LKB1-AMPK-TORC2代谢通路干预糖尿病研究进展

杨 瑞, 李晓雪, 王垣苹, 包·照日格图

(云南中医学院 中药学院, 云南 昆明, 650500)



综 述

LKB1-AMPK-TORC2代谢通路干预糖尿病研究进展

杨 瑞, 李晓雪, 王垣苹, 包·照日格图

(云南中医学院 中药学院, 云南 昆明, 650500)

肝脏激酶B1; AMP活化蛋白激酶; 环磷酸腺苷反应元件结合蛋白辅激活物2; 二型糖尿病; 糖异生

糖尿病(DM)是一种慢性内分泌代谢紊乱疾病，以葡萄糖和脂类代谢异常为特征。随着现代人生活方式及饮食结构的改变，糖尿病呈现全球化、年轻化的趋势。统计[1]表明，全球糖尿病患者已超过3亿，90%以上为2型糖尿病，预测到2030年，患病人数将超过4亿。肝糖输出增多是造成糖尿病患者空腹血糖升高的主要因素，且肝糖输出主要依赖于肝糖异生。肝脏激酶B1(LKB1)是机体能量不足状态下调节AMP活化蛋白激酶(AMPK)的主要酶体，可在胞浆内活化AMPK调节下游糖异生关键分子环磷酸腺苷反应元件结合蛋白(CREB)辅激活物2(TORC2)的活性，进而调控糖异生相关酶PEPCK、G6P等的表达。可见，LKB1-AMPK-TORC2是调节肝脏糖异生的重要通路。其中，TORC2更是作为糖异生的“分子开关”可有效减少肝糖异生改善糖尿病。

1 LKB1-AMPK-TORC2通路中的关键酶和因子

1.1 LKB1的发现与糖代谢的调节

LKB1又称作STK11, 是一种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。最初被认为是黑斑息肉综合征的一个肿瘤突变抑制蛋白，控制细胞极性、癌变及代谢等不同细胞内程序[2-4]。现将LKB1定义为人体的一个抑癌基因，编码蛋白由433个氨基酸组成，以LKB1/STRADα/MO25α三聚体发挥调节活性[5], 其胞质定位是LKB1发挥激酶活性磷酸化AMPK的先决条件，通过乙酰化定位于细胞核，去乙酰化输出至胞浆。游离的LKB1分布于细胞核内，当LKB1与STRADα和MO25α蛋白形成复合物后促进其转位到胞浆内。LKB1的复合物是AMPK的上游激酶，胞浆内的复合物可活化AMPK从而调节糖脂代谢。实验[6-7]证明，删除成年大鼠肝脏LKB1, 导致丧失几乎全部的AMPK活性，从而增加肝糖异生引发高血糖。促进LKB1/STRADα/MO25α复合物的形成显示磷酸化Thr172而激活AMPK。因此，LKB1被认为是能量缺失状态下调节AMPK活性的主要酶体。

1.2 AMPK是调节糖代谢的关键靶点

AMPK是一种进化上保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，被称为真核细胞的“能量传感器”。是由α、β、γ 三个亚单位组成的三聚体蛋白激酶复合物。催化亚基α含有激酶的活性功能域及调节功能域，β亚基为连接α与γ亚基的桥梁，γ亚基的C末端有4个CBS功能域，主要用于结合AMP及ATP, 以调节AMPK的活性[8-9]。糖尿病患者体内AMPK活性低于正常人, AMPK可感受细胞中AMP/ATP浓度，被上游多种激酶激活，肝脏中的AMPK调节能量状态，同时在能量缺乏条件下保护肝细胞避免缺糖损伤[10]。另有研究[11]发现通过上调AMPK可抑制脂肪细胞分化和糖异生。AMPK作为一个全方位调控糖脂代谢的关键枢纽，是治疗糖尿病的研究中的主要靶点。

