AMPK在保护血管功能中研究进展*

张 洋，王 利，曹爱丽，陈骏良，彭 文，王 浩

AMPK是调节糖、脂肪和蛋白质代谢、维持细胞能量稳态的关键代谢调节酶[1]。一些研究表明在遗传性肥胖动物模型和人类血管疾病中均存在AMPK的调节异常[2]。虽然目前AMPK的调节异常与血管疾病之间的机制并不是非常清楚，但是AMPK已成为治疗血管相关疾病的重要靶点之一。因此笔者就AMPK在血管疾病中作用及机制的研究进展做一综述。

1 AMPK的结构

AMPK是异源三聚体的蛋白复合物，由具有催化作用的α亚基和具有调节作用的β和γ亚基组成。每个亚基有 2 到 3 种异构体（α1，α2，β1，β2，γ1，γ2，γ3）。AMPK的 α 亚基由一个 N端催化酶区域和一个C端调节区域组成[3]。N端是催化核心部位，N端Thr172位点的磷酸化被认为是AMPK激活的标志，这个位点的突变可以使AMPK激酶活性丧失[4]。α1亚基的C端由一个自抑制区域和与β和γ亚基相结合的区域组成[5]。β亚基由一个与α亚基联系的C端区域[6]和一个糖原结合的中心区域组成[7]。γ亚基由一个β亚基结合域和4个胱硫醚β-合成酶（CBS）串联重复序列组成的两个“贝特曼域”（bateman domain）组成[8]。在脂肪组织和内皮细胞中，最主要的催化亚基亚型是α1，α2催化亚基主要在骨骼肌和心肌中发现[9]。β1亚基广泛表达，β2亚基主要在骨骼肌和心脏表达。γ3亚基在糖酵解骨骼肌中出现特定的表达，而γ1和γ2则表现出广泛的组织分布特点[10]。

2 AMPK的激活

在动物实验中，AMPK的激活能够降低肥胖的风险和糖尿病相关的比如胰岛素抵抗，代谢综合征和动脉粥样硬化性心血管疾病发生率[11]。不同的实验方法显示血管内皮的AMPK可被不同的AMPK激酶激活，包括肝激酶B1（LKB1），激活钙调素依赖蛋白激酶的激酶（CaMKKβ）和转化生长因子β激酶（TAK1）[12]。一些学者提出Sirt1是AMPK的激动剂，同时也是在AMPK-Sirt1循环产生效果的媒介[2]。Sirt1是高度保守的NAD（+）依赖的脱乙酰酶，在代谢调节中非常重要。细胞内NAD（+）水平的改变反应了细胞能量状态，同时也调节Sirt1的激活来确保细胞能量需求[13]。剪切力诱导Sirt1表达和内皮细胞AMPK的激活和一氧化氮（NO）的有效性的提高，这表明这两种蛋白可能共同调节血管功能[14]。除此之外，有规律的运动能够改善NO生物利用度，氧化还原平衡以及血脂水平，从而产生保护血管功能，这效果部分是通过细胞内Sirt1和AMPK通路[15]。Chen X等[16]也发现长期运动的小鼠能够促进血管舒张和增加内皮型一氧化氮合酶（eNOS）的表达和磷酸化，并且伴随AMPKα2表达的增加，表明了AMPKα2在运动相关的保护血管中扮演了重要角色。通过热量限制来激活AMPK缓解了多种代谢和年龄相关的并发症，比如增加胰岛素敏感性来减轻葡萄糖调节损伤[17]。虽然生活方式的干涉应当是预防肥胖引发的心血管疾病的第一选择，但是同样也有许多激活AMPK的药物，比如AICAR，二甲双胍，噻唑烷二酮和他汀类[12]。

3 AMPK保护血管

3.1 AMPK与血管内皮 血管内皮通过合成和释放血管活性物质来调节血管的张力，引起血管收缩或者舒张。内皮源性NO是调节血管功能、刺激血管平滑肌舒张、白细胞黏附、血小板聚集、平滑肌细胞增殖和迁移相关的病理性血管重塑和动脉粥样硬化的关键分子[18]。在培养的内皮细胞中，AMPK通过Ser1177和Ser633位点激活eNOS磷酸化，因此增加NO的释放来引起血管舒张[19]。Fang Han等[20]在高脂饮食诱导的肥胖小鼠中，由肌细胞分泌的鸢尾素可以通过AMPK-eNOS通路来增加eNOS的表达，增加NO的产量，从而提高内皮功能，并且在人脐静脉内皮细胞（HUVECs）中也证实了这一现象，说明了eNOS是AMPK的一个靶点。Xing SS等[21]在研究红景天苷抗动脉粥样硬化作用时，发现了它是通过线粒体去极化和激活AMPK/PI3K/AKT/eNOS通路来发挥作用。AMPK还可以通过调节氧化过程中来发挥保护血管的作用。在内皮细胞中，有许多通过降低NADPH氧化酶和线粒体呼吸链活性来降低活性氧类来减少氧化应激的AMPK依赖型的机制[22]。HUM等[23]证实了在糖尿病小鼠和高糖刺激下的HUVECs中，白藜芦醇能够激活AMPK来抑制氧化应激从而阻止内皮功能障碍。另外AMPK也可以调节血管生成，二甲双胍可以激活AMPK/eNOS通路来改善内皮祖细胞的血管生成功能，从而保护血管[24]。所以可以通过AMPK的激活，不仅可以增加eNOS的磷酸化水平，还可以减少氧化应激和提高内皮祖细胞功能。

