分子细胞。作者手稿；PMC 2018年6月15日发布。
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PMCID公司：PMC5553560
NIHMSID公司：NIHMS883242号
AMPK：细胞能量感应和代谢平衡恢复的机制
索尔克生物研究所。加利福尼亚州拉霍拉市托里松树北路10010号，邮编92037
摘要
AMPK是一种高度保守的代谢主调节器，可在细胞和生理水平上恢复代谢应激期间的能量平衡。众多AMPK靶点的确定有助于解释AMPK如何恢复能量稳态。然而，最近的进展表明，AMPK的调节也受到新环境的影响，例如亚细胞定位和非规范上游激酶的磷酸化。值得注意的是，AMPK的治疗潜力在治疗代谢性疾病（如糖尿病）以及肥胖、炎症和癌症方面得到了广泛认可和大力追求。此外，最近解决的AMPK晶体结构揭示了核苷酸如何激活AMPK，但重要的是，也揭示了小分子活化剂结合的位点，从而为改进药物提供了途径。
关键词：AMPK、三聚体复合物、能量恢复、代谢适应、治疗激活
介绍
在低营养期间维持能量稳态和执行适应性反应是所有细胞的关键功能。AMP-activated protein kinase（AMPK）是所有真核生物细胞中细胞能量状态的主要传感器，在所有真核物种中高度保守。一般来说，AMPK通过感知AMP:ATP和ADP:ATP比率的增加而被激活，并通过抑制消耗ATP的合成代谢过程而恢复能量平衡，同时促进生成ATP的分解代谢过程。此外，AMPK的活性受到多种上游信号的广泛调节，从而使AMPK成为细胞利用的中心节点，以协调其代谢与特定能量需求。重要的是，AMPK作为能量传感器的原始作用在哺乳动物等高等真核生物中得到了协同，以协调特殊组织和全身水平的生长和代谢。因此，AMPK重新编程代谢的能力被广泛用作治疗几种代谢性疾病，尤其是糖尿病，以及肥胖、炎症和癌症的治疗途径。在这里，我们回顾了我们对AMPK结构、其复杂的上游调控和下游效应的理解的最新进展，并展望了AMPK治疗活化的新方法。
AMPK三聚络合物
AMPK是由一个催化亚基（α亚基）和两个调节亚基（β亚基和γ亚基）组成的三聚体复合物。在哺乳动物中，α亚基由两种亚型编码，β亚基和γ亚基分别由两种和三种亚型进行编码(). 这些AMPK亚型在不同组织中的表达水平不同，导致不同细胞类型中的不同亚单位组合。尽管不同的复合物在很大程度上是功能冗余的，但它们可以表现出一些不同的生物化学性质(Ross等人，2016年). 虽然AMPKα1、AMPKβ1和AMPKγ1普遍表达，但其他亚型的表达模式更为受限。AMPKα2在骨骼肌和心肌中高水平表达，是主要的α-亚单位，但也在肝脏中表达，在其他组织中低水平表达。类似地，AMPKβ2是骨骼肌和心肌中的主要β亚单位，但在许多其他组织中含量较低。AMPKγ2和AMPKβ3的表达似乎仅限于骨骼和心脏组织。
AMPK复合体的结构域和结构A） AMPK是由一个催化亚基（α）和两个调节亚基（β和γ）组成的三聚体复合物。显示了主要的蛋白质结构域。缩写：AID（自动抑制域）、CTD（C末端域）、NTD（N末端域），CBM（碳水化合物结合模块）、CBS（胱硫醚β-合酶重复序列）、RIM（调控亚基相互作用基序）、ST-lop（丝氨酸/苏氨酸富集环）。
B） 显示了AMPKα2β1γ1三聚络合物的晶体结构。显示了主要的结构域。该结构显示活化剂A769662与激酶结构域和CBM之间的界面形成的口袋结合。还显示了两个AMP分子分别与位点3和位点4结合，以及磷酸化-Thr172。α-亚基中的ST-loop和β-亚基的肉豆蔻酰化位点在此结构中未被分解。结构来源于PDB文件4CFF，并使用PyMOL软件进行改编。
