孫啟天 綜述，高 宇 審校

(1.承德醫(yī)學(xué)院；2.承德醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院內(nèi)分泌科，河北承德 067000)

腺苷酸活化蛋白激酶(AMP-activated protein kinase,AMPK)是細(xì)胞重要的能量感受器，在能量缺乏時被激活，能量充足時被抑制。AMPK可以被多種激素、細(xì)胞因子及上游基因LKB1激活，并通過與哺乳動物雷帕霉素靶蛋白(mTOR)、p53的相互作用、對脂肪酸合酶及其他激酶的調(diào)節(jié)實現(xiàn)對細(xì)胞生長代謝的抑制，近期的研究發(fā)現(xiàn)AMPK在連接代謝綜合征和腫瘤中起到重要作用，它可以通過缺氧誘導(dǎo)因子(HIF-1)和腫瘤抑制基因p53降低腫瘤細(xì)胞糖酵解水平，有可能會成為日后治療腫瘤的新靶點(diǎn)?，F(xiàn)就近年來AMPK的研究新進(jìn)展綜述如下。

AMPK屬于絲氨酸/蘇氨酸蛋白質(zhì)激酶家族，它包括3個亞單位，1個催化亞基(α)和2個調(diào)節(jié)亞基(β和 γ)。在哺乳動物中，每個亞基都包括不同的亞型(α1,α2; β1,β2; γ1,γ2和γ3)，當(dāng)細(xì)胞面臨代謝壓力時，細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP比例增高,AMP會與γ亞基發(fā)生連接，這種連接有兩方面的作用，變構(gòu)催化作用和防止α亞基活化環(huán)上的172位蘇氨酸被磷酸酯酶去磷酸化。AMP與γ亞基連接后，α亞基可以通過多種途徑被磷酸化進(jìn)而使ATP的生成增多，利用減少，以維持AMP/ATP的平衡，為細(xì)胞的生存提供足夠的能量[1]。

1 AMPK的激活

AMPK可以被一些激素及細(xì)胞因子激活，其中包括瘦素、脂聯(lián)素、白細(xì)胞介素-6(IL-6)和睫狀神經(jīng)營養(yǎng)因子(CNTF)[2]。AMPK還可以被多種藥物激活,最典型的是5-氨基-4-氨甲酰咪唑核糖核苷酸(5-Aminoimidazole-4-carboxamide1-β-D-ribofuranoside AICAR),AICAR是一種細(xì)胞通透的磷酸化物質(zhì),可以在進(jìn)入細(xì)胞后轉(zhuǎn)化為AMP類似物(ZMP)。此外，兩種常用的糖尿病治療藥物二甲雙胍、噻唑烷二酮類也可以激活A(yù)MPK。

AMPK還可以被上游激酶激活，如AMPK的上游基因LKB1是一種腫瘤抑制基因,它可以直接磷酸化AMPK α亞基上的172位蘇氨酸而激活A(yù)MPK進(jìn)而參與細(xì)胞的能量代謝及細(xì)胞生長[3]。另一個激酶是鈣調(diào)蛋白依賴蛋白激酶β(CaMKK-β),它可以在細(xì)胞內(nèi)Ca2+升高時使AMPK磷酸化以減少AMP[4]。

其他AMPK調(diào)節(jié)激酶還包括轉(zhuǎn)化生長因子β激活酶-1(TAK1)和共濟(jì)失調(diào)毛細(xì)血管突變基因(ATM)。這些激酶與AMPK的具體關(guān)系尚不十分明確，但是已有報道認(rèn)為TAK1可以誘導(dǎo)與腫瘤壞死因子(TNF)相關(guān)的細(xì)胞凋亡配體以激活A(yù)MPK,導(dǎo)致獨(dú)立于LKB1和CaMMK的自體吞噬[5]。

