楊 瑞, 李曉雪, 王垣蘋, 包·照日格圖

(云南中醫(yī)學(xué)院 中藥學(xué)院, 云南 昆明, 650500)

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綜 述

LKB1-AMPK-TORC2代謝通路干預(yù)糖尿病研究進(jìn)展

楊 瑞, 李曉雪, 王垣蘋, 包·照日格圖

(云南中醫(yī)學(xué)院 中藥學(xué)院, 云南 昆明, 650500)

肝臟激酶B1; AMP活化蛋白激酶; 環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白輔激活物2; 二型糖尿病; 糖異生

糖尿病(DM)是一種慢性內(nèi)分泌代謝紊亂疾病，以葡萄糖和脂類代謝異常為特征。隨著現(xiàn)代人生活方式及飲食結(jié)構(gòu)的改變，糖尿病呈現(xiàn)全球化、年輕化的趨勢(shì)。統(tǒng)計(jì)[1]表明，全球糖尿病患者已超過3億，90%以上為2型糖尿病，預(yù)測(cè)到2030年，患病人數(shù)將超過4億。肝糖輸出增多是造成糖尿病患者空腹血糖升高的主要因素，且肝糖輸出主要依賴于肝糖異生。肝臟激酶B1(LKB1)是機(jī)體能量不足狀態(tài)下調(diào)節(jié)AMP活化蛋白激酶(AMPK)的主要酶體，可在胞漿內(nèi)活化AMPK調(diào)節(jié)下游糖異生關(guān)鍵分子環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)輔激活物2(TORC2)的活性，進(jìn)而調(diào)控糖異生相關(guān)酶PEPCK、G6P等的表達(dá)?？梢?，LKB1-AMPK-TORC2是調(diào)節(jié)肝臟糖異生的重要通路。其中，TORC2更是作為糖異生的“分子開關(guān)”可有效減少肝糖異生改善糖尿病。

1 LKB1-AMPK-TORC2通路中的關(guān)鍵酶和因子

1.1 LKB1的發(fā)現(xiàn)與糖代謝的調(diào)節(jié)

LKB1又稱作STK11, 是一種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。最初被認(rèn)為是黑斑息肉綜合征的一個(gè)腫瘤突變抑制蛋白，控制細(xì)胞極性、癌變及代謝等不同細(xì)胞內(nèi)程序[2-4]?，F(xiàn)將LKB1定義為人體的一個(gè)抑癌基因，編碼蛋白由433個(gè)氨基酸組成，以LKB1/STRADα/MO25α三聚體發(fā)揮調(diào)節(jié)活性[5], 其胞質(zhì)定位是LKB1發(fā)揮激酶活性磷酸化AMPK的先決條件，通過乙?；ㄎ挥诩?xì)胞核，去乙?；敵鲋涟麧{。游離的LKB1分布于細(xì)胞核內(nèi)，當(dāng)LKB1與STRADα和MO25α蛋白形成復(fù)合物后促進(jìn)其轉(zhuǎn)位到胞漿內(nèi)。LKB1的復(fù)合物是AMPK的上游激酶，胞漿內(nèi)的復(fù)合物可活化AMPK從而調(diào)節(jié)糖脂代謝。實(shí)驗(yàn)[6-7]證明，刪除成年大鼠肝臟LKB1, 導(dǎo)致喪失幾乎全部的AMPK活性，從而增加肝糖異生引發(fā)高血糖。促進(jìn)LKB1/STRADα/MO25α復(fù)合物的形成顯示磷酸化Thr172而激活A(yù)MPK。因此，LKB1被認(rèn)為是能量缺失狀態(tài)下調(diào)節(jié)AMPK活性的主要酶體。

1.2 AMPK是調(diào)節(jié)糖代謝的關(guān)鍵靶點(diǎn)

AMPK是一種進(jìn)化上保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，被稱為真核細(xì)胞的“能量傳感器”。是由α、β、γ 三個(gè)亞單位組成的三聚體蛋白激酶復(fù)合物。催化亞基α含有激酶的活性功能域及調(diào)節(jié)功能域，β亞基為連接α與γ亞基的橋梁，γ亞基的C末端有4個(gè)CBS功能域，主要用于結(jié)合AMP及ATP, 以調(diào)節(jié)AMPK的活性[8-9]。糖尿病患者體內(nèi)AMPK活性低于正常人, AMPK可感受細(xì)胞中AMP/ATP濃度，被上游多種激酶激活，肝臟中的AMPK調(diào)節(jié)能量狀態(tài)，同時(shí)在能量缺乏條件下保護(hù)肝細(xì)胞避免缺糖損傷[10]。另有研究[11]發(fā)現(xiàn)通過上調(diào)AMPK可抑制脂肪細(xì)胞分化和糖異生。AMPK作為一個(gè)全方位調(diào)控糖脂代謝的關(guān)鍵樞紐，是治療糖尿病的研究中的主要靶點(diǎn)。