3.2 AMPK与血管平滑肌 许多报道已证实AMPK在平滑肌中调节血管张力的重要性以及AMPK功能异常可能会导致血管病变的发生，包括高血压，动脉粥样硬化和内皮功能障碍等[25]。AMPK抑制血管平滑肌细胞（VSMC）增殖是其发挥作用的一个重要方面。Song Y等[26]证实AMPK激活抑制了雷帕霉素靶蛋白（mTOR）活性从而抑制了肺动脉平滑肌细胞增殖，这在预防和治疗肺动脉高压存在潜在价值。除此以外，AMPK也可以通过减少TGF-β介导的增生来抑制VSMC增殖[27]。最近有文献报道通过脂联素激活AMPK减少了成骨细胞分化和血管平滑肌的钙化[28]。另外，用二甲双胍激活大鼠主动脉平滑肌AMPK后，通过AMPK-eNOS-NO通路可以防止血管钙化[29]。除此以外，AMPK可以直接作用在血管平滑肌引起血管舒张。Schneider H等[30]证实了AMPK可以通过激活内质网钙泵和大电导钙通道来舒张阻力血管。这代表了一个有效的舒张阻力血管的途径。因此AMPK的激活，不仅可以抑制VSMC的增殖和钙化，还可以直接舒张血管。所以AMPK的激活在血管平滑肌亦可以产生保护血管的作用。目前对血管平滑肌功能的研究明显少于内皮，随着以后更加深入的研究，可能为保护血管功能提供新的靶点。

4 AMPK与中医药

近几年来运用中医药在疾病的治疗和预防的研究上取得很多进展，在保护血管功能方面也有许多重要的研究成果。姜黄素是中药姜黄中的重要成分，用姜黄素干预高糖刺激的HUVECs后，发现它能显著降低高糖引起的血管内皮细胞活性氧水平以及增加内皮细胞eNOS的磷酸化。并且通过Western blotting结果表明，它能显著增加p-AMPK的表达。说明了姜黄素可以通过激活AMPK/eNOS通路来保护血管功能[31]。芍药醇是中药芍药的提取物，Choy KW等发现它可以通过AMPK/PPARδ通路改善衣霉素引起的小鼠主动脉和HUVECs内质网应激和氧化应激[32]。宋杰等[33]从黄芪中提取黄芪多糖，发现黄芪多糖能够通过AMPK-eNONs通路保护游离脂肪酸诱导的内皮细胞损伤。周慧等[34]使用黄连中主要有效成分的小檗碱来研究对人主动脉内皮细胞的保护作用。他们发现小檗碱可以通过AMPK/eNOS信号通路，改善油酸导致的人主动脉内皮细胞损伤。小檗碱还有抗炎作用，Liu SJ等发现小檗碱能够通过AMPK通路改善TNF-α引起的炎症反应，从而保护血管[35]。除了上文提到的白藜芦醇可以激活内皮细胞AMPK来保护内皮功能外，郜攀等[36]还发现白藜芦醇可以抑制血管紧张素Ⅱ引起的血管平滑肌细胞增殖，而且其机制与AMPK的通路激活有关。另外，Zhou DY等[37]用高糖孵育的HUVECs，通过加入白藜芦醇以及AMPK的抑制剂Compound C，发现白藜芦醇可以显著提高高糖孵育的细胞存活率和过氧化物歧化酶水平，这种有益的效果能被Compound C剥夺，证明了白藜芦醇可以通过AMPK来改善高糖刺激后的细胞状态。除了中药单体外，王县委等[38]研究发现黄连解毒汤可能通过AMPK对炎症损伤的内皮细胞起保护作用。任单单等[39]通过不同时期用抵挡汤干预，研究糖尿病大鼠血管内皮AMPK信号通路的变化，发现抵挡汤早期干预可以通过调节AMPK通路，加强血管内皮细胞线粒体的能量代谢，从而起到保护血管内皮的功能。