2 AMPK抑制細(xì)胞生長的機(jī)制

2.1 AMPK的上游基因LKB1 LKB1是一種較為普遍的腫瘤抑制基因,它的基因突變可以在多種腫瘤中發(fā)現(xiàn)，例如，LKB1的突變可以誘發(fā)宮頸癌和頭部鱗狀細(xì)胞癌[6-7]。此外，人們發(fā)現(xiàn)在非小細(xì)胞肺癌中LKB1會發(fā)生突變，但突變率在不同種族中有所不同，在白人群體中大約占17%～35%，亞洲人群中占3%～7%，非洲人群占6%左右[8-10]。LKB1接受基因B-Raf的抑制，并受到細(xì)胞外調(diào)節(jié)蛋白激酶(ERK1/2)的調(diào)節(jié)[11]。AMPK是LKB1最重要的底物，LKB1對腫瘤的抑制很大程度上是通過激活A(yù)MPK實現(xiàn)的。

2.2 AMPK的下游靶點(diǎn)mTOR 哺乳動物mTOR，包括mTORC1、mTORC2。mTOR作用主要是通過調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成影響細(xì)胞生長和增殖。其活性能夠被雷帕霉素抑制，是AMPK下游的重要靶點(diǎn)，激活的AMPK可以磷酸化結(jié)節(jié)硬化性復(fù)合體2(TSC2)，促進(jìn)TSC1/TSC2復(fù)合體形成，并構(gòu)成Rheb的GTPase活化蛋白(GAP)，GAP可以使Rheb攜帶GDP，Rheb是一種小GTP酶，其活性的降低可以抑制mTORC1的活性。此外，mTOR在PI3K/Akt/mTOR信號通路中也有著重要作用。PI3K是一種胞內(nèi)磷脂酰肌醇激酶，它可以激活A(yù)kt進(jìn)而抑制mTOR。通過以上兩種途徑，mTOR的活性受到抑制，使蛋白的合成受到影響，抑制細(xì)胞的生長。

Atg基因及其編碼的蛋白在細(xì)胞的自噬中發(fā)揮重要作用，Atg1/ULK1復(fù)合體是參與形成自噬體最重要的組成部分，ULK1受到mTOR的調(diào)節(jié)，mTOR的抑制可以激活ULK1，進(jìn)而激活A(yù)tg，引起細(xì)胞的自噬[12]。此外，人BNIP3在缺氧的情況下可以被HIF-1誘導(dǎo)表達(dá)，而BNIP3表達(dá)水平的高低和腫瘤的存活能力相關(guān)，在多種類型腫瘤中均發(fā)現(xiàn)BNIP3的高度表達(dá)可以使腫瘤細(xì)胞逃避缺氧所致的凋亡，這對缺氧情況下的腫瘤細(xì)胞是一種保護(hù)，最新的研究發(fā)現(xiàn)BNIP3介導(dǎo)的自噬作用的降低是由ULK1通過AMPK/mTOR的途徑調(diào)節(jié)，mTOR抑制劑的使用可以通過降低BNIP3的水平并促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡[13]。

2.3 腫瘤抑制基因p53 另一個和AMPK相關(guān)的腫瘤抑制基因是p53，它和AMPK可以相互調(diào)節(jié)。AICAR的激活及胰島素缺乏可以導(dǎo)致p53表達(dá)上調(diào)，并在Ser15起到磷酸化作用。有研究發(fā)現(xiàn)，前列腺癌細(xì)胞中AMPK α1亞基發(fā)生突變，使p53的mRNA和蛋白水平表達(dá)下降[14]，導(dǎo)致腫瘤細(xì)胞的生長。AMPK也受p53調(diào)節(jié)，p53可以使AMPK的調(diào)節(jié)亞基的β1-異構(gòu)體表達(dá)上調(diào)。兩個p53的靶向基因——Sestrin1和Sestrin2可以激活A(yù)MPK，促進(jìn)TSC2的磷酸化，進(jìn)而抑制mTOR[15]。有研究表明，Sestrin2不僅可以激活A(yù)MPK，還可以調(diào)節(jié)AMPK亞基，并促進(jìn)AMPK在乳腺腫瘤中的表達(dá)并增加腫瘤細(xì)胞對放射治療的敏感性[16]。

此外，AMPK還參與調(diào)節(jié)p300組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶、FOXO3及細(xì)胞周期抑制劑p27等和細(xì)胞代謝、生長、生存及凋亡相關(guān)的一些其他因子。

