AMPK在阿尔茨海默病发病中的作用

李尚霖 周新文 (华中科技大学同济医学院病理生理学系，湖北 武汉 430030)

阿尔茨海默病(AD)是发生在老年和老年前期、以进行性认知功能障碍和行为损害为特征的中枢神经系统退行性病变，是老年期痴呆的最常见类型，约占50%。据统计，65岁以上老年人约有5%患有AD。并且随着增龄，患病率增加。有关AD的确切病因，现有多种假说，主要是淀粉样蛋白-β(Aβ)和Tau蛋白假说。目前认为AD病理特征是大脑局部尤其是海马及大脑皮质区域神经元退行性病变，细胞老年斑(SP)和细胞内神经原纤维缠结(NFTs)形成。SP主要是由Aβ沉积形成而NFTs主要是微管相关蛋白tau的过度磷酸化导致〔1〕。腺苷酸活化蛋白激酶(AMPK)是调节细胞能量状态的重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在真核细胞中广泛存在，能够感知细胞能量代谢改变，调节能量代谢过程从而维持能量供求平衡。流行病学发现，许多能量代谢异常的危险因素均与AD相关。而作为调节能量代谢的酶AMPK可能在AD发病过程中起重要作用。

1 AMPK(AMP-activated protein kinase)结构与分布

AMPK由α、β、γ三个亚单位组成，每个亚单位还有不同异构体。α亚单位分为α1，α2，分子质量为63 kD，起催化作用;β亚单位分为 β1，β2，分子质量为38 kD;γ 亚单位分为 γ1，γ2和γ3。β，γ亚单位起调节作用，在维持AMPK异型三聚体稳定性和识别底物特异性方面起重要作用。各亚单位不同亚型在组织中分布不同。其中α2主要分布在成人脑和脊髓中，并且在皮质和海马神经元中也有较高表达水平〔2〕。AMPK活性主要受AMP浓度影响。AMP浓度增高可激活 AMPK活性〔3〕。其激活机制可能与其上游3种酶，钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶(CaMKKβ，Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase kinase-β)、肝激酶B1(LKB1)、转录生长因子β活化激酶1(TAK1，TGF-βactivated kinase-1)，这些酶可以将AMPK活性依赖的α亚单位172位的苏氨酸磷酸化，从而使其活性增高〔4～6〕。

2 AMPK在tau磷酸化中的作用

Tau蛋白是主要的微管相关蛋白，磷酸化tau结合到微管中微管蛋白上，从而维持神经元细胞骨架。其活性受多个位点的磷酸化调节。Tau过度磷酸化会导致tau积聚，形成NFTs，成为AD重要病理改变。近年来，一些研究发现，AMPK可以调节tau磷酸化。给予AMPK的一种激活物5-氨基咪唑-4-甲酰胺核糖核苷酸(AICAR)可以抑制tau磷酸化〔7〕。进一步研究揭示其机制tau磷酸化机制是AMPK可以使糖原合成激酶3β(GSK-3β)的丝氨酸9位点磷酸化而使其失活〔8〕，大量研究证实GSK-3β是导致 tau过度磷酸化的主要激酶之一〔9〕。由此可见，AMPK可以通过抑制GSK-3β活性而减少tau磷酸化。此外，一些研究表明，AMPK是沉默信息调节因子(SIRT1)激活酶。AMPK激活后可能通过提高 NAD+、NAD/NADH比值或NAD+生物合成酶烟酰胺磷酸核糖转移酶(Nicotinamide phosphoribosyltransferase，Nampt)活性来激活 SIRT1〔10，11〕。在 AD 病人脑中，SIRT1水平显著下降，并且伴随着 NFTs积聚及认知障碍〔12〕。而 SIRT1具有去乙酰化酶作用。Min等〔13〕报道，SIRT1可以减少tau蛋白乙酰化并且阻止磷酸化tau蛋白积聚。而tau蛋白乙酰化又与其磷酸化密切相关。tau蛋白乙酰化可以抑制其降解，易于形成tau病(tauopathy)，与AD病理改变有关。他们还发现，在AD病人脑中tau蛋白乙酰化水平明显升高，并且乙酰化可以促进tau过度磷酸化并形成NFTs。因此，AMPK激活SIRT1，从而增强其去乙酰化能力，使tau蛋白乙酰化水平降低，间接降低tau磷酸化。此外，SIRT1激活也可能通过激活LKB1进而激活AMPK〔14〕。因此，这种抑制tau磷酸化的过程可能在不断被强化。综上，AMPK可以通过SIRT1和GSK-3β来调控tau磷酸化。但一些研究发现AMPK可促进tau蛋白磷酸化，如Thornton等〔15〕报道AMPK在体外可以直接诱导tau蛋白多个位点上磷酸化，并且导致tau与微管解离和tau蛋白聚集。体外用Aβ1～42处理小鼠皮质神经元可以导致tau过度磷酸化，CAMKKβ激活AMPK可能参与了tau蛋白磷酸化。Vingtdeux等〔16〕发现AD病人脑中存在p-AMPK(活性形式)的非正常积聚，伴随着p-AMPK从细胞核向胞质中移位，而且与tau磷酸化呈正相关，提示AMPK可能参与tau磷酸化。由此可见，AMPK可能通过调控tau蛋白磷酸化，参与AD发生和发展，但其在tau蛋白磷酸化和AD发生中的作用及其机制有待进一步阐明。