α-亚基的N末端由激酶结构域（KD）组成。AMPK的完全激活需要激酶结构域激活环（按照惯例称为Thr172）中保守苏氨酸的磷酸化。α-亚基的C末端结合β-和γ-亚基，并包含重要的调控域，即所谓的自动抑制域（AID）、α-连接子（通过两个调控亚基相互作用基序或α-RIM基序与γ-亚单位相互作用）和富含丝氨酸/苏氨酸的域，称为“ST-loop”。β亚基包含两个保守结构域：一个碳水化合物结合模块（CBM）（也称为糖原结合结构域），允许AMPK检测糖原，另一个C末端结构域结合α和γ亚基。β-亚单位在其N末端还包含一个肉豆蔻酰化位点，这有助于AMPK靶向细胞膜。γ亚基由两个贝特曼结构域组成，每个结构域包含两个胱硫醚β合成酶重复序列（CBS）。四个CBS重复序列构成AMPK中的四个位点，可能以竞争方式结合AMP、ADP或ATP。在哺乳动物中，位点1和位点3竞争性地交换腺嘌呤核苷酸，而位点2缺少核苷酸结合所需的关键天冬氨酸，这使其失去功能(肖等人，2011年). 位点4也能结合AMP和ATP，但与AMP的亲和力较高(卡拉布雷斯等人，2014年;Chen等人，2012年). γ亚基结合AMP、ADP和ATP的能力赋予AMPK敏锐的感知细胞能量状态的能力。
AMPK结构
通过对多种AMPK全酶的晶体结构的阐明，我们对AMPK的调控和功能的分子理解有了显著的提高(卡拉布雷斯等人，2014年;Chen等人，2012年;2013;Li等人，2015a;肖等人，2011年;2013;Xin等人，2013年). 尽管这些报告在某些细节上有所不同，但它们一起提供了AMPK综合体架构的详细视图。AMPK三聚体复合物的结构由三个主要片段或“模块”组成：催化模块、碳水化合物结合模块（CBM）和核苷酸结合模块（也称为“调节片段”）(). α-亚基的激活环位于催化模块和核苷酸结合模块之间的界面，靠近β-亚基C末端和γ-亚基CBS重复序列。这种结构安排确保Thr172的磷酸化和去磷酸化对核苷酸结合诱导的构象重排敏感。催化结构域展示了典型的真核生物丝氨酸/苏氨酸激酶结构域，具有一个小N瓣和一个大C瓣。CBM直接接触激酶结构域的N叶，这两个模块之间的界面形成一个离散的口袋，该口袋被确定为许多直接AMPK激活化合物的结合位点。据推测，天然代谢物可能会结合该位点来调节AMPK，但尚未发现此类代谢物。核苷酸结合模块主要由γ亚基组成，γ亚基形成一个扁平的圆盘，CBS重复序列对称排列在圆盘周围，每个象限一个。
从机制上讲，这些晶体学研究揭示了腺嘌呤核苷酸和小分子激活剂如何激活AMPK的分子细节。在核苷酸的情况下，晶体结构表明，当AMP与位点3结合时，γ亚基与α-连接子的α-RIM1和α-RIM2内的一些氨基酸形成稳定的相互作用，这些氨基酸分别与未被占据的位点2和结合在位点3的AMP分子相互作用(Chen等人，2013年;肖等人，2013;Xin等人，2013年). α-RIM基序与γ-亚基的结合限制了α-连接子的灵活性，导致催化和核苷酸结合模块的紧密结合，从而从物理上保护Thr172免受去磷酸化。有趣的是，当ADP结合位点3时也会发生同样的作用，这就增加了ADP在某些情况下可能是相关AMPK激活信号的可能性(肖等人，2011年). 此外，当AMP结合时，α-RIM基序与γ-亚基的结合将α-亚基中的AID从激酶结构域转移，从而释放AID对激酶结构域的负面影响(卡拉布雷斯等人，2014年;Chen等人，2013年;Li等人，2015年a）AID结构域的这种重排可能代表AMP变构激活效应的分子基础。根据这个模型，AID可以根据核苷酸结合状态在激酶域结合状态（非活性AMPK）和核苷酸模块结合状态（活性AMPK）之间移动。总之，已发表的晶体结构一致认为，AMP的结合，特别是在位点3的结合，诱导构象变化，通过α-RIM基序和AID与核苷酸结合模块的相互作用的变化传递到激酶结构域。这些结构变化与ATP相反，导致AMPK的变构活化，以及催化模块和核苷酸结合模块之间的界面压实，从而保护Thr172免受脱磷酸化。然而，尚不清楚这些结构重排是否也促进Thr172磷酸化。
另一方面，活化化合物，如A769662，通过不同的机制激活AMPK。这些化合物的结合，以及β亚基中丝氨酸108的磷酸化，稳定了CBM并加强了CBM与激酶结构域的相互作用(卡拉布雷斯等人，2014年;Li等人，2015a；
肖等人，2013). 具体而言，活化化合物的结合诱导β-亚基中α-螺旋的形成，称为C相互作用螺旋，它与激酶结构域的所谓C螺旋（跨多个激酶的保守螺旋，对ATP结合很重要）相互作用。这种构象变化导致激酶结构域向封闭、活性构象转变，保护其免受Thr172去磷酸化，并增加底物亲和力。有趣的是，糖原抑制CBM-KD相互作用，这可能是糖原抑制AMPK的机制(McBride等人，2009年).