5 结语

综上所述，可以明显的看到AMPK相关通路在血管功能方面具有预防和保护作用。随着人们生活水平的提高，高血压、高血糖、高血脂以及肥胖等已经成为严重危害人类健康的危险因素。而且目前研究发现这些危险因素大多与血管功能的损伤密切相关。如果可以在早期通过干预AMPK相关通路，延缓血管损伤的进展，就可以有效的延缓疾病的发生发展。目前的研究已经为AMPK通路作为治疗疾病靶点的可能性提供了可行性，而且在中医药的宝库里还有许多药物的作用等待挖掘。虽然现在对AMPK的研究很多，但大部分都未涉及到药物作用的机制方面，如果能够更清楚的了解AMPK作用的机制，那对于以后的临床应用会有很大的意义。

参考文献：

[1]Hardie DG．AMPK:positive and negative regulation，and its role in whole-body energy homeostasis[J]．Curr Opin Cell Biol，2015，33:1-7．

[2]Ruderman NB，Carling D，Prentki M，et al．AMPK，insulin resistance，and the metabolic syndrome[J]．J Clin Invest，2013，123(7):2764-2772．

[3]Hawley SA，Davison M，Woods A，et al．Characterization of the AMP-activated protein kinase kinase from rat liver and identification of threonine 172 as the major site at which it phosphorylates AMP-activated protein kinase[J]．JBiol Chem，1996，271(44):27879-27887．

[4]Stein SC，Woods A，Jones NA，et al．The regulation of AMP-activated protein kinase by phosphorylation[J]．Biochem J，2000，345 Pt 3:437-443．

[5]Crute BE，Seefeld K，Gamble J，et al．Functional domains of the alpha1 catalytic subunit of the AMP-activated protein kinase[J]．J Biol Chem，1998，273(52):35347-35354．

[6]Wong KA，Lodish HF．A revised model for AMP-activated protein kinase structure:The alpha-subunit binds to both the beta-and gamma-subunits although there is no direct binding between the beta-and gamma-subunits[J]．JBiol Chem，2006，281(47):36434-36442．

[7]Polekhina G，Gupta A，Michell BJ，et al．AMPK betasubunit targets metabolic stresssensingtoglycogen[J]．Curr Biol，2003，13(10):867-871．

[8]Rana S，Blowers EC，Natarajan A．Small molecule adenosine 5'-monophosphate activated protein kinase (AMPK)modulators and human diseases[J]．JMed Chem，2015，58(1):2-29．

[9]Davis BJ，Xie Z，Viollet B，et al．Activation of the AMP-activated kinase by antidiabetes drug metformin stimulates nitric oxide synthesis in vivo by promoting the association of heat shock protein 90 and endothelial nitric oxide synthase[J]．Diabetes，2006，55(2):496-505．

[10]Cheung PC，Salt IP，Davies SP，et al．Characterizationof AMP-activated protein kinase gamma-subunit isoforms and their role in AMPbinding[J]．Biochem J，2000，346(3):659-669．

[11]Weikel KA，Ruderman NB，Cacicedo JM．Unraveling the actions of AMP-activated protein kinase in metabolic diseases:systemic to molecular insights[J]．Metabolism，2016，65(5):634-645．

[12]Ewart MA，Kennedy S．AMPK and vasculoprotection[J]．Pharmacol Ther，2011，131(2):242-253．

[13]Canto C，Auwerx J．Targeting sirtuin 1 to improve metabolism:all you need is NAD(+)?[J]．Pharmacol Rev，2012，64(1):166-187．

[14]Chen Z，Peng IC，Cui X，et al．Shear stress，SIRT1，and vascular homeostasis[J]．Proc Natl Acad Sci USA，2010，107(22):10268-10273．

[15]Gliemann L，Nyberg M，Hellsten Y．Effects of exercise training and resveratrol on vascular health in aging[J]．Free Radic Biol Med，2016，98:165-176．

[16]Chen X，An X，Chen D，et al．Chronic exercise training improved aortic endothelial and mitochondrial function via an AMPKalpha2-dependent manner[J]．Front Physiol，2016，7:631．

[17]Pires RC，Souza EE，Vanzela EC，et al．Short-term calorie restriction improves glucose homeostasis in old rats:involvement of AMPK[J]．Appl Physiol Nutr Metab，2014，39(8):895-901．

[18]Siragusa M，Fleming I．The eNOS signalosome and its link to endothelial dysfunction[J]．Pflugers Arch，2016，468(7):1125-1137．

[19]Chen Z，Peng IC，Sun W，et al．AMP-activated protein kinase functionally phosphorylates endothelial nitric oxide synthase Ser633[J]．Circ Res，2009，104(4):496-505．

