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石拴霞，阎一鑫，王纪田，魏璐晓，宋诚 综述 王玲 审校
1.甘肃中医药大学第一临床医学院，甘肃 兰州 730000；
2.联勤保障部队第九四〇医院生殖医学中心，甘肃 兰州 730050
腺苷酸活化蛋白激酶(adenosine monophosphate-activated protein kinase，AMPK)是一种高度保守的细胞能量和营养状态传感器，其调节能量恢复的机制是感知一磷酸腺苷(adenosine monophosphate，AMP)/三磷酸腺苷(adenosine triphosphates，ATP)和二磷酸腺苷(adenosine diphosphates，ADP)/ATP 的比值变化被激活，通过打开产生ATP的途径，同时关闭生物合成途径和其他消耗ATP的非必要过程来恢复能量稳态[1]。哺乳动物雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是合成和分解代谢汇合点的机制靶点，通过刺激生物合成途径促进细胞生长，并通过降低细胞自噬来抑制分解代谢[2]。研究表明，AMPK 通过多种途径介导自噬，但主要取决于mTOR 的下调[3]。在线粒体中，AMPK/mTOR调控的自噬依赖于线粒体膜上的蛋白[4-5]，可直接或与其他通路交互调控线粒体自噬在相关线粒体疾病中发挥保护作用。
AMPK 在真核生物中作为异源三聚体复合物表达，由一个催化亚基α和两个调节亚基β和γ组成，可能产生12个不同的AMPK复合物[6]。AMPKα1、AMPKβ1和AMPKγ1在机体中普遍表达，但其他亚型的表达却很有限。AMPKα2和AMPKβ2在骨骼肌和心肌中高表达；
AMPKγ2存在于肝脏、肾脏、心脏、肺、骨骼肌和胰腺中；
AMPKγ3分布于骨骼肌中，与葡萄糖摄取和线粒体功能有关。AMPKα1主要定位于细胞质，而AMPKα2主要定位于细胞核，AMPKγ亚单位定位于肌肉纤维[7]。最近的研究证明，AMPKα1、α2、β2和γ1定位于小鼠和人类各种组织的线粒体外膜[8]。
AMPK有上游和下游两个靶点，通过三叉机制被完全激活。肝激酶B1(liver kinase B1，LKB1)磷酸化Thr172 激活AMPK[9]，AMP 或ADP 与γ亚单位结合变构激活AMPK，同时AMP 与γ亚基的结合促进α亚基上Thr172 的磷酸化并阻碍蛋白磷酸酶2C (protein phosphotases 2C，PP2C)的去磷酸化, 增强了AMPK的活性[10]。AMP 的结合导致AMPK的变构激活高达10 倍，而ATP 抑制这三种机制[7]。由于AMPK 特殊的可逆反应，应激细胞中AMP 的增加总是远远大于ADP 的增加或ATP 降低，因此AMP 成为了能量应激系统中重要的信号。此外，AMPK 也可被其他激酶、细胞因子、核苷酸、化合药物及Ca2+等激活[11]，活化的AMPK调节多种代谢过程。
mTOR是进化上保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，通过感知细胞内外营养物质的波动调节细胞生长、代谢和自噬。mTOR 是两种功能不同复合物的催化亚基，分别为mTORC1和mTORC2。mTORC1通过磷酸化磷脂酰肌醇3-激酶-蛋白激酶B-结节性硬化复合物1/2 (PI3K-Akt-TSC1/2)途径被生长因子和胰岛素激活，刺激mRNA 翻译和其他合成代谢过程，但抑制自噬。mTORC2 通过激活AGC 激酶家族成员控制细胞骨架组织和细胞存活，并参与葡萄糖和脂质的代谢[12]。AGC激酶是一类Ser/Thr蛋白激酶，受TOR调控，对细胞生长发育具有重要的生理意义。当mTOR 被激活时，通过其下游核糖体蛋白S6激酶B1(RPS6 KB1)、真核细胞翻译起始因子4E 结合蛋白(4E-BP)和Unc-51样自噬激酶1(ULK1)的磷酸化调节合成代谢，从而诱导细胞生长和增殖[13]。