AMPK的核苷酸依赖性和非核苷酸依赖性调节
AMPK作为细胞内AMP、ADP和ATP水平变化的传感器的调节，如在能量应激的情况下，已被充分理解，并被确立为AMPK的典型调节(). 因此，AMPK通过三叉机构完全激活。首先，AMP或ADP与γ亚单位的结合通过上游激酶促进激酶结构域激活环中的Thr172磷酸化。负责能量应激下Thr172磷酸化的主要上游激酶是丝氨酸/苏氨酸激酶LKB1（肝激酶-B1）(Hawley等人，2003年;Shaw等人，2004年;Woods等人，2003年). α-亚基中Thr172的磷酸化是AMPK完全激活所需的主要事件。这种磷酸化事件可以使AMPK活性增加100倍在体外虽然完整细胞的折叠激活通常较为温和(Gowans等人，2013年;Oakhill等人，2011年;Suter等人，2006年). 其次，AMP或ADP与γ-亚基的结合诱导构象变化，从而防止蛋白质磷酸酶对Thr172的去磷酸化(Gowans等人，2013年;肖等人，2011年). 值得注意的是，在生理条件下通常使AMPK去磷酸化的磷酸酶在很大程度上仍然未知，尽管最近的报告暗示了不同磷酸酶的作用(Garcia-Haro等人，2010年;Joseph等人，2015年). 最后，AMP而非ADP的结合导致AMPK高达10倍的变构活化(Gowans等人，2013年). 值得注意的是，ATP抑制所有三种机制。
AMPK的上游调控和AMPK激活的代谢后果上游激酶的磷酸化是AMPK激活的主要事件。AMPK磷酸化的调节可能是核苷酸依赖性的（典型调节），这是由多种能量应激诱导的AMP:ATP或ADP:ATP比值的变化引起的。已经描述了AMPK调节的几种重要的替代模式，可归类为核苷酸非依赖性调节。为了应对能量应激，AMPK通过急性抑制ATP消耗生物合成途径恢复ATP水平，同时激活分解代谢途径，通过大分子分解再生ATP。显示了受AMPK激活影响的一些代谢过程。
除了腺嘌呤核苷酸水平的变化外，越来越清楚的是，还有其他重要的、非规范的AMPK调节模式(). AMPK最具特征的核苷酸非依赖性调节是通过CAMKK2（钙/钙调素依赖性激酶激酶2，也称为CAMKKβ）磷酸化Thr172，而CAMKK是AMPK的另一个主要上游激酶(Hawley等人，2005年;Hurley等人，2005年;伍兹等人，2005年). CAMKK2被细胞内Ca增加激活2+水平。的确，Ca2+-介导的AMPK的CAMKK2激活是代谢相关激素诱导AMPK瞬时激活的常见机制。因此，尽管CAMKK2本身并不感知细胞能量状态，但它对AMPK调节全身代谢的许多方面至关重要。
除了Thr172的磷酸化外，ST-loop的磷酸化已成为其他激酶调节和抑制AMPK的重要位点(哈迪，2014). 这方面的例子包括AMPKα1中丝氨酸485（Ser485）的磷酸化和AMPKβ2中等效丝氨酸491（Ser491）的PKA（cyclic-AMP-dependendent protein kinase）磷酸化，这被认为对糖新生期中和AMPK活性很重要(Hurley等人，2006年)和AKT（胰岛素活化蛋白激酶），这被认为是胰岛素抑制AMPK的机制(Horman等人，2008年). 类似地，S6K（p70S6激酶）被报道通过磷酸化AMPKα2中的Ser491来抑制AMPK活性，这种磷酸化被认为是瘦素抑制下丘脑AMPK的机制(Dagon等人，2012年). 据报道，通过磷酸化ST-lop中的各种残基来抑制AMPK的其他激酶是GSK3（糖原合成激酶3）(铃木等人，2013)，PKD1（蛋白激酶D）(Coughlan等人，2016年)和PKC（蛋白激酶C）(Heathcote等人，2016)尽管这些激酶中哪些与体内不同组织相关尚待确定。