1.3 TORC2調(diào)節(jié)糖異生

TORC又稱CRTC, 是一個(gè)調(diào)節(jié)cAMP 反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(CREB)轉(zhuǎn)錄因子活性的真核蛋白家族，于2003年首次發(fā)現(xiàn)[12]。結(jié)構(gòu)特征是高度保守的卷曲-螺旋結(jié)構(gòu)域，哺乳動(dòng)物中主要以TORC1、TORC2、TORC3三種亞型存在。其中TORC2主要分布于肝臟中，調(diào)節(jié)不同營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)下糖脂代謝，是驅(qū)動(dòng)CREB靶基因表達(dá)最重要的調(diào)節(jié)器[13]。進(jìn)食及活化AMPK時(shí)促使TORC2磷酸化抑制TORC2轉(zhuǎn)位至細(xì)胞核，阻止其與CREB結(jié)合，從而抑制糖異生?？崭?fàn)顟B(tài)下TORC2可通過去磷酸化方式進(jìn)入細(xì)胞核結(jié)合到CREB堿性亮氨酸拉鏈結(jié)構(gòu)域(bZIP區(qū)域)增加CRE依賴的轉(zhuǎn)錄，這種CREB在Ser133位磷酸化是募集CBP到CREB的重要方式，通過形成CREB-CBP-TORC2復(fù)合體促進(jìn)下游PEPCK、G6P、PGC-1α基因的表達(dá)增加糖生成[14-18]。增加TORC2磷酸化使之滯留在細(xì)胞質(zhì)中可減少肝臟糖異生，從而降低糖尿病患者的空腹血糖。

2 LKB1-AMPK-TORC2對(duì)糖代謝的調(diào)節(jié)特點(diǎn)

2.1 LKB1是AMPK重要的上游激酶

研究[19-21]表明，HeLa細(xì)胞表達(dá)AMPK但不表達(dá)LKB1，常用的活化AMPK的方法不能激活HeLa細(xì)胞中的AMPK，究其原因就是缺乏LKB1。將野生型的LKB1基因?qū)際eLa細(xì)胞中表達(dá)，發(fā)現(xiàn)AMPK可以被相應(yīng)的活化劑活化，由此證明LKB1可以激活A(yù)MPK。Zhan等發(fā)現(xiàn)，在細(xì)胞核內(nèi)，隔離孤核受體Nur77結(jié)合LKB1發(fā)現(xiàn)減弱AMPK活性。此外，應(yīng)用AMPK激動(dòng)劑, 2-脫氧葡萄糖(2-DG)，處理LKB1野生型非小細(xì)胞肺癌細(xì)胞系H1299和H1792后，觀察到p-AMPKα-Thr172升高，而在LKB1基因突變細(xì)胞系A(chǔ)549、H460中, p-AMPKα-Thr172無改變。表明LKB1是AMPK重要的上游激酶。

AMPK對(duì)細(xì)胞內(nèi)AMP/ATP比值變化相當(dāng)敏感，在各種應(yīng)激狀態(tài)(缺氧、缺乏營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)等)下[22], ATP被消耗。AMP結(jié)合到AMPKγ的CBS區(qū)域，加強(qiáng)LKB1/STRAD/MO25復(fù)合物對(duì)完整AMPK三聚體的磷酸化。通過LKB1變構(gòu)機(jī)制磷酸化AMPKα亞單位Thr172殘基從而活化AMPK，通過下調(diào)合成代謝過程 (如蛋白質(zhì)、脂肪酸和膽固醇的合成)減低ATP的消耗，同時(shí)促進(jìn)催化氧化過程(如脂肪酸氧化、糖酵解等)以生成更多的ATP，緩解應(yīng)激，維持機(jī)體的正常代謝。

此外，CaMkk家族可通過Thr173直接磷酸化AMPKα亞基呈現(xiàn)高效激活A(yù)MPK, 但CaMkk在周圍組織表達(dá)很少，主要在大腦、胸腺、T淋巴細(xì)胞中表達(dá)，不能調(diào)節(jié)糖代謝。而LKB1則在胰島素敏感組織及特定的肌肉組織中均有表達(dá)，是調(diào)節(jié)糖代謝的關(guān)鍵因子，是能量缺失狀態(tài)下調(diào)節(jié)AMPK活性的重要酶體。當(dāng)LKB1-AMPK信號(hào)通路被激活可促進(jìn)脂肪細(xì)胞和肌管細(xì)胞對(duì)葡萄糖的攝取，增加胰島素敏感性，從而降低血糖。

