蔗糖非发酵1相关激酶在能量代谢及炎症中的作用及机制研究进展*

蔡劲薇，李 杰，邝 建

［1广西医科大学第一附属医院内分泌科，广西南宁530021；2广东省人民医院（广东省医学科学院）国际健康研究中心，广东广州510199；3广东省人民医院（广东省医学科学院）广东省老年医学研究所内分泌科，广东广州510080；4南方医科大学第二临床医学院，广东广州510515］

随着分子克隆技术的诞生和许多致癌基因编码蛋白激酶的发现，目前人类激酶组已鉴定出538种蛋白激酶［1］，约占人类所有基因的2%［2］。蛋白激酶及其同源磷酸酶通过催化可逆的蛋白磷酸化在信号转导中起着重要作用。通过改变底物活性，蛋白激酶控制着许多细胞过程，包括代谢、转录、细胞周期/增殖、细胞骨架重排及细胞迁移、凋亡和分化。常见特定氨基酸残基丝氨酸（serine，Ser）、苏氨酸（threonine，Thr）、酪氨酸（tyrosine，Tyr）、组氨酸（histidine，His）和天冬氨酸（aspartate，Asp）上的磷酸化可以直接诱导活性部位构象变化或间接调节蛋白间相互作用而调控目标蛋白活性［3］。

蔗糖非发酵1相关激酶（sucrose non-fermentation 1-related kinase，SNRK）是一种Ser/Thr蛋白激酶，广泛存在于动植物中，包括SNRK1、SNRK2和SNRK3亚家族。SNRK1与酵母和哺乳动物同源，具有高度保守的末端催化结构域，在调节碳代谢和能量状态方面起着重要作用。SNRK2和SNRK3亚家族是植物特有的，比SNRK1亚家族更为多样［4］。

在哺乳动物中，SNRK是1996年从大鼠脂肪细胞cDNA文库中克隆出来的，是蔗糖非发酵1/AMP活化蛋白激酶（sucrose non-fermentation 1/AMP-activated protein kinase，SNF1/AMPK）家族的一个重要成员。SNRK通过含有谷胱甘肽S-转移酶的重组融合蛋白催化了组蛋白的自磷酸化和磷酸化，在小鼠3T3-L1细胞分化为脂肪细胞样表型中特异性表达［5］。SNRK参与调控了包括哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）、核因子κB（nuclear factor-κB，NF-κB）和Rho相关激酶（Rho-associated kinase，ROCK）在内的多种蛋白质和信号通路［6-8］，并参与了多种细胞代谢和疾病过程，包括脂肪和心肌细胞炎症及代谢［6-7，9-11］、心脏线粒体效率稳态［12］、小脑颗粒神经元凋亡［13］、肾小球内皮细胞炎症及纤维化［8］、癌细胞增殖［14-16］、促血管生成［17-18］，是新兴研究领域。本文就SNRK的生物化学结构及其对能量代谢和炎症的调控作用相关研究进展进行综述。

1 SNRK的生物化学结构及关联激酶

1.1 SNRK的结构人SNRK基因在第3号染色体3p21区域跨越39.8 kb，由6个外显子和5个内含子［19］，746个氨基酸组成，分子量为81.627 kD［13］。SNRK激酶结构域（kinase domain，KD）-泛素相关结构域（ubiquitin-associated domain，UBA domain）包括KD（第24～270位氨基酸）和UBA结构域（第292～344位氨基酸），通过一个柔性连接体（第271～291位氨基酸）连接。UBA结构域由3个α螺旋（α1～α3）组成，并在KD的N和C叶之间的界面上折叠；KD显示典型的双叶激酶折叠，包括一个小N叶和一个大C叶。KD的N叶由β片（β2～β5）和突出的αC螺旋组成；KD的C叶主要是α螺旋结构，包含催化环（包含HRD基序）和活化段（包含DFG和APE基序）。UBA结构域可能通过限制αC螺旋和活化段的构象来抑制激酶活性。野生型SNRK KD-UBA很容易被磷酸化，而活化段中Thr173的突变则消除了磷酸化，证实了SNRK可以被肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）磷酸化，是AMPK家族的真正成员［20］。