虽然AMPK抑制的机制还不完全清楚，但似乎ST-loop的磷酸化通过物理干预Thr172的磷酸化或促进其去磷酸化来减少Thr172的净磷酸化(Hawley等人，2014年). 总之，这些ST-loop上的磷酸化事件可能是在需要合成代谢的时期保持AMPK活性低的重要机制。事实上，肿瘤细胞中常见的一个特征是，肿瘤细胞释放的AKT使AMPK磷酸化，这可能是肿瘤用来下调AMPK活性的一种机制，否则AMPK的活性会阻碍其增殖代谢(Hawley等人，2014年). 一些肿瘤降低AMPK活性的这一要求通过另一种下调AMPK的机制得到了进一步证明，即通过其泛素化和降解。因此，例如，MAGE（黑色素瘤抗原基因）-A3和MAGE-A6蛋白是睾丸特异性基因，在多种肿瘤中异常表达，部分通过调节TRIM28泛素连接酶对AMPKα1的泛素依赖性降解而有效促进肿瘤生长(Pineda等人，2015年). 此外，据类似报道，UBE20（泛素结合酶E20）通过靶向AMPKα2实现泛素化和降解，从而促进肿瘤生长(Vila等人，2017年). 此外，另一种泛素连接酶WWP1被报道在高糖条件下降解肌肉细胞中的AMPKα2(Lee等人，2013年)表明泛素依赖性AMPK降解可能是一种比目前公认的更广泛的AMPK调节机制。
另一个对AMPK活性的调节越来越重要的背景是其定位于细胞膜。事实上，β-亚基的肉豆蔻酰化可以促进AMPK在膜上的定位(Liang等人，2015年;Oakhill等人，2010年). 有趣的是，LKB1是法尼基化的，也可以定位于细胞膜，这就提出了一个问题，即AMPK和LKB1在细胞膜二维表面的共同定位是否可以促进LKB1激活AMPK。对表达不能法尼基化的LKB1突变体（LKB1）的敲除小鼠的分析有力地支持了这一假设C433S型)因此，不会局限于膜(Houde等人，2014年). 尽管LKB1C433S型完全能够在体外激活AMPK、LKB1的组织和细胞C433S型小鼠表现出基础和诱导的AMPK激活显著降低(Houde等人，2014年)，表明AMPK活性降低是由于LKB1的膜定位缺陷C433S型在单元格中。值得注意的是，哪些细胞膜对LKB1-AMPK的激活很重要，目前还没有答案。
有趣的是，最近的研究表明，溶酶体可能是LKB1磷酸化AMPK的一个相关膜表面(Zhang等人，2014年;2013). 简言之，这些研究描述了一种复杂的机制，在低营养条件下，AMPK和LKB1与支架蛋白AXIN形成复合物(Zhang等人，2013年)并通过与溶酶体蛋白LAMTOR1结合定位于溶酶体(Zhang等人，2014)，mTORC1-激活RAGULATOR复合物的成分。此外，LAMTOR1基因敲除的细胞和组织有缺陷的AMPK激活，这表明AMPK向溶酶体募集可能是正确激活所必需的(Zhang等人，2014年). 虽然这没有被测试，但很容易推测AMPK和LKB1中的脂质修饰可能是它们溶酶体定位所必需的。尽管这可能很有趣，但对AMPK活性的细胞内定位进行的系统分析发现，AMPK不仅在溶酶体膜中富集，而且在高尔基体、内质网、线粒体和质膜中也富集，这表明AMPK膜定位在细胞中得到了广泛利用(宫本茂等人，2015年). 因此，尽管大多数AMPK是细胞溶质，但目前的一个关键问题是，AMPK的离散亚细胞池（如膜结合AMPK）是否对特定的应激刺激作出反应，并且可能反过来会针对下游靶点的子集。