2.2 LKB1-AMPK負(fù)向調(diào)控TORC2的功能

在空腹、饑餓等應(yīng)激條件下LKB1調(diào)節(jié)AMPK負(fù)向調(diào)控TORC2的轉(zhuǎn)錄效應(yīng)。TORC2是一種SIKS和AMPK的底物，通過磷酸化Ser171實(shí)現(xiàn)負(fù)調(diào)節(jié)。磷酸化Ser171形成14-3-3蛋白結(jié)合點(diǎn)標(biāo)記核定位信號(hào)，可促使細(xì)胞質(zhì)積累TORC2。當(dāng)受到細(xì)胞外信號(hào)刺激時(shí)，可引起Ca2+和cAMP濃度升高, TORC2從14-3-3蛋白解離再次轉(zhuǎn)位到細(xì)胞核。胰高血糖素或cAMP的升高，促使14-3-3蛋白從TORC2的Ser275解離, TORC2轉(zhuǎn)移入細(xì)胞核，募集、結(jié)合并激活CREB及其他轉(zhuǎn)錄因子誘導(dǎo)相關(guān)糖異生相關(guān)酶編碼基因的表達(dá)。此外, TORC2不僅可與CREB結(jié)合還可與SIK2結(jié)合。TORC2與SIK2結(jié)合是胰島素介導(dǎo)的，后者通過磷酸化蛋白激酶B(AKT)激活SIK2, 促使TORC2的Ser171磷酸化并向胞漿轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致TORC2不能在細(xì)胞核內(nèi)繼續(xù)結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子CREB, 從而抑制下游基因的表達(dá)[23]。

研究[24]還發(fā)現(xiàn)，激活的AMPK通過在Ser171磷酸化TORC2, 阻滯后者向核內(nèi)轉(zhuǎn)移定位，從而阻斷下游信號(hào)通路的活性轉(zhuǎn)導(dǎo)，抑制肝臟葡萄糖的生成，促進(jìn)肌肉對(duì)葡萄糖的攝取并增強(qiáng)肝臟的胰島素敏感性。Miller等[18]發(fā)現(xiàn)，在原代肝細(xì)胞中LKB1-AMPK-TORC2信號(hào)通路是脂聯(lián)素調(diào)節(jié)糖生成的必需通路。

3 以LKB1-AMPK-TORC2通路為治療糖尿病作用靶點(diǎn)的藥物

肝臟是糖異生的主要器官，當(dāng)胰島素抑制肝臟葡萄糖異生的能力下降，會(huì)使肝臟葡萄糖輸出增加，產(chǎn)生高血糖和糖不耐受的現(xiàn)象。目前臨床上治療糖尿病的藥物中，通過調(diào)控糖異生改善糖代謝紊亂，是其重要作用靶點(diǎn)之一。

3.1 二甲雙胍

二甲雙胍是二型糖尿病患者首選的降糖藥物, 1950年用于臨床。近年的研究顯示，其降糖作用機(jī)制部分是通過激活LKB1-AMPK通路。主要通過磷酸化AMPK, 在Ser436磷酸化CBP, 分解CREB-CBP-TORC2復(fù)合體，使之不能與PEPCK、G6P基因的啟動(dòng)子結(jié)合而抑制二者的基因轉(zhuǎn)錄[24]。二甲雙胍還通過SHP干預(yù)HNF4和FoxO，阻止它們與糖異生關(guān)鍵酶PEPCK和G6P基因啟動(dòng)子上的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合，抑制二者轉(zhuǎn)錄減少糖異生[25]。

3.2 成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21(FGF21)

研究表明，成纖維細(xì)胞生長(zhǎng)因子21主要由肝臟分泌，具有類胰島素樣作用，可降低機(jī)體血糖血脂、改善胰島素抵抗、保護(hù)胰島β細(xì)胞等，現(xiàn)已作為治療糖尿病的生物藥物進(jìn)入臨床。FGF21與靶細(xì)胞FGFR受體結(jié)合和β-Klotho形成受體復(fù)合物，通過磷酸化激活FGFRs, 調(diào)節(jié)下游基因的表達(dá)從而調(diào)控肝細(xì)胞內(nèi)的糖脂代謝。在禁食條件下FGF21是關(guān)鍵的生理調(diào)節(jié)因子，在肝臟中FG21通過激活LKB1和AMPK促進(jìn)PGC-1α的表達(dá)增強(qiáng)線粒體氧化功能，從而調(diào)節(jié)糖脂代謝。此外，與FGF21同一亞族的FGF19也發(fā)現(xiàn)具有類胰島素樣作用，進(jìn)食后由小腸釋放，通過去磷酸化使CREB失活從而減少肝臟代謝中PGC-1α等基因的表達(dá)從而抑制糖異生[26-27]。