2.4 參與脂類的合成與代謝 脂質(zhì)代謝紊亂與腫瘤的發(fā)生有一定關(guān)系，并能促進(jìn)腫瘤的復(fù)發(fā)。AMPK的活化可以抑制脂肪酸、膽固醇合成的限速酶，如乙酰輔酶A羧化酶(ACC),羥甲基戊二酸單酰輔酶A(HMG-CoA)及脂肪酸合成酶(FASN)。這些酶在腫瘤發(fā)生中有著重要作用。腫瘤細(xì)胞中脂肪酸合成要比非腫瘤細(xì)胞明顯增加。FASN和ACC在乳腺腫瘤、前列腺腫瘤和卵巢腫瘤等多種類型的腫瘤中都高度表達(dá)，而這兩種酶的抑制可以誘導(dǎo)細(xì)胞的凋亡。此外，研究人員已經(jīng)通過實驗證實了他汀類藥物可以通過抑制HMG-CoA，減少膽固醇的生成進(jìn)而減少腫瘤的發(fā)生率，降低腫瘤發(fā)生的風(fēng)險[17]，AMPK還可以通過抑制脂肪酸、膽固醇的合成實現(xiàn)對腫瘤的抑制。

3 AMPK、代謝綜合征和腫瘤

代謝綜合征是一組代謝性疾病的集合，它與脂肪和糖的代謝有關(guān)，以胰島素抵抗為核心，主要表現(xiàn)為肥胖、高血壓、高血糖及血脂紊亂。胰島素抵抗、肥胖和2型糖尿病,都伴隨著AMPK活性的下降,而通過ACIAR、噻唑烷二酮類、二甲雙胍和運(yùn)動等方式激活A(yù)MPK,可以達(dá)到糾正或預(yù)防這些疾病的作用。

目前人們普遍認(rèn)為代謝綜合征增加罹患癌癥的風(fēng)險,代謝紊亂的糾正有利于降低腫瘤的發(fā)生風(fēng)險，而AMPK可能會在預(yù)防癌癥發(fā)生、發(fā)展上起到作用。早在2005年就有報道，應(yīng)用二甲雙胍的2型糖尿病患者患腫瘤的風(fēng)險比普通人或未服用二甲雙胍的患者要低。此外,某些癌癥患者血清中脂聯(lián)素的水平偏低，而外源性補(bǔ)充脂聯(lián)素可能通過激活A(yù)MPK抑制腫瘤的生長。

人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過藥物作用和飲食限制可以激活A(yù)MPK、抑制腫瘤細(xì)胞在體內(nèi)外的生長[18]，此外，運(yùn)動也可以增加糖尿病患者體內(nèi)AMPK的磷酸化水平[19]。

4 腫瘤細(xì)胞中的AMPK和糖代謝

糖酵解的增加是腫瘤生存生長的必要條件,高效率的糖酵解不僅可以產(chǎn)生ATP來彌補(bǔ)線粒體氧化磷酸化的不足，還可以提供合成代謝的中間體,參與糖原、氨基酸、核酸和脂質(zhì)的生物合成。其次，在腫瘤細(xì)胞中糖酵解的增加可以增加線粒體膜的穩(wěn)定性，此外,糖酵解增強(qiáng)導(dǎo)致的乳酸分泌增加造成了細(xì)胞外的酸性環(huán)境，促進(jìn)了腫瘤細(xì)胞擴(kuò)散，對于正常細(xì)胞是有害的。