最后，越来越多的证据表明AMPK可能也是一种氧化还原敏感蛋白。活性氧（ROS）是我的许多代谢反应中自然产生的，最显著的是线粒体中ATP的产生，其水平的管理对细胞内环境稳定至关重要。虽然ROS可以通过增加AMP间接激活AMPK(Hawley等人，2010年)，一些研究表明ROS可以通过直接翻译后修饰来调节AMPK活性(邵等，2014;Zmijewski等人，2010年). 然而，这种修改的性质和效果似乎取决于上下文。在HEK293和肺细胞中，H2哦2被证明可以诱导α亚基中半胱氨酸299和304的氧化和S-谷氨酰化，从而激活AMPK(Zmijewski等人，2010年). 另一方面，在心肌细胞中，H增加2哦2α-亚单位中高度保守的半胱氨酸130和174的水平和缺血诱导氧化，通过AMPK分子聚集和上游激酶阻断磷酸化而导致AMPK抑制(邵等，2014). 重要的是，这项研究还证明了Trx1（硫氧还蛋白1），一种主要的还原酶，能够阻止AMPK氧化，并且是维持AMPK活性所必需的。总的来说，尽管尚未形成全面的图像，但证据表明AMPK是细胞代谢和细胞氧化还原状态之间的联系。
AMPK激活的代谢后果
在过去几年中，我们对AMPK调节代谢的机制的理解，通过对大量AMPK底物的鉴定，以及对AMPK-底物基序的解码，得到了极大的帮助(Gwinn等人，2008年;Hardie等人，2016年). 此外，新的蛋白质组学方法大大扩展了假定AMPK底物的列表和范围(Banko等人，2011年;Hoffman等人，2015年;Schaffer等人，2015年)尽管对这些新型底物的功能作用进行严格分析还需要进一步研究。如上所述，AMPK通过急性抑制消耗ATP的生物合成途径，同时激活通过大分子分解再生ATP的途径，在代谢应激期间恢复ATP水平(). 此外，AMPK磷酸化几个转录因子（或辅因子），这些转录因子本身是生物合成途径和代谢的主要调节因子(Mouchiroud等人，2014年). 通过这种方式，AMPK可以急性恢复能量平衡，但也可以通过转录方式对细胞代谢进行重新编程，以应对长期的能量下降。一些已建立的最佳AMPK底物如我们将在下一节中讨论AMPK的一些代谢效应。
AMPK底物调节细胞的多种代谢过程AMPK被磷酸化并被LKB1和CAMKKβ激活，以响应增加AMP/ADP水平（能量应激）或Ca的刺激2+流量。一旦激活，AMPK通过底物磷酸化诱导代谢变化。显示了由AMPK调节的一些最成熟的代谢过程以及相关底物。
糖脂代谢
葡萄糖和脂质是细胞能量供应和储存的主要来源。AMPK通过促进其分解并抑制其合成和储存来增加ATP水平。AMPK通过磷酸化TBC1D1（TBC结构域家族，成员1）和TXNIP（硫氧还蛋白相互作用蛋白）促进葡萄糖摄取，这两种蛋白分别控制葡萄糖转运蛋白GLUT4和GLUT1的移位和细胞表面水平(哈迪，2013;Wu等人，2013年)尽管通过不同的机制。AMPK还通过磷酸化PFKFB3（6-磷酸果糖-2-激酶/果糖-2,6-二磷酸酶3）来急性调节某些组织类型的糖酵解，同时通过抑制GYS（糖原合成酶）的多种亚型来抑制某些组织中葡萄糖的储存(哈迪，2013). AMPK通过ACC1（乙酰-CoA羧化酶1）和ACC2的直接磷酸化控制整体细胞脂质代谢，抑制脂肪酸合成，同时通过减轻CPT1（肉碱棕榈酰转移酶1）的抑制促进脂肪酸氧化ACC2在线粒体外膜局部产生丙二酰辅酶a，其氨基末端具有线粒体靶向序列。AMPK还磷酸化并抑制HMGCR（3-羟基-3-甲基-谷氨酸-辅酶a还原酶），这与其对ACC1和ACC2的作用共同导致细胞中脂质和甾醇合成的预先编程。AMPK还通过磷酸化脂肪酶（如HSL（激素敏感脂肪酶）和ATGL（脂肪酸-甘油三酯脂肪酶(Ahmadian等人，2011年;Kim等人，2016年).