受损线粒体被特异性包裹进自噬体并与溶酶体融合，完成损伤线粒体的降解被称为线粒体自噬[14]。定位于线粒体外膜并暴露于细胞质中的线粒体分裂因子(mitochondrial fission factor，MFF)和乙酰辅酶A羧化酶2 是AMPK 的良好底物，在胞质中可以通过自由漂浮的胞质与AMPK接触，使AMPK可能存在于线粒体或其附近[15]。动力蛋白相关蛋白1 (dynamin related protein 1，Drp1)是催化线粒体分裂的酶，MFF是线粒体外膜上Drp1的主要受体。在能量应激期间，AMPK通过直接磷酸化MFF诱导线粒体分裂，Drp1将受损线粒体分裂成更小的片段协助自噬体更有效地清除这些片段[16]，铁超载可能通过AMPK/MFF/Drp1引起间充质干细胞损害，增加间充质干细胞凋亡，导致线粒体断裂和自噬增强[17]。
线粒体碎片化是去除受损线粒体前的一个必要步骤，分离并靶向受损线粒体片段，通过线粒体自噬途径进行转换。线粒体分裂过程蛋白1(mitochondrial fission process 1，MTFP1)是线粒体内膜的一种完整蛋白质，活性由Drp1 介导，其缺失导致线粒体网状结构高度融合，过度表达则引起线粒体碎片化[2]，促进线粒体自噬。有研究表明，mTORC1 通过4E-BP 介导的MTFP1翻译刺激线粒体分裂，然而抑制mTORC1活性会导致线粒体过度融合、分支和循环，这是通过mTORC1/4E-BP 途径下调MTFP1 的结果，从而引起Drp1磷酸化和定位变化[4]。线粒体外膜蛋白电压依赖性阴离子通道1 (voltage-dependent anion channel 1，VDAC1)通过运输ATP和其他代谢物穿过线粒体外膜在细胞代谢中发挥作用，负责自噬诱导活性。研究表明，抗抑郁药舍曲林可能结合并拮抗线粒体VDAC1，降低细胞ATP，激活AMPK-mTOR-RPS6 KB1 诱导线粒体自噬[18]，效应可能依赖于AMPK上游蛋白激酶上的STK11基因，STK11是一种编码丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的抑癌基因。缺乏VDAC1 表达的细胞完全消除了药物对AMPK-mTOR 和自噬的调节作用。VDAC1表面是否还存在其他药物靶点需要深入研究。
4.1 骨骼肌运动 线粒体功能障碍可导致活性氧(ROS)代谢紊乱，从而激活DNA 损伤和细胞衰老，可通过调节生物合成和自噬来维持线粒体内稳态。过氧化物酶体增殖物激活受体γ共激活因子-1α(PGC-1α)是线粒体生物发生的主要调节因子，AMP/ATP比值升高激活AMPK或刺激其上调PGC-1α促进线粒体生物发生[19]。在老年肌肉减少症大鼠的研究中，骨骼肌运动干预后，AMPK Thr172的磷酸化和PGC-1α的表达增加，并且可以激活AMPK/PGC-1α信号通路，促进老年大鼠骨骼肌线粒体合成[20]。在功能失调的线粒体外膜上，PTEN 诱导的激酶1(PINK1)通过激活并招募E3 泛素连接酶Parkin，泛素化线粒体外膜蛋白触发线粒体自噬[21]。E3 泛素连接酶包括萎缩基因-1(Atrogin-1)和肌肉无名指蛋白1(MuRF1)在骨骼肌萎缩中至关重要[22]。