3.3 中藥提取物

中藥治療疾病具有多靶點(diǎn)、少副作用的特點(diǎn)，尋找中藥有效成分治療糖尿病有利于發(fā)揮祖國醫(yī)藥的優(yōu)勢(shì)，并拓寬新藥研究的方向。本課題組前期研究[28-30]發(fā)現(xiàn)，中藥蓽茇的醇提物胡椒堿(PIP)具有降低IR模型大鼠FBS水平、血清FFA、血壓升高、TG、TC、改善糖耐量異?，F(xiàn)象、增加胰島素敏感性等作用。體外細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PIP可以增加胰島素抵抗HepG2肝癌細(xì)胞、3T3-L1脂肪細(xì)胞以及C2C12小鼠成肌細(xì)胞的葡萄糖消耗量，改善肝臟、脂肪和肌肉組織中胰島素抵抗引起的糖代謝紊亂，并能增加p-AMPKα的蛋白表達(dá)。此外，黃連有效成分小檗堿(BBR)也具有相似作用。且PIP和BBR都是通過部分干預(yù)LKB1-AMPK-TORC2起到調(diào)節(jié)糖代謝的作用。

[1] Hu F B. Gloalization of diabetes: the role of diet, lifestyle, and gene[J]. Diabetes Care, 2011, 34(6): 1249-1257.

[2] Sun J J, Ling B X, Xu X Y, et al. Decreased Expression of Tumor. suppressor Gene LKB1 Correlates with Poor Prognosis in Human Gastric Cancer[J]. Anticancer Research, 2016(36): 869-876.

[3] Hemminki A, Tomlinson I, Markie D, et al. Localization of a susceptibility locus for Peutz-Jeghers syndrome to 19p using comparative genomic hybridization and targeted linkage analysis[J]. Nat Genet, 1997, 15(1): 87-90.

[4] Jenne D E, Reimann H, Nezu J I, et al. Peutz-Jeghers syndrome is caused by mutations in a novel serine threonine kinase[J]. Nat Genet, 1998, 18(1): 38-43.

[5] Aliessi D R, Sakamoto K, Bayascas J R. LKB1-dependent signaling pathways[J]. Annu Rev Biochem, 2006, 75: 137-163.

[6] Yamada E, Lee T A, Pessin J E, et al. Targeted therapies of the LKB1/AMPK pathway for the treatment of insulin resistance[J]. Future Med Chem, 2010, 2(12): 1785-1796

[7] Shen Y, Honma N, Kobayashi K, et al. Cinnamon Extract Enhances Glucose Uptake in 3T3-L1 Adipocytes and C2C12 Myocytes by Inducing LKB1-AMP Activated Protein Kinase Signaling[J]. Plos One, 2014, 9(2): 1-9

[8] Lee K Y, Lee D H, Choi H C, et al. Mesoglycan attenuates VSMC proliferation through activation of AMP-activatedprotein kinase and mTOR[J]. Clinical Hypertension, 2016, 22(2): 1-9.

[9] Lage R, Dieguez C, VidalPuig A, et al. AMPK: a metabolic gauge regulating whole-body energy homeostasis[J]. Cell, 2008, 14(12): 539-549.

[10] Viollet B, Guigas B, Leclerc J, et al. AMP-activated protein kinase in the regulation of hepatic energy metabolism: from physiology to therapeutic perspectives[J]. Acta Physiol, 2009, 196(1): 81-98.

[11] Kong C S, Kim J A, Kim S K, et al. Anti-obesity effect of sulfated glucosamine by AMPK signal pathway in 3T3-L1 adipocytes[J]. Food Chem Toxicol, 2009, 47(10): 2401-2406.

[12] Iourgenko V, Zhang W, Mickanin C, et al. Identification of a family of cAMP response element-binding protein coactivators by genome-scale functional analysis in mammalian cells[J]. PNAS, 2003, 100(21): 12147-12152.