1.2 LKB1、AMPK与SNRK家族人类LKB1又称Ser/Thr激酶11（Ser/Thr kinase 11，STK11），其基因位于染色体19p13.3上，由10个外显子组成，全长23 kb。LKB1基因编码约50 kD的Ser/Thr激酶，首次在Peutz-Jeghers综合征（Peutz-Jeghers syndrome，PJS）中检测到突变。PJS是一种罕见的遗传性疾病，特征是黏膜皮肤色素沉着、胃肠道错构瘤性息肉病以及肿瘤的风险增加。LKB1在不同的细胞类型中可以形成不同的蛋白复合物，具有不同的细胞定位，其下游通路包括SNRK、AMPK、微管亲和力调节激酶（microtubule affinity-regulating kinase，MARK）、盐诱导激酶（salt-inducible kinase，SIK）、NUAK家族SNF1样激酶1（NUAK family SNF1-like kinase 1，NUAK1）和脑特异性激酶（brain-specific kinase，BRSK）等信号转导途径。LKB1在不同的条件下可以磷酸化、预酸化和泛素化。大多数AMPK相关激酶包括SNRK在催化结构域的C端有一个UBA结构域，是LKB1介导的磷酸化和激活其激酶活性所必需的［21］。研究显示SNRK是LKB1的新底物，LKB1通过磷酸化T环残基（Thr173）激活SNRK，暴露于LKB1/STE20相关衔接蛋白（STE20-related adaptor protein，STRAD）/小鼠蛋白25（mouse protein 25，MO25）异三聚体复合物和镁-ATP条件下可诱导时间依赖性SNRK的5倍激活。含 有LKB1、STRADα（或STRADβ）及MO25α（或MO25β）的异三聚体复合物对SNRK的显著活化是必要的，其中LKB1/STRADα/MO25α异三聚体复合物能最有效地激活SNRK［22］。

AMPK是一种高度保守的Ser/Thr蛋白激酶，是细胞和全身能量稳态的关键调节因子，其底物多种多样，具有广泛的作用［23］。AMPK通过感知AMP∶ATP和ADP∶ATP比值的增加来响应能量应激而激活［24］。AMPK通过α亚单位KD促进段内Thr172磷酸化而激活，Thr172磷酸化可使AMPK活性增加2～3个数量级［25］。哺乳动物的AMPK上游激酶有LKB1、钙离子/钙调素依赖性蛋白激酶β［24-25］，其中LKB1是经典的AMPK上游激酶，它同时也是SNRK的上游激酶。特征性AMPK相关激酶（AMPK-related kinases，AMPKRKs）包括AMPKα1/2亚单位和其他12种相关激酶［3，23］。除母体胚胎亮氨酸拉链激酶（maternal embryonic leucine-zipper kinase，MELK）激酶T环残基的自磷酸化外，13种AMPK-RKs均能被LKB1与STRAD和MO25复合物磷酸化T环Thr残基而激活，使AMPKRKs活性增加450倍［21-23］。AMPK-RKs激活后参与调节细胞极性、细胞迁移、细胞周期和细胞代谢［23］。

SNRK家族包括在人类激酶组树上与AMPK同一分支的8种激酶。它们在T环序列中具有相同的保守苏氨酸残基，与其他AMPK-RKs的整体序列一致性较低。根据磷酸化激活方式的调控，8种激酶中只有SNRK才被认为是真正的AMPK相关激酶［23］。

2 SNRK与糖、脂代谢及能量代谢

维持细胞能量储备及代谢稳态至关重要，AMPK是调控细胞能量需求的关键传感器。AMPK家族的新成员SNRK也在包括脂肪和心脏在内的多种组织的能量代谢中发挥了重要作用。

2.1 SNRK与糖代谢慢性高血糖是糖尿病（diabetes mellitus，DM）常见的病理表现。临床上常见的2型DM发病机制为胰岛素受体缺陷，受胰岛素分泌影响的器官包括肌肉（葡萄糖摄取和储存增多）、肝脏（葡萄糖生成减少）、脂肪细胞（脂肪生成增加）。SNRK与糖代谢的关联最初是通过SNRK对脂肪细胞的作用研究而观察到的。