腫瘤細(xì)胞的糖酵解機(jī)制十分復(fù)雜。而與AMPK相關(guān)的是HIF-1和腫瘤抑制基因p53。HIF-1在缺氧條件下廣泛存在于人和動物的腫瘤細(xì)胞內(nèi),它是目前發(fā)現(xiàn)的惟一在特異性缺氧狀態(tài)下發(fā)揮活性的轉(zhuǎn)錄因子。HIF-1屬于異質(zhì)二聚體，有兩個亞基α和β。在含氧量正常的情況下α亞基發(fā)生退化。在氧含量降低的情況下，亞基α保持穩(wěn)定,并激活糖酵解所需物質(zhì)，例如：葡萄糖載體1,HK1和HK2,乳酸脫氫酶和丙酮酸。因此,腫瘤細(xì)胞中葡萄糖的攝取和糖酵解的水平比正常細(xì)胞要高。HIF-1α的調(diào)節(jié)需要AMPK的參與。具體機(jī)制尚不十分明確，其中mTORC1可能起到重要作用。人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在缺乏LKB1或AMPK的成纖維細(xì)胞中,HIF-1α的水平及其下游目標(biāo)增高，而mTOR表達(dá)下降[20]。因此,AMPK是通過抑制mTOR的活性來起到降低腫瘤細(xì)胞中糖酵解作用。

另一個和糖酵解有關(guān)的是抑癌基因p53,p53的表達(dá)對調(diào)節(jié)蛋白合成的細(xì)胞色素C氧化酶2(SCO2)有積極作用，是細(xì)胞色素C氧化酶的一個關(guān)鍵的調(diào)節(jié)物質(zhì)。p53還可以通過誘導(dǎo)TP53誘導(dǎo)的糖酵解和凋亡的調(diào)控子(TP53-induced glycolysis and apoptosis regulator gene,TIGAR)發(fā)揮作用，TIGAR的上調(diào)會導(dǎo)致2、6-二磷酸果糖水平的降低，從而抑制糖酵解。此外，p53還會使另一種糖酵解關(guān)鍵酶磷酸甘油酸酯變位酶表達(dá)降低[21]。因此,AMPK通過調(diào)節(jié)p53,可以抑制有氧糖酵解并減少糖分解中間體的利用，而這種中間體又是合成腫瘤細(xì)胞的重要物質(zhì)(如：蛋白、脂質(zhì)及核酸)。

5 AMPK在預(yù)防和治療腫瘤中的應(yīng)用

最近很多研究已經(jīng)表明，AMPK的激活劑如二甲雙胍、AICAR 和A769662可以抑制或延遲動物模型中腫瘤的發(fā)生風(fēng)險。應(yīng)用二甲雙胍作為輔助治療的糖尿病合并乳腺癌患者及單純?nèi)橄侔┗颊咭呀?jīng)開始進(jìn)行Ⅲ期臨床試驗[22]，以評估二甲雙胍作用于腫瘤的具體效果。如果將補(bǔ)充AMPK作為一種癌癥的輔助治療，可能會受到多種因素影響，例如,LKB1可以影響治療效果，在缺乏LKB1的情況下，一些激活劑無法激活A(yù)MPK，在一些腫瘤細(xì)胞中，如果加入LKB1活化劑，AMPK的底物也可以對AMPK的激活更為敏感。

6 展 望

總體來說，AMPK主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)細(xì)胞代謝使其處于適當(dāng)?shù)脑鲩L狀態(tài)。AMPK的激活可以起到抑制腫瘤的作用，現(xiàn)在普遍認(rèn)為這是通過PI3K/Akt/mTOR途徑和調(diào)節(jié)其他對細(xì)胞增長生存相關(guān)的基因及因子實現(xiàn)的。因此，推斷將補(bǔ)充AMPK激活劑與腫瘤的其他治療方法結(jié)合可能會成為未來趨勢。但是，不同的遺傳背景可能會對治療的敏感性造成差異，這仍需要更多來自實驗研究、臨床調(diào)查的支持及更長時間的探索。

[1]Carling D,Thornton C,Woods A.AMP-activated protein kinase:new regulation,new roles?[J].Biochem J,2012，445(1):11-27.

[2]Steinberg GR,Kemp BE.AMPK in health and Disease[J].Physiol Rev,2009,89(3):1025-1078.

[3]Green AS,Chapuis N,Lacombe C,et al.LKB1/AMPK/mTOR signaling pathway in hematological malignancies: from metabolism to cancer cell biology[J].Cell Cycle,2011,10(13):2115-2120.

