AMPK信号通路在糖尿病心肌病中的研究进展

张景怡，鲍翠玉，李 晶

(糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北科技学院医药研究院，湖北 咸宁 437100)

AMPK信号通路在糖尿病心肌病中的研究进展

张景怡，鲍翠玉，李 晶

(糖尿病心脑血管病变湖北省重点实验室，湖北科技学院医药研究院，湖北 咸宁 437100)

AMP依赖的蛋白激酶(AMPK)是调节生物能量恒定性的重要传感分子，能激活上游激酶LKB1、CaMKKβ和Tak1等。AMP/ATP比值可调节AMPK的活性，从而控制能量代谢的分解与合成通路，骨骼肌收缩与心肌缺血时能够激活AMPK，调节脂肪细胞的代谢和血管功能，促进葡萄糖转运和脂肪酸氧化。排除动脉粥样硬化、高血压及其他潜在病因，由糖尿病引发的心肌结构与功能异常的一种独立的原发病，称之为糖尿病心肌病，可引起患者死亡。由于血糖水平、脂肪酸氧化和糖原代谢受AMPK的调节，因此，在DCM形成过程中AMPK起着至关重要的作用。该文综述了AMPK信号通路在糖尿病心肌病发生、发展过程中的作用。

AMPK; 能量代谢; 心肌缺血; 葡萄糖; 脂肪酸; 糖尿病性心肌病

糖尿病是在全世界有较大影响的慢性疾病，其并发症也威胁到越来越多人的健康。与糖尿病相关的代谢环境有如高血糖症，可增加循环脂肪酸和甘油三酯水平，出现心肌细胞糖脂代谢异常、脂质堆积；如高胰岛素血症，可增强炎性细胞因子表达，改变多个心肌细胞内的分子通路，损害心脏的收缩性，促使心肌细胞功能障碍，引起细胞死亡[1]。其中，舒张功能不全被描述为早期在糖尿病心肌病(diabetic cardiomyopathy, DCM)中心肌功能的改变，收缩功能障碍主要在疾病后期出现；产生过多的活性氧(reactive oxygen species, ROS)无法有效去除所致的氧化应激反应，致使细胞出现炎症反应、凋亡、纤维化损伤等。就目前来看，DCM专用药极少，因此，对新的治疗DCM的作用靶点——AMP激活的蛋白激酶(adenosine 5′-monophosphate-activated protein kinase，AMPK)通路的更深层次的研究，可促进系统综合、安全高效的DCM治疗药物研发。氧自由基的增加通常是DCM发生的常见原因，当ROS达到一定量时就可激活AMPK信号通路，提高下游的丝氨酸磷酸化水平，抑制胰岛素的正常信号通路[2]，从而发生胰岛素抵抗(insulin resistance, IR)。心肌细胞在IR状况下，可导致产能和储存环节障碍，所以AMPK信号通路在DCM的发生、发展过程中起着重要的作用，对其通路在体内的传导和调控进行有目的地干预，可以为临床上治疗DCM开辟新的路径，并为进一步科学研究提供依据。

1 AMPK的构造特性

AMPK是调控新陈代谢的一种蛋白质，已经成为治疗与糖尿病相关心血管疾病的战略靶点，其也可能成为临床保护紫绀先心病患者心肌的新思路。AMPK是以α、β、γ三亚基的形式存在，Sestrin1与Thr 172相互作用直接激活AMPK，这种交互作用在心肌细胞已被证实，当AMPK被激活时，可保护心血管系统功能。AMPK-α1主要分布在肾脏、心脏、肝脏、肺部和脑；AMPK-α2大部分分布在心脏、肝脏、骨骼肌和脑部神经丛中。AMPK-β1主要存在于肝脏中，而AMPK-β2主要分布于骨骼肌和心肌中，β亚基主要与糖原合成酶结合，参与糖原对AMPK的调节。γ亚基活性主要受AMPK连接AMP的影响，AMPK-γ1、γ2在肝肾、心肺、骨骼肌和胰腺中均有分布，AMPK-γ3仅在骨骼肌中分布，与细胞中葡萄糖的摄取和线粒体的功能有关，AMPK-γ3是否能成为2型糖尿病治疗的组织特异性靶点，目前还没有明确的研究结果。