骨骼肌运动可以促进AMPK Thr172磷酸化以及Drp1 和PINK1 蛋白的表达，进而促进AMPK 介 导 的 线 粒 体 自 噬。PGC-1α过 度 表 达 或AMPK/PGC-1α信号通路的激活不仅可以抑制核因子-κB 的转录活性，也可以降低Atrogin-1 和MuRF1的表达[23]。因此，运动可能激活AMPK/PGC-1α通路，减少Atrogin-1 和MuRF1 蛋白的表达或抑制E3 泛素连接酶延缓肌肉萎缩。另外，研究发现，老年大鼠骨骼肌中Akt Ser473、mTOR Ser2448 和叉头框转录因子O3a (FOXO3a) Ser253 的磷酸化增加，运动可以通过抑制Akt Ser473 和mTOR Ser2448 的磷酸化来上调Beclin1[23-24]。这表明，运动干预可能通过调节Akt/mTOR和Akt/FoxO3a信号通路，促进老年骨骼肌的线粒体自噬。转化生长因子β活化激酶1 (transforming growth factorβactivated kinase 1，TAK1)是一种重要的信号转导蛋白，调节多种细胞内信号通路的激活。TAK1 的失活导致成年小鼠骨骼肌中功能失调的线粒体积累，并上调泛素-蛋白酶体系统和线粒体自噬活性。进一步研究发现，随着TAK1失活，骨骼肌AMPK的磷酸化和酶活性增加，mTOR 水平降低[25]，这说明TAK1/AMPK/mTOR可能调控小鼠骨骼肌线粒体自噬和蛋白质来控制骨骼肌质量。
4.2 非酒精性脂肪性肝病 研究表明，自噬受损有助于非酒精性脂肪肝病(non-alcoholic fatty liver disease，NAFLD)的发展，在NAFLD 患者和小鼠模型中硫氧还蛋白相互作用蛋白(TXNIP)均上调，上调的TXNIP触发AMPK催化亚单位通路(PRKAA)，通过诱导自噬和过氧化物酶体增殖物激活受体α(PPARα)介导的脂肪酸氧化调节NAFLD 的发展[26]。TXNIP 与PRKAA 有潜在功能联系。研究表明，蛋氨酸胆碱缺乏(MCD)饮食喂养的小鼠中PRKAA 被激活，增加了mTORC1 相关蛋白磷酸化，PRKAA 的激活抑制mTORC1的活性，并允许去磷酸化转录因子(TFEB)进入细胞核[27]。由此可知，TXNIP通过直接结合PRKAA并调节mTORC1 和TFEB 诱导自噬。载脂蛋白E(ApoE)在脂质和脂蛋白代谢中起着重要作用，ApoE缺失抑制AMPK/mTOR通路，损害线粒体功能，降低肝线粒体自噬并增加肝脏脂质沉积，导致NAFLD[28]。一氧化碳(CO)通过蛋白激酶R样内质网激酶(PERK)、真核启动因子-2α(eIF2α)/激活转录因子-4(ATF4)依赖通路，激活AMPK/mTOR 增强线粒体ROS 产生诱导sestrin-2的表达，并通过激活肝细胞自噬来保护MCD饮食诱导的NAFLD进程[29]。白术苷(ATR)是一种结合于腺嘌呤核苷酸转位酶的细胞毒性竞争抑制剂，可激活AMPK 并增加mTOR 相关调节蛋白(Raptor)的表达抑制mTOR激活自噬，促进脂肪变性肝细胞脂质降解，从而加速肝脏内脂质积累的降解[30]。ApoE、CO和ATR均介导AMPK/mTOR通路调控肝细胞及线粒体自噬，其在其他代谢性疾病中的作用是将来研究的热点。