1.3 TORC2调节糖异生

TORC又称CRTC, 是一个调节cAMP 反应元件结合蛋白(CREB)转录因子活性的真核蛋白家族，于2003年首次发现[12]。结构特征是高度保守的卷曲-螺旋结构域，哺乳动物中主要以TORC1、TORC2、TORC3三种亚型存在。其中TORC2主要分布于肝脏中，调节不同营养状态下糖脂代谢，是驱动CREB靶基因表达最重要的调节器[13]。进食及活化AMPK时促使TORC2磷酸化抑制TORC2转位至细胞核，阻止其与CREB结合，从而抑制糖异生。空腹状态下TORC2可通过去磷酸化方式进入细胞核结合到CREB碱性亮氨酸拉链结构域(bZIP区域)增加CRE依赖的转录，这种CREB在Ser133位磷酸化是募集CBP到CREB的重要方式，通过形成CREB-CBP-TORC2复合体促进下游PEPCK、G6P、PGC-1α基因的表达增加糖生成[14-18]。增加TORC2磷酸化使之滞留在细胞质中可减少肝脏糖异生，从而降低糖尿病患者的空腹血糖。

2 LKB1-AMPK-TORC2对糖代谢的调节特点

2.1 LKB1是AMPK重要的上游激酶

研究[19-21]表明，HeLa细胞表达AMPK但不表达LKB1，常用的活化AMPK的方法不能激活HeLa细胞中的AMPK，究其原因就是缺乏LKB1。将野生型的LKB1基因导入HeLa细胞中表达，发现AMPK可以被相应的活化剂活化，由此证明LKB1可以激活AMPK。Zhan等发现，在细胞核内，隔离孤核受体Nur77结合LKB1发现减弱AMPK活性。此外，应用AMPK激动剂, 2-脱氧葡萄糖(2-DG)，处理LKB1野生型非小细胞肺癌细胞系H1299和H1792后，观察到p-AMPKα-Thr172升高，而在LKB1基因突变细胞系A549、H460中, p-AMPKα-Thr172无改变。表明LKB1是AMPK重要的上游激酶。

AMPK对细胞内AMP/ATP比值变化相当敏感，在各种应激状态(缺氧、缺乏营养物质、运动等)下[22], ATP被消耗。AMP结合到AMPKγ的CBS区域，加强LKB1/STRAD/MO25复合物对完整AMPK三聚体的磷酸化。通过LKB1变构机制磷酸化AMPKα亚单位Thr172残基从而活化AMPK，通过下调合成代谢过程 (如蛋白质、脂肪酸和胆固醇的合成)减低ATP的消耗，同时促进催化氧化过程(如脂肪酸氧化、糖酵解等)以生成更多的ATP，缓解应激，维持机体的正常代谢。

此外，CaMkk家族可通过Thr173直接磷酸化AMPKα亚基呈现高效激活AMPK, 但CaMkk在周围组织表达很少，主要在大脑、胸腺、T淋巴细胞中表达，不能调节糖代谢。而LKB1则在胰岛素敏感组织及特定的肌肉组织中均有表达，是调节糖代谢的关键因子，是能量缺失状态下调节AMPK活性的重要酶体。当LKB1-AMPK信号通路被激活可促进脂肪细胞和肌管细胞对葡萄糖的摄取，增加胰岛素敏感性，从而降低血糖。

2.2 LKB1-AMPK负向调控TORC2的功能

在空腹、饥饿等应激条件下LKB1调节AMPK负向调控TORC2的转录效应。TORC2是一种SIKS和AMPK的底物，通过磷酸化Ser171实现负调节。磷酸化Ser171形成14-3-3蛋白结合点标记核定位信号，可促使细胞质积累TORC2。当受到细胞外信号刺激时，可引起Ca2+和cAMP浓度升高, TORC2从14-3-3蛋白解离再次转位到细胞核。胰高血糖素或cAMP的升高，促使14-3-3蛋白从TORC2的Ser275解离, TORC2转移入细胞核，募集、结合并激活CREB及其他转录因子诱导相关糖异生相关酶编码基因的表达。此外, TORC2不仅可与CREB结合还可与SIK2结合。TORC2与SIK2结合是胰岛素介导的，后者通过磷酸化蛋白激酶B(AKT)激活SIK2, 促使TORC2的Ser171磷酸化并向胞浆转移，导致TORC2不能在细胞核内继续结合转录因子CREB, 从而抑制下游基因的表达[23]。

