以加强LKB1LKB1STRADSTRADM025M025复合物对完整复合物对完整AMPKAMPK三三聚体的磷酸化,但是不能加强该复合物对分离的、单聚体的磷酸化,但是不能加强该复合物对分离的、单个的个的AMPKAMPK亚基的磷酸化。亚基的磷酸化。TAK1(TGF-TAK1(TGF-活化激酶一活化激酶一1)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,近来研究表明其研
19、究表明其在在AMPKAMPK活化通路中具有中枢般的调节活化通路中具有中枢般的调节作用。作用。研究表明,体外研究表明,体外TAK1(TGF-TAK1(TGF-activated kinase-activated kinase-1)1)也就是也就是MAP3K7(MAPKK kinase-7)MAP3K7(MAPKK kinase-7),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也有一定的活性也
20、有一定的活性,提示除了,提示除了TAK1TAK1对对AMPKAMPK的直接激活作用外,还可能存在着其的直接激活作用外,还可能存在着其他的作用机制。他的作用机制。CaMKKCaMKK(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)也能也能够调节够调节AMPKAMPK的活性,的活性,CaMKKCaMKK主要存在于神经主要存在于神经系统系统 ,其对其对Thr172Thr172的磷酸化不依赖于的磷酸化不依赖于AMPAMP浓浓度的升高,而是通过增高度的升高,而是通过增高CaCa2+2+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其调节是通过细胞内钙离子浓度的升高而启
21、动。高而启动。2 2、通过、通过AMPAMPATPATP比值调节比值调节AMPKAMPK的活性主要受细胞中的活性主要受细胞中AMPAMPATPATP比值和肌酸磷比值和肌酸磷酸肌酸比值的升高的调节酸肌酸比值的升高的调节。在生理情况下,为了维。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持基本的代谢需要,细胞中维持着高浓度的ATPATP水平。水平。在多数真核细胞中,在多数真核细胞中,ATPATPADPADP的比值约为的比值约为1010:1 1,而,而且在很小的范围内变化。在腺苷激酶的作用下且在很小的范围内变化。在腺苷激酶的作用下2ADP2ADP ATP+AMP ATP+AMP,因而,
22、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。当细胞的级数,而且比后者的比值变化更为敏感。当细胞受到任何引起受到任何引起ATPATP生成减少,消耗增加的应激刺激时,生成减少,消耗增加的应激刺激时,AMPAMPATPATP比值增加,比值增加,AMPKAMPK则被激活。因而,则被激活。因而,AMPAMP是调是调节节AMPKAMPK的关键的关键,但但AMPAMP是如何调节是如何调节AMPKAMPK的机制尚不完的机制尚不完全清楚。全清楚。在体内许多因素,如缺血、缺氧、葡萄糖缺乏、饥在体内许多因素,如缺血、缺氧、葡萄糖缺乏、饥饿、电刺激、热休克,饿
23、、电刺激、热休克,以及一氧化氮、三羧酸循环以及一氧化氮、三羧酸循环或氧化磷酸化的抑制剂,如亚砷酸盐、抗霉素或氧化磷酸化的抑制剂,如亚砷酸盐、抗霉素A、二、二硝基苯酚和叠氮化合物等,均导致硝基苯酚和叠氮化合物等,均导致AMPATP比值比值显著增高显著增高AMPAMP激活激活AMPKAMPK的机制可能通过以下的机制可能通过以下3 3种方式:种方式:(1)AMP(1)AMP直接作用于直接作用于AMPKAMPK,变构激活,变构激活AMPKAMPK;(2)AMPK(2)AMPK和和AMPAMP结合使之成为其上游激酶结合使之成为其上游激酶 AMPKAMPK激激酶酶(AMPKK)(AMPKK)的良好底物和蛋
24、白磷酸酶的不良底的良好底物和蛋白磷酸酶的不良底物;物;(3)AMP(3)AMP直接变构激活直接变构激活AMPKKAMPKK,后者通过磷酸化作,后者通过磷酸化作用激活用激活AMPKAMPK。3 3、激活剂、激活剂AMPKKAMPKK和和AMPKAMPK可被可被5 5一氨基咪唑一氨基咪唑-4-4-甲酰胺核甲酰胺核糖核苷酸糖核苷酸(AICAR)(AICAR)激活激活。AICARAICAR能被细胞摄取,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在腺苷激酶的磷酸化作用下形成一磷酸衍生物物ZMP(5ZMP(5-aminoimidazoleaminoimidazole-4-Carboxamide4
25、-Carboxamide-1 1-D D-ribofuranosy1ribofuranosy1-5 5-monophate)monophate),ZMPZMP具有具有AMPAMP样作用,可激活样作用,可激活AMPKAMPK。JorgensenJorgensen等发现等发现AICARAICAR激活激活AMPKAMPK并诱导骨骼并诱导骨骼肌细胞摄取葡萄糖,只与肌细胞摄取葡萄糖,只与AMPKAMPK2 2亚基密切亚基密切相关,与相关,与 1 1 亚基无关;而肌肉收缩诱导亚基无关;而肌肉收缩诱导AMPKAMPK活化与活化与AMPK AMPK 1 1、2 2亚基均有关。亚基均有关。4 4、其他、其他目前
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