3 AMPK在Aβ沉积中的作用

Aβ是由39～43个氨基酸组成的肽，是形成AD病人脑中特征性病理改变SP的主要成分。Aβ由淀粉样前体蛋白(APP)经β-和γ-分泌酶分解产生。APP代谢可以通过两条途径进行。一条为经过α-分泌酶剪切的非淀粉样蛋白途径，生成对神经元有保护作用的αAPP，另一条为经过β-/γ-分泌酶剪切的Aβ途径，产生有神经毒性的Aβ。而在AD发病过程中，后者占主要地位。

大量研究显示，AMPK激活可以减少神经元内Aβ产生。这种作用可以通过多种机制介导。在体外培养的脑皮质神经元中，通过AICAR激活的AMPK可以降低APPβ分泌酶表达水平，进而减少Aβ产生。同时，在AMPKα敲除的小鼠神经元中，Aβ产量显著升高〔17〕。此外，槲皮素(quercetin)可以降低β位 APP 裂解酶(β-site APP cleaving enzyme，BACE1)表达，减少Aβ产生及其在脑内沉积。而槲皮素可以抑制AMPK的主要磷酸酶 PP2Cα，从而激活 AMPKα 1/α2〔18〕。这提示，AMPK 激活可以通过减低BACE1表达而减少Aβ。Vingtdeux等〔19〕也发现白藜芦醇(resveratrol)可以通过激活 CaMKKβ来活化AMPKα1/α2，进而抑制Aβ产生。同时，白藜芦醇还可以刺激细胞自吞噬作用(autophagocytosis)，降低细胞内Aβ水平。

4 AMPK在AD能量代谢障碍中的作用

AD病人普遍存在能量代谢异常。AD病人往往伴随着脂代谢紊乱，表现为胆固醇水平升高、低密度脂蛋白水平上升及高密度脂蛋白水平下降。一些研究还发现，参与胆固醇和低密度脂蛋白转运的相关酶和蛋白与AD发生关系密切〔20〕。同时，用正电子发射断层扫描(PET)研究AD病人，发现AD病人脑内糖代谢率显著下降，并且下降程度与患者认知能力损害程度呈正相关〔21〕。大量资料显示，2型糖尿病患者AD发病风险明显增加。糖尿病特征性改变是血液中葡萄糖、胰岛素含量增高而相应器官的胰岛素受体敏感性降低而产生胰岛素抵抗现象。这会导致细胞对葡萄糖的摄取、利用降低，能量生成障碍〔22〕。而AMPK活性主要受AMP/ATP比值的调控，AMPK活性增强会促进葡萄糖转运体表达并向细胞表面转运。AMPK激活可以增加GLUT3表达而促进神经元摄取葡萄糖〔23〕。这说明机体通过激活AMPK这一途径来代偿大脑能量缺乏。但是很多研究显示，机体对AMPK的反应取决于AMPK激活的程度和时间。Dagon等〔24〕比较轻度和重度能量限制对神经元功能的影响时发现，重度饮食限制能够强烈激活AMPK，致使儿茶酚胺(catecholamine)水平上升，导致神经元凋亡和认知损害。也有学者〔25〕认为，暂时地适当强度地激活AMPK起到神经元保护作用，但是长期、强烈刺激对神经元是有害的。随着增龄，AMPK激活相应降低。这与很多老龄化相关的疾病如AD、能量代谢损伤等相关联。

代谢障碍通常与AD发病相关联。作为体内调节能量代谢的重要激酶AMPK在AD发病过程中起重要作用。AMPK激活可以抑制tau磷酸化及Aβ产生，从而阻止AD的两个主要病理生理过程，对神经元有保护作用。综上，AMPK在AD发生发展中扮演一个重要角色，其作用和机制目前还存在争议。

1 Querfurth HW，LaFerla FM.Alzheimer's disease〔J〕.N Engl J Med，2010;362(4):329-44.

2 Turnley AM，Stapleton D，Mann RJ，et al.Cellular distribution and developmental expression of AMP-activated protein kinase isoforms in mouse central nervous system〔J〕.Neurochemistry，1999;72(4):1707-16.

