2 AMPK在葡萄糖和脂类代谢中的作用
2. 1 AMPK对葡萄糖代谢的调节 葡萄糖体内稳态的平衡由肝葡萄糖生成和周缘组织的葡萄糖摄取两方面来维持。最近研究发现: TORC2蛋白(一种调节转录因子活性蛋白)在调控肝脏葡萄糖代谢中起到关键的作用; AMPK的活化能够使TORC2 磷酸化或抑制TORC2 的脱磷酸化, 从而使TORC2滞留在细胞质内,此时与糖生成相关酶的表达受阻,糖生成减少[ 13 ]。AMPK促进周缘组织的葡萄糖摄取,可能涉及以下两种方式:一是诱导葡萄糖转运蛋白4 (GLUT4)向浆膜转移;二是通过磷酸化转录因子,开启GLUT4基因的表达[ 14 ]。虽然AMPK的激活对于A ICAR诱导的骨骼肌摄取葡萄糖是必须的,但是AMPK激活本身并不足以增加葡萄糖的转运。AMPK抑制型突变体可完全抑制A ICAR诱导的葡萄糖摄取,但仅部分抑制肌肉收缩刺激的葡萄糖摄取,这表明AMPK在肌肉收缩诱导的葡萄糖摄取中只传递部分信息,该过程还存在着其他不依赖于AMPK的通路[ 15 ]。磷酸果糖激酶(phosphorfructokinase, PFK)是糖酵解的限速酶。在体内实验中发现,心肌缺血可以激活AMPK,进而促进PFK的活性,糖酵解增强;在体外, AMPK可磷酸化PFK,增加其活性,进一步证明了AMPK直接参与了糖酵解的调节[ 16 ]。另外,在对离体骨骼肌细胞的研究中发现: AMPK不仅促使葡萄糖摄取,还抑制糖原的合成,从而促进葡萄糖向糖酵解方向转化[ 17 ] 。在肝细胞中,活化的AMPK不仅可以通过抑制6-磷酸果糖2-激酶、L 型丙酮酸激酶等抑制葡萄糖酵解,还能通过抑制果糖1, 6-二磷酸酶抑制糖异生[ 18 ]。有研究提示,AMPK可能通过远离磷脂酰肌醇32激酶作用位点的胰岛素信号通路,或者是一条非胰岛素激活的信号通路,激活脂肪细胞GLUT4的转位,从而增加葡萄糖的转运[ 19 ]。总之,AMPK通过调节肝葡萄糖的转化,增强骨骼肌对葡萄糖的摄取和脂肪组织中葡萄糖的利用,从而保证机体糖代谢的稳定。
2. 2 AMPK对脂类代谢的调节 AMPK能感受细胞的能量状态,当细胞内AMP /ATP比值升高时AMPK被激活,通过磷酸化效应蛋白或调控各种基因的表达调节能量代谢,从而抑制合成代谢途径(如胆固醇、脂肪合成) ,增强分解代谢途径(如脂肪酸氧化) 。近年研究发现,脂肪酸合成酶抑制剂C75可以抑制小鼠进食量,增加外周能量消耗,具有减轻小鼠体重的作用,其减肥作用机制可能通过下丘脑神经元内AMPK感受能量状态的变化,引起下丘脑神经肽表达的改变,起到调节食欲的作用[ 20 ]。羟甲基戊二酸单酰CoA还原酶(HMGR)和乙酰CoA羧化酶(ACC)分别是胆固醇和脂肪酸合成的关键酶,且均为AMPK的重要底物,活化的AMPK能够使两者磷酸化失活, 从而分别抑制胆固醇和脂肪合成[ 21 ]。目前, 临床上广泛应用的他汀类降脂药就是通过抑制HMGR而实现的。此外,ACC被AMPK磷酸化后失去活性,由于ACC是丙二酰辅酶A合成的限速酶,而后者又是肉毒碱棕榈酰转移酶1 (CPT1) 抑制剂,从而相应的促进了CPT1调节的长链酯酰辅酶A从胞质进入线粒体的氧化,降低脂质在外周组织的沉积,增强了脂肪酸氧化作用[ 22 ]。因此,AMPK的活化既降低了胆固醇和脂肪的合成,又增强了脂肪酸的氧化作用,表明其在脂类代谢调节方面具有重要的作用。
3 AMPK对IR的影响
IR能够导致多种疾病和代谢异常,如高血压、动脉粥样硬化和冠心病等等。2型糖尿病以IR为特征,并且大都伴随着高脂血症[ 23 ]。骨骼肌和肝脏是胰岛素的两个重要靶组织,其中已证实AMPK在骨骼肌和肝脏的能量代谢中起到总开关的调节作用,因此AMPK也可能在调节胰岛素方面具有重要的作用。