[20]Han F，Zhang S，Hou N，et al．Irisin improvesendothelial function in obese mice through the AMPK-eNOS pathway[J]．Am J Physiol Heart Circ Physiol，2015，309(9):H1501-H1508．

[21]Xing SS，Yang XY，Zheng T，et al．Salidroside improves endothelial function and alleviatesatherosclerosisby activatingamitochondriarelated AMPK/PI3K/Akt/eNOSpathway[J]．Vascul Pharmacol，2015，72(611):141-152．

[22]Ouslimani N，Peynet J，Bonnefont-Rousselot D，et al．Metformin decreases intracellular productionof reactive oxygen species in aortic endothelial cells[J]．Metabolism，2005，54(6):829-834．

[23]Hu M，Liu B．Resveratrol via activation of LKB1-AMPK signaling suppresses oxidative stress to prevent endothelial dysfunction in diabetic mice[J]．Clin Exp Hypertens，2016，38(4):381-387．

[24]Yu JW，Deng YP，Han X，et al．Metformin improves the angiogenic functions of endothelial progenitor cells via activating AMPK/eNOS pathway in diabetic mice[J]．Cardiovasc Diabetol，2016，15(1):88．

[25]Zou MH，Wu Y．AMP-activated protein kinase activation as a strategy for protecting vascular endothelial function[J]．Clin Exp Pharmacol Physiol，2008，35(5/6):535-545．

[26]Song Y，Wu Y，Su X，et al．Activation of AMPK inhibits PDGF-induced pulmonary arterial smooth muscle cells proliferation and its potential mechanisms[J]．Pharmacol Res，2016(107):117-124．

[27]Stone JD，Holt AW，Vuncannon JR，et al．AMP-activated protein kinase inhibits transforming growth factor-beta-mediated vascular smooth muscle cell growth:implications for a Smad-3-dependent mechanism[J]．Am J Physiol Heart Circ Physiol，2015，309(8):H1251-H1259．

[28]Zhan JK，Wang YJ，Wang Y，et al．Adiponectin attenuates the osteoblastic differentiation of vascular smooth muscle cells through the AMPK/mTORpathway[J]．Exp Cell Res，2014，323(2):352-358．

[29]Cao X，Li H，Tao H，et al．Metformin inhibits vascular calcification in female rat aortic smooth muscle cells via the AMPK-eNOS-NO pathway[J]．Endocrinology，2013，154(10):3680-3689．

[30]Schneider H，Schubert KM，Blodow S，et al．AMPK dilates resistance arteries via Activation of SERCA and BKCa channels in smooth muscle[J]．Hypertension，2015，66(1):108-116．

[31]王沛坚，黄鸣清，蒲春华，等．姜黄素激活AMPK抑制高糖介导的氧化应激水平升高致血管内皮功能障碍[J]．现代生物医学进展，2015，15(7):1237-1240．

[32]Choy KW，Mustafa MR，Lau YS，et al．Paeonol protects against endoplasmic reticulum stress-induced endothelial dysfunction via AMPK/PPARdelta signaling pathway[J]．Biochem Pharmacol，2016(116):51-62．

[33]宋 杰，胡阳黔，刘 坚，等．黄芪多糖通过活化AMPK-eNOS信号通路减轻游离脂肪酸对人血管内皮细胞的损伤[J]．中国病理生理杂志，2015，31(7):1305-1308，1314．

[34]周 慧，侯文锋，王尧清，等．小檗碱活化AMPK-eNOS减轻油酸对人主动脉内皮细胞的损伤作用[J]．食品科学，2018，39(5):213-219．

[35]Liu SJ，Yin CX，Ding MC，et al．Berberine inhibits tumor necrosis factor-alpha-induced expression of inflammatory molecules and activation of nuclear factor-kappaB via the activation of AMPK in vascular endothelial cells[J]．Mol Med Rep，2015，12(4):5580-5586．

[36]郜 攀，司良毅，徐 强，等．白藜芦醇对血管紧张素Ⅱ诱导的血管平滑肌细胞增殖的抑制作用及其机制观察[J]．解放军医学杂志，2013，38(4):269-273．

[37]Zhou DY，Su Y，Gao P，et al．Resveratrol ameliorateshigh glucoseinduced oxidative stress injury in human umbilical vein endothelial cellsby activating AMPK[J]．Life Sci，2015(136):94-99．

[38]王县委，桑文凤，杨晓晓，等．黄连解毒汤对炎症损伤内皮细胞腺苷酸活化蛋白激酶及细胞间黏附分子-1的影响[J]．新乡医学院学报，2014，31(7):513-516．

[39]任单单，李 晶，常 柏，等．抵挡汤早期干预对糖尿病大鼠腺苷酸活化蛋白激酶信号通路的影响[J]．中国中医药信息杂志，2016，23(10):72-77．