AMPK抑制糖异生的转录诱导，即从头开始葡萄糖的合成，通过CRTC2（cyclic-AMP-regulated transcription co-activator 2）和II类HDAC（组蛋白脱乙酰化酶）的磷酸化和核排斥进行，这是葡萄糖新生基因转录的必要辅因子(Koo等人，2005年;Mihaylova等人，2011年)此外，AMPK磷酸化并抑制激活糖酵解和脂肪生成转录程序的转录因子，最显著的是SREBP1（甾醇调节元件结合蛋白1），它是脂质合成的主要转录调节因子(Li等人，2011年)HNF4α（肝细胞核因子-4α）和ChREBP（碳水化合物反应元件结合蛋白）(Hong等人，2003年;川口等人，2002年). 因此，急性AMPK激活有利于葡萄糖摄取，以促进ATP的恢复，而持续的AMPK活化则对细胞进行重新编程，以限制葡萄糖和脂质的合成，并有利于脂肪酸的氧化，将其作为能量来源。
mTOR与蛋白质代谢
AMPK抑制蛋白质合成的能力在很大程度上是通过直接抑制mTORC1复合物（雷帕霉素复合物1的机械靶点）介导的。mTOR是营养素和生长因子信号的中心集合体，可激活许多生物合成途径，尤其是蛋白质翻译，并刺激细胞生长。在许多水平上，AMPK和mTORC1在细胞代谢调节中发挥相反的作用。AMPK通过磷酸化和激活TSC2（结节性硬化复合物2），通过双途径机制抑制mTORC1活性(Inoki等人，2003年)，mTORC1的负调节因子，以及mTORC1复合物亚基Raptor（mTOR的调节相关蛋白）的磷酸化和抑制(Gwinn等人，2008年). 除了抑制mTOR外，据报道，AMPK通过磷酸化和抑制TIF-IA（一种RNA聚合酶I的转录因子）来阻止核糖体RNA合成，从而限制蛋白质合成(Hoppe等人，2009年). AMPK还通过磷酸化和激活eEF2K（真核延长因子2激酶）（一种延长抑制剂）来抑制蛋白质延长(Leprivier等人，2013年). 重要的是，mTORC1也是eEF2K的主要调节器(Faller等人，2015年)，提供了AMPK的许多下游靶点的示例，这些靶点也被mTORC1或S6K1直接磷酸化，以通过AMPK磷酸化拮抗调节其功能。在这种方式下，AMPK和mTOR通过在细胞周围移动来控制合成代谢和分解代谢，从而打开和关闭一组有限的主代谢开关。
自噬和有丝分裂
自噬是一种细胞过程，其中蛋白质、细胞器和其他大分子被输送到溶酶体进行降解。这是细胞用于正常周转和生成营养物质以应对能源短缺的过程。AMPK通过多种机制有效促进自噬。AMPK磷酸化并激活ULK1（类unc-51自噬激活激酶1），从而触发自噬级联反应的启动(Egan等人，2011年;Kim等人，2011年;Mack等人，2012年). 重要的是，mTOR通过直接磷酸化和抑制ULK1，强烈抑制自噬(Kim等人，2011年). 因此，AMPK不仅通过直接激活ULK1促进自噬，还通过负调控mTORC1并阻断其对ULK1的抑制作用来促进自噬性。因此，ULK1是AMPK和mTOR以相反方式调节特定代谢过程的另一个节点。AMPK还通过差异调节含有复合物的VPS34（空泡蛋白分类34）刺激自噬的启动(Kim等人，2013年)对自噬体的启动和形成非常重要。据报道，AMPK可直接磷酸化并抑制不含自噬适配器蛋白的非自噬复合物中的VPS34，同时通过直接磷酸化Beclin-1增强含Beclin-1的前自噬复合体中VPS34的活性(Kim等人，2013年). 通过这种方式，AMPK可能抑制了非必需的囊泡运输，从而有利于在营养缺乏期间膜运输到自噬途径。鉴于AMPK和ULK1已被报道直接磷酸化Beclin-1和Vps34中的不同位点，关于不同应激条件下自噬启动的时间和空间控制还有很多待澄清。此外，AMPK和ULK1也被报道磷酸化并控制Atg9的定位，Atg9是一种参与早期自噬体形成的跨膜蛋白(Mack等人，2012年;Weerasekara等人，2014年;Zhou等人，2017).