3. 1 增加GLUT4的转位并增强骨骼肌对胰岛素的反应
骨胳肌是利用葡萄糖的主要外周组织,葡萄糖进入骨胳肌细胞需要其细胞膜上的GLUT4直接参与。在2型糖尿病患者中,胰岛素介导的葡萄糖摄取和利用则明显受损。研究发现,糖尿病患者骨骼肌细胞内GLUT4 mRNA和蛋白的含量明显降低, 同时也表明其为外周组织出现IR 的原因之一[ 24 ]。在对2型糖尿病患者与正常对照组进行的体外试验时显示,A ICAR通过AMPK途径增加了细胞表面GLUT4含量,从而增加了葡萄糖的转运,特别是在IR时的骨骼肌细胞中更明显[ 25 ]。当骨骼肌细胞内的ATP被消耗或AMP /ATP比值增加时,AMPK被激活,然后通过一些未知的途径作用于细胞内,使细胞内的GLUT4转位至细胞膜上,从而增加骨骼肌细胞对葡萄糖的摄取和利用,以弥补细胞内ATP的不足。动物实验研究中发现,在高糖环境下葡萄糖转运的减少与AMPKα2活性降低密切相关,提示骨骼肌自主调节葡萄糖的转运是通过AMPK介导的[ 26 ]。此外,在对几种转基因鼠的研究中发现, 运动可增加GLUT4 基因的表达, 这与AMPK诱导的GLUT4基因表达所用的时间和所作用的启动子基本一致,进一步证实了运动是通过激活AMPK来增加GLUT4的表达,从而改善胰岛素敏感性[ 14 ]。
3. 2 增加脂肪酸氧化并减少脂类的合成而抑制IR 现已证实,肝脏和骨骼肌中的甘油三酯过度聚集或游离脂肪酸( FFAs)含量增多,可以引起或加重IR和/或胰岛B细胞功能损害,启动或促进2型糖尿病的发生[ 25, 27 ] 。动物实验证明,给自发性IR 的肥胖Zucker ( fa / fa)大鼠皮下注射A ICAR,结果发现大鼠的FFAs、甘油三酯含量明显降低,高密度脂蛋白水平升高,腹部脂肪含量减少,提示了AMPK的活化改善了大鼠的脂代谢紊乱,从而在一定程度上抑制了IR[ 28 ]。同样,在对有IR的JCR: LA2cp大鼠的肝脏和骨骼肌的研究中发现, 肝脏和骨骼肌细胞内甘油三酯含量增多,并且甘油三酯的含量与IR的发展程度存在显著的正相关关系;当发生IR时,肝脏中的AMPK被代偿激活以减轻IR[ 29 ]。实验研究表明,抗糖尿病药物二甲双胍、罗格列酮和匹格列酮能够抑制大鼠因脂肪酸诱导的IR,其作用可能与激活AMPK有关[ 30, 31 ]。此外,研究证明来普汀和乙二腈通过激活AMPK,增强了骨骼肌和肝脏中的脂肪酸氧化,降低了脂质的异位聚集,从而减弱了其IR[ 32 ]。
4 问题与展望
综上所述,AMPK的活化能够调节葡萄糖和脂类代谢,抑制胰岛素抵抗,对2型糖尿病患者骨骼肌和肝脏具有明显的保护作用。目前广泛应用于临床的治疗2型糖尿病药物,二甲双胍和罗格列酮,它们均可以激活肌肉和其他组织中的AMPK,使AMPK 活化。实验研究表明, 绿茶多酚中的EGCG、辣椒多酚和染料木黄酮能够激活AMPK或AMPKLKB1通路,从而发挥降低脂类的合成、增强脂肪酸氧化、抑制脂肪细胞分化并促进其凋亡、抗肥胖以及抗糖尿病的作用[ 33 ]。因此,AMPK及其信号通路极有可能作为研发新型抗2型糖尿病药物有效的药理学靶点。但是目前还存在着一些问题,如AMPK作为一种异源三聚体蛋白仍然没有可用的晶体结构;AMPK的每个亚单位又都包涵着2个或者更多的亚型和AMP的结合位点仍不明确; 以及AMPK激动剂A ICAR、二甲双胍和罗格列酮对机体产生一些不良反应[ 34 ] 。尽管如此,一些制药公司正在积极努力的研发新型的安全有效的AMPK激动剂,目前已经处于临床前试验阶段。