[13] Lay JL, Tuteja G, White P, et al. CRTC2 (TORC2) Contributes to the Transcriptional Response to Fasting in the Liver but is Not Required for the Maintenance of Glucose Homeostasis[J]. Cell Metab, 2009, 10(1): 55-62.

[14] He L, Sabet A, Djedjos S, et al. Metformin and Insulin Suppress Hepatic Gluconeogenesis by Inhibiting cAMP Signaling Through Phosphorylation of CREB Binding Protein (CBP)[J]. Cell, 2009, 137(4): 635-646.

[15] Mair W, Morantte I, Rodrigues A P, et al. Lifespan extension induced by AMPK and calcineurin is mediated by CRTC1 and CREB[J]. Nature, 2011, 470(7334): 404-408.

[16] Wang B, Goode Jet, Best J, et al. The insulin-regulated CREB coactivator TORC promotes stress resistance in Drosophila[J]. Cell Metab, 2008, 7(5)434-444.

[17] Foretz M, Hebrard S, Leclerc J, et al. Metformin inhibits hepatic gluconeogenesis in mice independently of the LKB1/AMPK pathway via a decrease in hepatic energy state[J]. The Journal of Clinical Investigation, 2010, 120(7): 2355-2369.

[18] Miller RA, Chu QW, Le Lay J, et al. Adiponectin suppresses gluconeogenic gene expression in mouse hepatocytes independent of LKB1-AMPK signaling[J]. The Journal of Clinical, 2011, 121(6): 2518-2528.

[19] Hawley S A, Boudeau J, Reid J L, et al. Complexes between the LKB1 tumor suppressor, STRADα/β and MO25aα/β are upstream kinases in the AMP activated protein kinase cascade[J]. J Biol, 2003, 2(4): 28-34.

[20] Zhong D, Liu X. Schafer-Hales K, et al. 2-Deoxyglucose induces Akt phosphorylation via a mechanism independent of LKB1/AMPK signaling activation or glycolysis inhibition[J]. Molecular Cancer Therapeutics, 2008, 7(4): 809-817.

[21] Zhan Y Y, Chen Y, Zhang Q K, et al. The orphan nuclear receptor Nur77 regulates LKB1 localization and activates AMPK[J]. Nature Chemical Biology, 2012, 8(11): 897-904.

[22] Hardie D G, Sakamoto K. AMPK: a key sensor of fuel and energy status in skeletal muscle[J]. Physiology (Bethesda), 2006, 21(1): 48-60.

[23] Deidre J, Andy C N, Accalia F, et al. Glucose controls CREB activity in islet cells via regulated phosphorylation of TORC2[J]. PNAS, 2008, 105(29): 10161-10166.

[24] Shaw R J, Lamia K A. The kinase LKB1 mediates glucose homeostasis in liver and therapeutic effects of metformin[J]. Science, 2005, 310(5754): 1642-1646.

[25] Kim Y D, Park K G, Lee Y S, et al. Metformin inhibits hepatic gluconeogenesis through AMP-activated protein kinase-dependent regulation of the orphan nuclear receptor SHP[J]. Diabetes, 2008, 57(3): 6-12.

[26] Marry D, Chau L, Gao JP, et al. Fibroblast growth factor 21 regulates energy metabolism by activating the AMPK-SIRT1-PGC-1αpathwa[J]. PNAS, 2010, 107(28): 15553.

[27] Potthoff M J, Montoya J B, Choi M, et al. FGF15/19 Regulates Hepatic Glucose Metabolism By Inhibiting the CREB-PGC-1α Pathway[J]. Cell Metab, 2011, 13(6): 729-738.

[28] Jiang S J, Dong H, Li J B, et al. Berberine inhibits hepatic gluconeogenesis via the LKB1-AMPK-TORC2 signaling pathway in streptozotocin-induced diabetic rats[J]. World Journal of Gastroenterology, 2015, 21(25): 7777-7785.

[29] 宋娜麗, 萬春平, 照日格圖, 等. 胡椒堿對(duì)胰島素抵抗綜合征模型大鼠糖代謝的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國藥理學(xué)通報(bào), 2013, 29(10): 1436-1439.

[30] 匡霞, 陸付耳, 易屏, 等. 小檗堿對(duì)HePG2胰島素抵抗胞模型中LKB1-AMPK-TORC2信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的影響[J]. 中國中西醫(yī)結(jié)合消化雜志, 2015, 23(7): 467-471.

2016-12-20

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(No.81260671)

包·照日格圖, 博士, 教授, 碩士生導(dǎo)師。E-mail: rigdan@126.com

R 587.1

A

1672-2353(2017)09-231-04

10.7619/jcmp.201709079