2 AMPK与其相应靶分子

2.1肝激酶B1肝激酶 B1(liver kinase B1, LKB1)被认为能在体内多种细胞内磷酸化和活化AMPK，是AMPK的上游激酶之一，在组织中p-LKB1的表达与AMPK活性呈正相关。因此，为了进一步研究活化AMPK在DCM中的作用机制，我们可通过对LKB1的蛋白表达及其磷酸化水平来说明。抵抗素是一种脂肪因子分泌的肽激素，越来越多的证据表明，抵抗素会诱发心脏肥大。然而，在很大程度上，由抵抗素引起的心脏肥大的潜在机制仍然未知。但抵抗素治疗可提升心肌细胞脑钠素(brain natriuretic factor，BNF)和β-主要组织相容性复合体(β-major histocompatibility complex，β-MHC)mRNA表达，增加细胞表面积和蛋白质合成，阻止LKB1和AMPK磷酸化水平。这些结果表明，抵抗素通过失活LKB1/AMPK信号通路，诱发心脏肥大[3]。所以预防抵抗素并提高心肌组织中LKB1表达，可能治疗心脏肥大。

2.2过氧化物酶体增殖物活化受体协同刺激因子1α过氧化物酶体增殖活化受体γ辅助活化因子1α (α subunit of peroxisome proliferators-activated receptor-γ coactivator-1，PGC-1α)是AMPK的下游靶分子，也是核-线粒体调控的关键因子，在心脏中的含量较高。PGC-1α可通过多种途径间接调节糖脂代谢通路，减少氧化应激等。动物实验研究显示，PGC-1α在肥胖大鼠心肌中的表达明显低于正常组，而加强运动可以明显增加大鼠LKB1及PGC-1α的表达，这可能与AMPK的活性调节相关。值得注意的是，增加AMPK目的基因GLUT4的表达完全依赖于PGC-1α。糖尿病的心脏损伤时，炎性反应和慢性氧化应激会引起细胞凋亡，AMPK的下游靶分子PGC-1α控制了ROS形成，对维持生存有重要意义。可见，AMPK可以影响PGC-1α的表达，但是AMPK并不是PGC-1α表达的唯一调控因子。目前可能调控PGC-1α的表达因子有待进一步研究。

2.3磷酸果糖激酶2磷酸果糖激酶2(6-phosphofructo-2 kinase，PFK-2)是AMPK下游靶分子，是一个双功能酶。在细胞中，磷酸果糖激酶活性与其变构调节物ATP呈负相关，而AMPK又受AMP/ATP调节。有研究指出，PFK-2在心肌组织中可被AMPK磷酸化并激活其活性，而PFK-2在高脂肥胖大鼠的心肌组织中的磷酸化水平降低，并且PFK-2磷酸化的降低很可能是源于AMPK活性的降低[4]。因此，AMPK介导的PFK-2活性的下调可能参与抑制了实验大鼠心肌组织糖酵解。

3 线性B螺旋表面肽

线性B螺旋表面肽(helix B surface peptide, HBSP)是一个来源于红细胞生成素(erythropoietin，EPO)领域的β-螺旋束表面疏水段。研究表明，HBSP通过AMPK介导的自噬可明显改善DCM小鼠心脏功能，减弱心肌间质纤维化，抑制心肌细胞凋亡，改善线粒体超微结构[5]，增加 p-AMPK(Thr 172)的水平。所以，其可能是一个干预治疗DCM的潜在因素。

4 激活AMPK信号对DCM的影响

4.1调节高血糖葡萄糖是机体能量代谢的组成部分，当细胞内糖代谢异常时，会导致机体内各脏器的功能障碍。高血糖是DCM发生发展的重要因素，可使正常心肌细胞出现变性、肥大、坏死等。腺苷二磷酸聚合酶通过拦截GAPDH和诱导核糖对蛋白质修饰，使葡萄糖发生糖原分解级联反应，参与高糖诱导的细胞损害[6]。人Ras相关蛋白Rab-10(Ras-related protein Rab-10，RAB10)是由胰岛素刺激的调节器，调节脂肪细胞中胰岛素刺激的葡萄糖载体GLUT4向质膜转运，然后吸收葡萄糖[7]。GLUT4在体内与葡萄糖分子的亲和力差异有显著性，AMPK增加GLUT4的转位而增强肌肉对胰岛素的反应。此外，AMPK活化对肝脏中有关糖异生的因子表达起抑制作用，使肝糖原输出减少。AMPK可能通过调控细胞存活、代谢及血糖代谢相关的PI3K信号通路，活化GLUT4，进而促进葡萄糖的转运。