研究[24]还发现，激活的AMPK通过在Ser171磷酸化TORC2, 阻滞后者向核内转移定位，从而阻断下游信号通路的活性转导，抑制肝脏葡萄糖的生成，促进肌肉对葡萄糖的摄取并增强肝脏的胰岛素敏感性。Miller等[18]发现，在原代肝细胞中LKB1-AMPK-TORC2信号通路是脂联素调节糖生成的必需通路。

3 以LKB1-AMPK-TORC2通路为治疗糖尿病作用靶点的药物

肝脏是糖异生的主要器官，当胰岛素抑制肝脏葡萄糖异生的能力下降，会使肝脏葡萄糖输出增加，产生高血糖和糖不耐受的现象。目前临床上治疗糖尿病的药物中，通过调控糖异生改善糖代谢紊乱，是其重要作用靶点之一。

3.1 二甲双胍

二甲双胍是二型糖尿病患者首选的降糖药物, 1950年用于临床。近年的研究显示，其降糖作用机制部分是通过激活LKB1-AMPK通路。主要通过磷酸化AMPK, 在Ser436磷酸化CBP, 分解CREB-CBP-TORC2复合体，使之不能与PEPCK、G6P基因的启动子结合而抑制二者的基因转录[24]。二甲双胍还通过SHP干预HNF4和FoxO，阻止它们与糖异生关键酶PEPCK和G6P基因启动子上的结合位点结合，抑制二者转录减少糖异生[25]。

3.2 成纤维细胞生长因子21(FGF21)

研究表明，成纤维细胞生长因子21主要由肝脏分泌，具有类胰岛素样作用，可降低机体血糖血脂、改善胰岛素抵抗、保护胰岛β细胞等，现已作为治疗糖尿病的生物药物进入临床。FGF21与靶细胞FGFR受体结合和β-Klotho形成受体复合物，通过磷酸化激活FGFRs, 调节下游基因的表达从而调控肝细胞内的糖脂代谢。在禁食条件下FGF21是关键的生理调节因子，在肝脏中FG21通过激活LKB1和AMPK促进PGC-1α的表达增强线粒体氧化功能，从而调节糖脂代谢。此外，与FGF21同一亚族的FGF19也发现具有类胰岛素样作用，进食后由小肠释放，通过去磷酸化使CREB失活从而减少肝脏代谢中PGC-1α等基因的表达从而抑制糖异生[26-27]。

3.3 中药提取物

中药治疗疾病具有多靶点、少副作用的特点，寻找中药有效成分治疗糖尿病有利于发挥祖国医药的优势，并拓宽新药研究的方向。本课题组前期研究[28-30]发现，中药荜茇的醇提物胡椒碱(PIP)具有降低IR模型大鼠FBS水平、血清FFA、血压升高、TG、TC、改善糖耐量异常现象、增加胰岛素敏感性等作用。体外细胞实验发现PIP可以增加胰岛素抵抗HepG2肝癌细胞、3T3-L1脂肪细胞以及C2C12小鼠成肌细胞的葡萄糖消耗量，改善肝脏、脂肪和肌肉组织中胰岛素抵抗引起的糖代谢紊乱，并能增加p-AMPKα的蛋白表达。此外，黄连有效成分小檗碱(BBR)也具有相似作用。且PIP和BBR都是通过部分干预LKB1-AMPK-TORC2起到调节糖代谢的作用。

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2016-12-20

国家自然科学基金资助项目(No.81260671)

包·照日格图, 博士, 教授, 硕士生导师。E-mail: rigdan@126.com

R 587.1

A

1672-2353(2017)09-231-04

10.7619/jcmp.201709079