3 Steinberg GR，Kemp BE.AMPK in health and disease〔J〕.Physiol Rev，2009;89(3):1025-78.

4 Woods A，Dickerson K，Heath R，et al.Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase-β acts upstream of AMP-activated protein kinase in mammalian cells〔J〕.Cell Metab，2005;2(1):21-33.

5 Jansen M，Ten Klooster JP，Offerhaus GJ，et al.LKB1 and AMPK family signaling:the intimate link between cell polarity and energy metabolism〔J〕.Physiol Rev，2009;89(3):777-98.

6 Xie M，Zhang D，Dyck JR，et al.A pivotal role for endogenous TGF-betaactivated kinase-1 in the LKB1/AMP-activated protein kinase energysensor pathway〔J〕.Proc Natl Acad USA，2006;103(46):17378-83.

7 Greco SJ，Sarkar S，Johnston JM，et al.Leptin regulates tau phosphorylation and amyloid through AMPK in neuronal cells〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2009;380(1):98-104.

8 Greco SJ，Sarkar S，Casadesus G，et al.Leptin inhibits glycogen synthase kinase-3beta to prevent tau phosphorylation in neuronal cells〔J〕.Neurosci Lett，2009;455(3):191-4.

9 Liu F，Li B，Tung EJ，et al.Site-specific effects of tau phosphorylation on its microtubule assembly activity and self-aggregation〔J〕.Eur J Neurosci，2007;26(12):3429-36.

10 Canto C，Gerhart-Hines Z，Feige JN，et al.AMPK regulates energy expenditure by modulating NAD+metabolism and SIRT1 activity〔J〕.Nature，2009;458(7241):1056-60.

11 Fulco M，Cen Y，Zhao P，et al.Glucose restriction inhibits skeletal myoblast differentiation by activating SIRT1 through AMPK-mediated regulation of Nampt〔J〕.Dev Cell，2008;14(5):661-73.

12 Julien C，Tremblay C，Emond V，et al.Sirtuin 1 reduction parallels the accumulation of tau in Alzheimer disease〔J〕.J Neuropathol Exp Neurol，2009;68(1):48-58.

13 Min SW，Cho SH，Zhou Y，et al.Acetylation of tau inhibits its degradation and contributes to tauopathy〔J〕.Neuron，2010;67(6):953-66.

14 Hou X，Xu S，Maitland-Toolan KA，et al.SIRT1 regulates hepatocyte lipid metabolism through activating AMP-activated protein kinase〔J〕.J Biol Chem，2008;283(29):20015-26.

15 Thornton C，Bright N，Sastre M，et al.AMP-activated protein kinase(AMPK)is a tau kinase，activated in response to amyloid β-peptide exposure〔J〕.Biochem J，2011;434(3):503-12.

16 Vingtdeux V，Davies P，Dickson DW，et al.AMPK is abnormally activated in tangle-and pre-tangle-bearing neurons in Alzheimer's disease and other tauopathies〔J〕.Acta Neuropathol，2011;121(3):337-49.

17 Won JS，Im YB，Kim J，et al.Involvement of AMP-activated-protein-kinase(AMPK)in neuronal amyloidogenesis〔J〕.Biochem Biophys Res Commun，2010;399(4):487-91.

18 Lu J，Wu DM，Zheng YL，et al.Quercetin activates AMP-activated protein kinase by reducing PP2C expression protecting old mouse brain against high cholesterol-induced neurotoxicity〔J〕.J Pathol，2010;222(2):199-212.

19 Vingtdeux V，Giliberto L，Zhao H，et al.AMP-activated protein kinase signaling activation by resveratrol modulates amyloid-β peptide metabolism〔J〕.J Biol Chem，2010;285(12):9100-13.

20 Martins IJ，Berger T，Sharman MJ，et al.Cholesterol metabolism and transport in the pathogenesis of Alzheimer's disease〔J〕.J Neurochem，2009;111(6):1275-308.

21 Mosconi L，Pupi A，De leon MJ.Brain glucose hypometabolism and oxidative stress in preclinical Alzheimer's disease〔J〕.Ann NY Acad Sci，2008;1147:180-95.

22 Hann MN.Therapy insight:type 2 diabetes mellitus and the risk of late-onset Alzheimer's disease〔J〕.Nat Clin Pract Neurol，2006;2(3):159-66.

23 Weisova P，Concannon CG，Devocelle M，et al.Regulation of glucose transporter 3 surface expression by the AMP-activated protein kinase mediates tolerance to glutamate excitation in neurons〔J〕.J Neurosci，2009;29(9):2997-3008.

24 Dagon Y，Avraham Y，Magen I，et al.Nutritional status，cognition，and survival.A new role for leptin and AMP kinase〔J〕.J Biol Chem，2005;280(51):42142-8.

25 Li J，McCullough LD.Effects of AMP-activated protein kinase in cerebral ischemia〔J〕.J Cereb Blood Flow Metab，2010;30(3):480-92.