4.2调节高血脂，防治脂毒性在临床上，对高脂血症和高胰岛素血症的预防和治疗可在很大程度上降低DCM对患者的干扰。高血脂引起心肌功能障碍的机制目前尚未清楚，但潜在机制已被证实，如长链脂肪酸可改变血浆中的磷脂成分和线粒体膜结构，进而改变心肌细胞结构。高胰岛素血症与高血脂密切相关，高胰岛素血症时，胰岛素介导的脂肪酸进入心肌细胞增多，葡萄糖利用度降低，脂肪酸的氧化成为心肌细胞能量代谢的主要来源，当细胞氧化达到一定量后，就会产生脂毒性。脂联素是一种脂肪细胞衍生的血管活性肽，其在血浆中的浓度较高，具有抗炎、保护心肌内皮细胞的作用[8]，与胰岛素抵抗、高血脂等关系密切。与其他脂肪因子不同的是，脂联素已被证明是代谢综合征和心血管疾病的治疗靶点[9]。最近，许多报道表明，胰高血糖素样肽-1(glucagon-like peptide 1，GLP-1)受体激动剂和对心血管功能具有保护作用的二肽基肽酶Ⅳ(dipeptidyl peptidase 4，DPP-4)抑制剂可促进脂联素的分泌，并激活Adipo R1/2受体与其相互作用的蛋白质APPL1，通过AMPK介导的信号通路能够使脂肪酸合成的调节重点酶乙酰辅酶A羧化酶(acetyl CoA carboxylase，ACC)磷酸化，从而失去活性，有助于游离脂肪酸(free fatty acid，FFA)氧化并减少其进入肝脏、限制胆固醇和脂质生成、减轻胰岛素抵抗、改善糖原代谢，使肝脏中糖的产生降低、极低密度脂蛋白合成减少，抑制核转录因子κB(nuclear factor kappa B，NF-κB)，从而达到保护心肌细胞的目的。当AMPK信号受阻，也会致脂联素受限。所以，激活脂联素相关蛋白和发挥AMPK信号作用是防治脂毒性和治疗DCM的关键。

4.3改善心脏功能，调节新陈代谢DCM患者可有心脏缺血、缺氧，早期可出现心脏肥大、心肌肥厚等症状[10]。激活AMPK不仅可以调节糖脂代谢，也可在一定程度上抑制血管紧张素Ⅱ诱导的细胞外信号调节蛋白激酶(ERK1/2)的激活，从而改善心肌细胞纤维化引起的心脏肥大，保护心肌损伤。通过AMPK来调节的Omi/HtrA2丝氨酸蛋白酶特异性抑制剂在改善心肌收缩、舒张功能异常方面也起重要作用。

4.4抑制蛋白质合成胞质内的雷帕霉素靶蛋白(mammalian target of rapamycin，mTOR)是调控单链核糖核酸信使RNA翻译的启动因子，可调节蛋白质的合成，参与细胞的增殖过程。蛋白质合成需消耗大量能量，AMPK可能通过调节mTOR通路，抑制蛋白质合成。

4.5减轻炎症反应糖尿病患者中，死于心血管疾病的占多数，因此，控制炎症反应是其有效防治中的关键。炎症信号通路因子NF-κB参与了疾病的发展。我们通过免疫组织化学检测了APPL1、p-AMPK/T-AMPK、PPARα，发现当NF-κB在2型糖尿病大鼠模型中有较高表达时，APPL1、p-AMPK/T-AMPK、PPARα表达较低。因此，激活AMPK相关因子，可减轻在脂质和多糖复合物介导下的NF-κB活化所引起的炎症反应。

4.6其他蛋白激酶-C(protein kinase C，PKC)是依赖磷脂和钙的丝氨酸/苏氨酸激酶家族酶，通过参与磷酸肌醇信号通路，调节多种细胞进程[11]，可调控基因的表达，还可调节细胞周期并增加白细胞的黏附作用。其中，传统型PKC亚型β1与糖尿病血管功能障碍水平相关联，高血糖和高游离脂肪酸都可以使二酰甘油的产生增多，激活PKC下的氧化应激。此外，肿瘤坏死因子-α、胰岛素样生长因子、瘦素、自噬、激活肾素-血管紧张素系统等可能和AMPK相互作用，参与了DCM发病机制过程。