SNRK在人类和小鼠白色脂肪组织（white adipose tissue，WAT）及小鼠棕色脂肪组织（brown adipose tissue，BAT）中广泛表达，其表达由胰岛素诱导［6］。当SNRK表达下降时，炎症通路激活导致脂解增加，胰岛素信号传导受损，并减少胰岛素刺激的葡萄糖摄取。脂肪细胞中SNRK基因敲除对糖代谢产生以下影响：（1）胰岛素反应性葡萄糖转运蛋白4和胰岛素增敏因子脂联素的mRNA表达水平显著降低；（2）胰岛素刺激Ser473位点上的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶（protein kinase B，PKB/AKT）磷酸化和葡萄糖摄取显著降低；（3）极长链酰基辅酶A脱氢酶和中链酰基辅酶A脱氢酶的表达水平显著降低，提示脂肪酸氧化受损，游离脂肪酸（free fatty acid，FFA）增多；（4）降低了包括线粒体磷酸烯醇丙酮酸羧化激酶、线粒体丙酮酸羧化酶、含patatin样磷脂酶结构域的蛋白质2、ATP柠檬酸裂解酶、氧甾醇结合蛋白和氧固醇结合蛋白相关蛋白11在内的参与糖脂代谢的蛋白激酶磷酸化［6］，影响其活性。SNRK通过蛋白磷酸酶2调节亚单位B′delta磷酸化控制胰岛素信号传导，进而影响WAT和BAT中的蛋白磷酸酶2A活性和AKT磷酸化，调控葡萄糖摄取及胰岛素抵抗（insulin resistant，IR）［26］。

此外，磷酸化蛋白质组学分析显示，脂肪细胞中SNRK基因敲除可显著降低49种蛋白质的磷酸化水平25%或以上，提高43种蛋白质磷酸化水平1倍或以上。部分磷酸化水平升高的蛋白参与了炎症途径，并引起mTOR信号传导障碍［6］。SNRK敲除导致脂肪细胞中mTOR信号通路减弱，mTOR信号通路障碍很可能是SNRK表达减少引起的效应的部分原因。mTOR在关联营养感应和肥胖方面的作用是复杂的。在脂肪细胞中，雷帕霉素对mTORC1信号（该靶点可被支链氨基酸及胰岛素和葡萄糖通过细胞ATP的有效性激活）［27］的急性抑制会增加胰岛素刺激的葡萄糖摄取，但慢性抑制时则通过减少AKT2活化而损害胰岛素刺激的葡萄糖摄取［28］。上述研究均证实SNRK激活胰岛素刺激脂肪细胞AKT磷酸化和葡萄糖摄取，影响糖代谢稳态。

2.2 SNRK与脂肪代谢、肥胖肥胖是IR和脂肪代谢紊乱的主要危险因素和诱因。肥胖与脂肪组织和脂肪细胞的异常堆积和形态改变密切相关。脂肪的主要功能是FFA的储存和释放［29］。脂肪组织包含大脂肪细胞和小脂肪细胞，脂肪细胞的特性广泛用于研究细胞大小与各种疾病情况之间的关系［30］，如炎症、IR和DM。WAT中包含充满单个大脂滴的大脂肪细胞，具有储能作用，过量可导致肥胖。相比之下，BAT中的脂肪细胞较小，细胞中含有多个能产热的小脂滴。BAT通过利用葡萄糖和脂类产热，减少它们在循环中的过度沉积。BAT产热过程受交感神经支配，且与解偶联蛋白1（uncoupling protein-1，UCP-1）的表达有关，可以预防肥胖性疾病和代谢异常。此外，BAT还能释放多种棕色脂肪细胞因子，调节机体多种代谢过程，具有良好的抗肥胖作用［31］。

在肥胖的人体和小鼠模型，脂肪细胞中SNRK表达水平均降低［6，9］。在小鼠模型中，脂肪细胞特异性SNRK敲除可引起WAT炎症、肝脏和肌肉异位脂肪沉积及BAT的适应性产热障碍，引起能量消耗减少、体重增加、IR、线粒体形态破坏及密度降低［9］，FFA释放和炎症因子生成增多［6］，进一步诱导了IR、高血糖和肥胖的发生。

与野生型小鼠相比，SNRK基因杂合缺失小鼠的脂肪生成转录因子过氧化物酶体增殖物激活受体γ（peroxisome proliferator-activated receptorγ，PPARγ）、重组人CCAAT增强子结合蛋白α和胰岛素增敏性脂肪因子（瘦素和脂联素）的表达均显著降低。脂肪细胞中，SNRK敲除显著降低了产热标志性蛋白UCP-1、PR结构域16和PPARγ辅激活因子1α的表达（约减少60%）［9］。综上所述，SNRK是抑制WAT炎症、促进BAT产热的一个重要因素，是肥胖及其并发症的新潜在治疗靶点。