AMPK最近也被证明通过转录机制，通过调节溶酶体基因和自噬的主要转录调控因子Tfeb（转录因子EB）促进自噬。尽管AMPK和Tfeb之间没有直接联系的报道，但AMPK可以通过抑制mTORC1激活Tfeb，从而阻断mTOR磷酸化和将Tfeb转运出细胞核的能力(Young等人，2016年). 此外，通过磷酸化和激活转录因子FOXO3a（Forkhead box O3）(Greer等人，2007年)据报道，AMPK可增加CARM1（共激活物相关精氨酸甲基转移酶1）的水平，CARM1是Tfeb转录的重要辅因子(Shin等人，2016年).
除了一般的自噬外，一些证据表明AMPK促进有丝分裂，即有缺陷线粒体的降解过程。事实上，AMPK激活ULK1是通过有丝分裂正确去除受损线粒体所必需的，尽管ULK1如何调节有丝分裂的细节尚未完全解决(Egan等人，2011年). 去除受损线粒体之前的一个必要步骤是线粒体断裂，以响应线粒体损伤，从而分离和靶向受损的线粒体片段，通过线粒体自噬途径进行翻转。这种高度保守的过程称为线粒体分裂。最近，AMPK促进线粒体分裂的新机制被阐明(富山等人，2016年). 在这项研究中，AMPK被证明通过直接磷酸化MFF（线粒体裂变因子）在能量应激期间诱导线粒体裂变，MFF随后作为DRP1（动力相关蛋白1）的受体，DRP1是催化线粒体裂变的酶(富山等人，2016年). 一旦到达线粒体，DRP1就会将受损的线粒体分裂成更小的碎片，这些碎片可能会被自噬体更有效地清除。此外，据报道，AMPK通过直接磷酸化PGC1α激活PGC1α（过氧化物酶体增殖物激活受体γ，辅活化因子1α），PGC1α是线粒体生物发生的主要调节因子(Jäger等人，2007年)也可以通过推广NAD+-Sirt1（sirtuin 1）对PGC1α的依赖性激活(坎托等人，2009年). 有趣的是，最近有报道称，与其家族成员Tfe3类似的Tfeb也能驱动线粒体生物发生(Mansueto等人，2017年;Wada等人，2016年)这提供了一种可能性，即激活Tfeb或Tfe3，可能是AMPK促进线粒体再生的另一种机制。总之，AMPK在线粒体损伤的急性反应和持续能量应激后协调线粒体分裂和有丝分裂，AMPK促进线粒体生物发生的转录诱导。在这种方式下，AMPK作为线粒体质量的中心介质，确保细胞和组织的代谢效率。
其他生物环境中的AMPK活性
大量证据表明AMPK作为细胞生长和增殖的抑制剂发挥作用。然而，最近的研究非常有趣，它们进一步证明了AMPK通过重要有丝分裂途径中新底物的磷酸化抑制细胞增殖的能力。特别是，据报道，AMPK通过磷酸化和破坏转录因子GLI1（胶质瘤相关癌基因1）的稳定性来抑制Hedgehog信号(Li等人，2015b). 同样，AMPK在能量应激期间通过磷酸化和稳定AMOTL1（血管生成素样1）抑制Hippo-YAP途径(DeRan等人，2014年)是YAP（Yes-associated protein）的负调控因子，通过磷酸化和抑制YAP本身(Mo等人，2015年;Wang等人，2015年). 此外，据报道，AMPK磷酸化并抑制MDMX（小鼠双分钟X），MDMX是抑癌基因p53的负调控因子，导致p53激活和随后的细胞周期阻滞(He等人，2014年). 所有这些途径在细胞生长和增殖中都有明确的作用，并且在肿瘤细胞中经常被解除调控。AMPK对它们的调节可能表明AMPK在细胞中充当“代谢检查点”的新机制。