5 AMPK信号通路相关的DCM代表性治疗药物

5.1二甲双胍降糖药有助于机体对糖的代谢吸收，二甲双胍常用于2型糖尿病，能够改善IR并减少肝糖输出，有利于控制机体血糖。同时，也能增加H9c2细胞活力，降低细胞内ROS水平，和吡格列酮有协同作用[12]，能更好地改善2型糖尿病患者的胰岛素敏感性[13]，和西他列汀合用效果明显。研究表明，二甲双胍的作用归因于AMPK[14]，其诱导激活AMPK和下游PPARα，保护H9c2细胞免受氧化应激[15]。其激活AMPK，还可调节血管周围脂肪组织(perivascular adipose tissue，PVAT)活性，从而有助于心血管代谢疾病[16]。二甲双胍并不是直接活化AMPK，而是通过抑制线粒体呼吸链的合成，从而升高AMP/ATP比值，限制脂肪酸氧化和氧化应激来保护细胞。因此，早期使用能够降低血糖，同时改善氧化应激水平的药物，对于减少心肌细胞凋亡、改善心室重构及心功能不全具有十分重要的意义[17]。

5.2AMPK直接激动剂A-769662与AMP异曲同工，别构调节激活AMPK，并抑制Thr-172在AMPK α亚基的脱磷酸化，且不与AMPK亚单位的任何位点相互作用[18]。动物实验研究显示，A-769662能够调节脂肪酸的合成和利用，降低血糖水平，但其口服生物利用度并不理想。最近，研发的可调节胰岛素和糖酯代谢水平的关于Ⅱ型糖尿病的小分子AMPK直接激动剂CNX-012-570，进入临床前研究阶段[19]。

6 展望

综上所述，由于AMPK在DCM发病的多个环节中的重要调控作用，其功能远远超出了它的能量传感器和调节功能，使其在临床各个学科中都受到了高度关注，尤其在DCM中的重要性更是不言而喻。AMPK的激活不但可以改善糖尿病的心肌损伤，减少脂肪酸的合成，增加葡萄糖的摄入与代谢，减少肝脏葡萄糖的产生，还可调节线粒体功能和细胞增殖。体外实验及临床证据已经证明AMPK在DCM中可以作为治疗靶点，这就需要在阐明疾病分子病理学的基础上，开发出能够在靶组织中激活或抑制AMPK活性的高选择性、高特异性药物应用于临床，最终实现基础研究向临床治疗的转化。

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ResearchprogressofAMPKpathwayindiabeticcardiomyopathy

ZHANG Jing-yi, BAO Cui-yu, LI Jing

(HubeiProvinceKeyLabonCardiovascular,CerebrovascularandMetabolicDisorders,MedicineResearchInstitute,HubeiUniversityofScienceandTechnology,XianningHubei437100,China)

AMP-activated protein kinase (AMPK) is one of the most important sensor molecules which regulates biological energy homeostasis, activating the upstream kinase LKB1 and CaMKK beta and Tak1 and so on. AMP/ATP ratio can modulate AMPK activity, controlling the decomposition and synthesis pathway of energy metabolism, activating AMPK during skeletal muscle contraction and myocardial ischemia, adjusting metabolism of fat cells and blood vessel function, promoting glucose transport and fatty acid oxidation. With atherosclerosis, hypertension and other potential causes ruled out, diabetic cardiomyopathy (DCM) is an independent primary disease resulted from abnormal structure and function of myocardium induced by diabetes, and DCM even brings about death in patients. Due to its regulation of blood sugar levels, fatty acid oxidation and glycogen metabolism, AMPK may play a vital role in the process of DCM. Based on literature review, this paper summarizes the role of AMPK pathway in the process of DCM.

AMPK; energy metabolism; myocardial ischemia; glucose; fatty acids; diabetic cardiomyopathy

国家自然科学基金资助项目(No 51703055)；湖北省自然科学基金资助项目(No 2017CFB699,2015CFC773)；湖北省教育厅科学研究计划项目(No B201696)；湖北科技学院糖尿病专项基金项目(No 2016-18XZ09，14ZX-02)

A

1001-1978(2017)11-1496-04

R-05；R345.57 R542.2；R587.2

时间：2017-10-10 10:05 网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/34.1086.R.20171010.1005.010.html

2017-07-19,

2017-08-20

张景怡(1991-)，女，硕士生，研究方向：心血管药理学，E-mail：15997946131@163.com； 李 晶(1979-)，女，博士，副教授，研究方向：糖尿病心脑血管病变，通讯作者，E-mail：lijing790629@163.com

10.3969/j.issn.1001-1978.2017.11.005