2.3 SNRK与心脏能量代谢心肌细胞（cardiomyocytes，CMs）是心脏产生ATP的能量库，心脏工作强烈依赖ATP的能量供给。在正常代谢条件下，哺乳动物心脏产生的ATP，95%以上来自线粒体中的氧化磷酸化，剩下的来自糖酵解和三羧酸（tricarboxylic acid，TCA）循环［32］。FFA是静息状态下心肌氧化代谢的主要能量来源，并提供60%～90%的ATP用于心脏收缩［33］，ATP供能异常可迅速诱发收缩功能障碍。脂肪酸氧化（fatty acid oxidation，FAO）代替胎儿期的葡萄糖在出生后直至成人的成熟过程中成为了心脏的主要能量底物［10］。由系统性高血压、局部缺血和梗死引起的心脏肥大被证实与能量底物的代谢转换有关，表现为FAO减少，葡萄糖代谢增加［33］。

SNRK在成人组织［6］和细胞中表达，包括多种心脏细胞类型如冠状动脉内皮细胞（endothelial cells，ECs）、血管平滑肌细胞、心内膜细胞和CMs。SNRK在血管平滑肌细胞、ECs和CMs的细胞核和细胞质中均有定位，并广泛表达于包括外胚层、内胚层和中胚层的各种组织中［10］。在SNRK全基因敲除的E17.5期和P0期小鼠中可观察到心脏增大并导致新生小鼠死亡，E17.5期心脏的微阵列分析显示系统代谢失调；SNRK全基因敲除的E17.5期小鼠心脏中也出现糖原及脂质沉积减少，循环血浆脂质水平降低。因此，SNRK全基因敲除可以导致心脏组织能量代谢障碍和心脏发育缺陷［10］。

磷酸化AMPK/磷酸化乙酰辅酶A羧化酶（acetyl-CoA carboxylase，ACC）是新生儿和成人心脏代谢相关的关键信号传导途径之一。AMPK通过在S79残基磷酸化ACC1以及在S212残基磷酸化ACC2来降低FAO。ACC从乙酰辅酶A（FAO途径的副产物）生成丙二酰辅酶A（malonyl-CoA）。ACC被磷酸化后其活性受到抑制，阻止malonyl-CoA，解除对肉碱棕榈酰转移酶（carnitine palmitoyl transferase，CPT）的抑制，允许酰基辅酶A进入线粒体进行β氧化和TCA循环以分别生成乙酰辅酶A和ATP［22］。p-ACC是新生儿心肌细胞FAO的常见标志，在SNRK基因敲除的CMs中p-ACC和p-AMPKα的比率显著降低，提示malonyl-CoA积累，CPT被抑制，导致β氧化或FAO障碍。因此，SNRK通过p-AMPK/p-ACC途径促进了新生儿P0期心脏中的FAO［10］。此外，CMs特异性Cre重组酶小鼠系MYH6CRE-Snrk-LoxP/LoxP中舒张末期和收缩末期容积显著增加，提示不良心肌重构；左心室收缩功能射血分数和短轴缩短分数也有显著降低，表明SNRK对正常成人心脏功能至关重要［10］。

此外，CMs中的SNRK基因敲除会降低线粒体效率，通过敲除UCP3基因可恢复效率。SNRK基因敲除小鼠心脏的葡萄糖、棕榈酸酯氧化和UCP3增加。心脏中SNRK的另一种底物Tribbles同源物3（AKT信号上游的一种胰岛素抑制分子）［34］协调糖脂代谢、IR、炎症和肿瘤发生等重要代谢过程［35］，可以与SNRK结合，并通过PPARα下调UCP3［12］。在心肌病患者中，SNRK增加可缩小缺血再灌注后的梗死面积，并以UCP3依赖方式减少心肌细胞死亡。上述研究均证实了SNRK可减少心脏代谢底物和线粒体解偶联，提高线粒体效率，并对缺血再灌注心肌起保护作用［12］。

与动脉粥样硬化、高血压、慢性心衰和心肌纤维化等心血管疾病有关的ROCK信号通路［36-38］也与SNRK密切相关。ROCK可能是CMs中的SNRK底物，ROCK抑制剂Fasudil可以减轻CMs特异性SNRK敲除心脏的功能缺陷［7］。总之，心肌细胞SNRK是改善心脏功能代谢及治疗疾病的新靶点，是心脏组织中的代谢传感器，维持心脏能量代谢和功能稳态。