[4]Ghislat G,Patron M,Rizzuto R,et al.Withdrawal of essential amino acids increases autophagy by a pathway involving Ca2+/calmodulin-dependent kinase kinase-β (CaMKK-β)[J].J Biol Chem,2012，287(46):38625-38636.

[5]Herrero-Martin G,Hoyer-Hansen M,Garcia-Garcia C,et al.TAK1 activates AMPK-dependent cytoprotective autophagy in TRAIL-treated epithelial cells[J].EMBO J,2009,28(6):677-685.

[6]Wingo SN,Gallardo TD,Akbay EA,et al.Somatic LKB1 mutations promote cervical cancer progression[J].PLoS One,2009,4(4):e5137.

[7]Chang HW,Lee YS,Nam HY,et al.Knockdown of β-catenin controls both apoptotic and autophagic cell death through LKB1/AMPK signaling in head and neck squamous cell carcinoma cell lines[J].Cell Signal,2012,25(4):839-847.

[8]Gao B,Sun Y,Zhang J,et al.Spectrum of LKB1,EGFR,and KRAS mutations in Chinese lung adenocarcinomas[J].J Thorac Oncol,2010,5(8):1130-1135.

[9]Suzuki Y,Oonishi T,Kudo T,et al.LKB1,TP16,EGFR,and KRAS somatic mutations in lung adenocarcinomas from a Chiba Prefecture,Japan cohort[J].Drug Discov Ther,2012,6(1):24-30.

[10]Gill RK,Yang SH,Meerzaman D,et al.Frequent homozygous deletion of the LKB1/STK11 gene in non-small cell lung cancer[J].Oncogene,2011,30(35):3784-3791.

[11]Esteve-Puig R,Canals F,Colomé N,et al.Uncoupling ofthe LKB1-AMPK alpha energy sensor pathway by growth factors and oncogenic BRAF[J].PLoS One,2009,4(3):e4771.

[12]Wong PM,Puente C,Ganley IG,et al.The ULK1 complex:Sensing nutrient signals for autophagy activation[J].Autophagy,2013,9(2):124-137.

[13]Park CW,Hong SM,Kim ES,et al.BNIP3 is degraded by ULK1-dependent autophagy via MTORC1 and AMPK[J].Autophagy,2013,9(3):345-360.

[14]Zhou J,Huang W,Tao R,et al.Inactivation of AMPK alters gene expression and promotes growth of prostate cancer cells[J].Oncogene,2009,28(18):1993-2002.

[15]Budanov AV,Karin M.p53 target genes sestrin1 and sestrin2 connect genotoxic stress and mTOR Signaling[J].Cell,2008,134(3):451-460.

[16]Sanli T,Linher-Melville K,Tsakiridis T.Sestrin2 modulates AMPK subunit expression andits response to ionizing radiation in breast cancer cells[J].PLoS One,2012,7(2):e32035.

[17]Zhang J,Yang Z,Xie L,et al.Statins,autophagy and cancer metastasis[J].Int J Biochem Cell Biol,2013,45(3):745-752.

[18]Jiang W,Zhu Z,Thompson HJ.Dietary energy restriction modulates the activity of AMP-activated protein kinase,Akt,and mammalian target of rapamycin in mammary carcinomas,mammary gland,and liver[J].Cancer Res,2008,68(13):5492-5499.

[19]Vind BF,Pehm?ller C,Treebak JT,et al.Impaired insulin-induced site-specific phosphorylation of TBC1 domain family,member 4(TBC1D4)in skeletal muscle of type 2 diabetes patients is restored by endurance exercise-training[J].Diabetologia,2011,54(1):157-167.

[20]Hu YL,Jahangiri A,De Lay M,et al.Hypoxia-induced tumor cell autophagy mediates resistance to anti-angiogenic therapy[J].Autophagy,2012,8(6):979-981.

[21]Madan E,Gogna R,Bhatt M,et al.Regulation of glucose metabolism by p53:Emerging new roles for the tumor suppressor[J].Oncotarget,2011,2(12):948-957.

[22]Goodwin PJ,Ligibel JA,Stambolic V.Metformin in breast cancer:time for action[J].J Clin Oncol,2009,27(20):3271-3273.