AMPK功能可能相关的新生物背景不断被报道。其中一个值得注意的方面是活性氧物种的管理。如上所述，AMPK不仅是一种氧化还原敏感蛋白，而且还参与氧化应激反应。事实上，据报道，AMPK磷酸化了Nrf2（核因子-红细胞2相关因子2），这是抗氧化基因程序的主要转录调节因子，导致Nrf2的核积累和随后抗氧化基因的表达(Joo等人，2016年). 此外，AMPK可以通过抑制脂肪酸合成（消耗NADPH的过程）和促进脂肪酸氧化（生成NADPH）来维持高水平NADPH和GSH（细胞抗氧化剂），从而间接降低ROS(Jeon等人，2012年). 有趣的是，AMPK间接调节关键代谢产物的这种机制最近被描述为另一种新的生物学背景。在最近的一项研究中，AMPK被证明可以促进项目16棕色脂肪细胞中保持高水平α-酮戊二酸的启动子(Yang等人，2016). 简单地说，高α-酮戊二酸水平（由AMPKα1维持）被证明是项目16TET（ten-eleven transportation hydroxylases）酶的启动子，然后导致PRDM16（PR域包含16蛋白）的表达，PRDM16是棕色脂肪生成的关键转录因子。
最后，AMPK与昼夜节律的调节有关。核心昼夜节律时钟由转录因子clock和BMAL1的活性以及它们被色素（CRY1，CRY2）和周期蛋白（PER1，PER2，PER3）的周期性抑制来设置。AMPK通过磷酸化CRY1和CRY2直接调节昼夜节律核心时钟，以降解为目标(Lamia等人，2009年). AMPK还间接促进PER蛋白的降解(Um等人，2007年). 因此，AMPK调节生物钟的能力可能对组织中生物节律的携带很重要。事实上，时钟核心部件的AMPK依赖性退化可能已经演变为一种光独立的时钟设置信号，允许昼夜节律与能量可用性耦合(约旦和拉米亚，2013年). 鉴于CRY1和CRY2作为特异性核受体（NRs）阻遏物的最新作用，AMPK依赖性CRY蛋白的降解也可能有助于促进特异性NR依赖性基因表达程序(Lamia等人，2011年).
结束语
AMPK是一种高度保守的代谢主调节器，在细胞和生物体水平上都是如此，其功能不仅与正常生理学密切相关，而且与许多代谢疾病的理解密切相关。对AMPK调节的新机制的研究和对额外AMPK底物的鉴定，不仅使我们进一步了解AMPK生物学，还使我们进一步认识到细胞是如何管理其能量需求的。重要的是，除了临床上批准的二甲双胍和沙柳酸盐外，许多AMPK激活化合物还具有巨大的治疗潜力，特别是在治疗糖尿病等代谢紊乱方面。然而，这些药物正在进行其他多种应用的实验测试，包括治疗肥胖症、肌肉功能障碍和癌症，毫无疑问，从这些试验中可以学到很多东西。
致谢
我们感谢Kristina Hellberg对PyMOL软件的帮助。D.G.由索尔克研究所格伦老龄研究中心的博士后奖学金资助。R.J.S.担任William R.Brody主席，是索尔克生物研究所分子和细胞生物学系的教授。本次审查中所述实验室的工作得到了美国国立卫生研究院（R01DK080425、R01CA172229、P01CA120964）以及利昂娜·M·和哈里·B·赫尔姆斯利慈善信托基金（2012-PGMED002）的资助。我们向许多作者致歉，他们的作品由于空间限制而无法被引用，包括对AMPK新目标的许多有见地的发现。
脚注
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