3 SNRK与炎症

长期炎症反应会激活纤维化，引起胶原结缔组织在器官中的过度和异常积聚，损害功能，甚至会导致器官衰竭［39］。越来越多的新证据表明，SNRK通过抑制NF-κB信号介导的炎症通路来控制脂肪组织、肾小球内皮细胞、心肌细胞炎症和纤维化［6，8，11］。

3.1 SNRK与脂肪细胞炎症脂肪功能失调尤其是全身慢性脂肪炎症是代谢紊乱的主要促进因素，如肥胖、2型DM和心血管疾病。研究显示，脂肪细胞特异性SNRK表达通过c-Jun氨基末端激酶和核因子κB抑制蛋白激酶β信号途径抑制WAT炎症反应［6］。肥胖引起的脂肪炎症和/或脂毒性可使SNRK表达下降，促进WAT及循环中的炎性因子表达上调［9］。SNRK基因敲除的脂肪细胞中炎症增加的另一个潜在机制是自噬障碍。SNRK定位于脂肪细胞中的溶酶体，溶酶体是通过自噬作用降解细胞内大型细胞器或蛋白质聚集体的重要场所，自噬已被证明在抑制脂肪细胞炎症中发挥作用［6］。

3.2 SNRK与肾小球内皮细胞炎症在肾脏系统中，肾小球ECs中的SNRK直接与血管紧张素II（angiotensin II，Ang II）介导的NF-κB p65亚基结合，抑制炎症信号传导。研究证实，Ang II可以增加循环miR-103a-3p水平（一种非编码小RNA），降低肾小球ECs中的SNRK，诱导NF-κB/p65过度激活，从而导致肾脏炎症和纤维化。miR-103a-3p/SNRK/NF-κB p65是Ang II诱导的肾脏炎症和纤维化的调节轴。SNRK抑制诱导的NF-κB活化在肾损伤中起着关键的作用［8］。

3.3 SNRK与心肌细胞炎症在心脏炎症及纤维化的机制研究中，Ang II可通过NF-κB作用激活心脏的促炎症环境［40］，而心脏炎症通常与胶原沉积导致的心肌纤维化有关［41］。Ang II诱导心肌细胞SNRK特异性敲除小鼠心脏中促炎细胞因子白细胞介素6和肿瘤坏死因子α水平升高，巨噬细胞浸润增多，大量胶原沉积，加剧了心脏重构及纤维化。研究显示，CMs中的SNRK通过抑制NF-κB信号以及抑制Ang II对pAKT介导的CMs炎症来调控心脏炎症，NF-κB信号在Ang II相关的心脏重构中减弱，揭示了Ang II/SNRK/NF-κB通路在心肌细胞炎症中的作用。CMs中的SNRK阻止炎症向纤维化的发展，保护心脏免受Ang II诱导的心脏重构及炎症的影响，对心脏功能至关重要。

ECs及其主要产物一氧化氮和前列环素在调节血管稳态中起着关键作用。DM是心血管疾病的重要危险因素，慢性高血糖引起的内皮功能障碍是糖尿病血管并发症发生的关键和始动因素。长时间暴露于高葡萄糖水平会持续使内皮和血管平滑肌细胞的纤维化和炎症基因失调［42］。糖尿病微血管病变如心肌病变内皮功能障碍的主要特征是一氧化氮释放减少、氧化应激增加、炎症因子产生增加、血管生成异常和内皮修复受损［43］。值得注意的是，当在心脏ECs中特异性敲除SNRK时，虽然NF-κB p65、促炎细胞因子信号及胶原沉积增加，但并没有发展到纤维化，可能是CMs中的SNRK补偿了ECs中的SNRK功能缺失，提示在心肌细胞重塑中CMs和ECs之间存在串扰信号［11］。

4 结语

SNRK在人类多种组织和细胞中广泛表达。生物学证据表明，SNRK在各种组织中的细胞信号传导中发挥关键作用，尤其在脂肪细胞代谢、棕色脂肪产热及心脏ATP供能过程中，同时通过抑制NF-κB介导的炎症信号，减少靶器官炎症及纤维化，是慢性代谢障碍性疾病治疗的潜在靶点。

蛋白激酶是第二大靶向药物靶点，仅次于G蛋白偶联受体。使用磷酸化读数明确的先进高通量细胞筛选方法可以促进蛋白激酶的靶向治疗［44］。作为AMPK家族的新成员，SNRK的更多生物学功能和靶点组织，在上下游信号传导、直接或间接磷酸化蛋白质以促进或抑制其靶活性/信号途径中的作用仍需要更多的循证医学证据支持。