4.3 缺血再灌注损伤 过度自噬是缺血再灌注(I/R)损伤的关键因素之一。在肠I/R小鼠损伤模型和氧葡萄糖剥夺/复氧(OGD/R)细胞模型中发现，miR-146a-5p基因表达和p70核糖体蛋白S6激酶的磷酸化降低，TXNIP 表达和PRKAA 的磷酸化增加，TXNIP增加通过激活PRKAA/mTOR信号通路刺激自噬，加重OGD/R 损伤，而miR-146a-5p 过表达靶向TXNIP通过PRKAA/mTOR途径抑制自噬并减轻肠I/R损伤[31]。人参皂苷单体化合物K通过增加细胞活力、降低ROS 生成、线粒体损伤和Ca2+超载保护大鼠神经元免受OGD/R损伤，并显著降低p-AMPK，提高p-mTOR水平[32]，通过促进自噬小体形成吞噬前体的过程来减少自噬介导的细胞凋亡发挥神经保护作用。此外，ROS 瞬时感受器电位M2 通道缺失[33]、针刺[34]、木犀草素[35]、木香油方[36]和红景天[37]激活AMPK/mTOR通路在I/R损伤中抑制自噬，保护脑和心肌I/R 损伤诱导的神经元死亡，而天麻素[38]、银杏叶[39]和线粒体醛脱氢酶2的激活剂[40]激活AMPK/mTOR信号通路诱导自噬，增加自噬通量来消除功能失调的线粒体，减轻心肌和肝I/R损伤。综上所述，在一定程度上，自噬/线粒体自噬增强在I/R损伤中也是有利的，AMPK/mTOR通过调控自噬/线粒体自噬通量的强弱在各器官中发挥保护作用。
4.4 肥胖 干扰素基因(STING)、Akt 和AMPK在肥胖导致的病理变化中具有潜在作用。环状GMP-AMP 合酶(cGAS)与细胞质DNA 结合开启STING，触发干扰素(IFN)和IFN 刺激基因的转录上调。TANK 结合激酶1(TBK1)为一种多功能激酶，在细胞中功能广泛，使mTORC1 的重要成分Raptor 在Ser877处磷酸化，以限制mTORC1的活性，TBK1还可直接磷酸化Ser366 处的STING 使其失活[41]。STING不仅介导自噬/线粒体自噬，其传导的上、下游分子和蛋白质包括cGAS和TBK1可以直接或间接激活自噬/线粒体自噬，但它们的自噬/线粒体自噬抑制STING信号及其过度反应[42]，这表明STING信号存在负反馈控制，但这种交互调节在自噬/线粒体自噬及其他病理环境中的具体机制仍有待研究。综上所述，TBK1/mTOR/STING信号之间可能有一定的联系，它们直接或间接调控自噬/线粒体自噬维持机体稳态。Akt2-AMPKα2 双重消融明显增强高脂饮食摄入诱导的心肌细胞凋亡，下调了自噬/线粒体自噬水平，加剧线粒体生物发生、含量丢失以及超微结构变化[43]。另外，高脂肪摄入上调cGAS、STING和STING磷酸化水平，同时抑制ULK1 的磷酸化[44]。另外，Akt 可通过分别在Ser291 或Ser305 处磷 酸 化cGAS 抑制STING 调控脂肪代谢[44]。因此Akt2-AMPKα2 和cGAS/STING/AMPK/mTOR之间也存在一定的交互联系，在肥胖性疾病中调控自噬/线粒体自噬维持机体平衡。
多个组织的线粒体中存在AMPK，但AMPK在各组织线粒体中的表达是有差异的，这种差异性将是深入研究线粒体疾病发生机制的切入点，也是提供靶向药物的关键点。线粒体损伤可通过能量应激激活AMPK 促进线粒体自噬，在没有线粒体损伤的情况下，直接小分子激活剂，如A769662 激活AMPK 诱导线粒体自噬[45]。AMPK/mTOR在不同疾病中调控线粒体自噬的机制各有异同，线粒体蛋白的表达异常或缺失极大可能影响线粒体自噬，导致受损线粒体清除不及时而诱发相关疾病。AMPK/mTOR 直接或与其他相关通路交互作用介导线粒体自噬，调控自噬通量保护机体免受损伤，这种交互作用是我们需要关注并探讨的。虽然AMPK/mTOR 调控线粒体自噬在线粒体疾病中的保护作用是明确的，但具体调节机制和相关靶点仍需进一步研究。
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