激活AMPK/SIRT1/PGC-1α信号通路调控线粒体能量代谢在肌萎缩性侧索硬化症治疗中的潜力

黄春辉，张在军

(暨南大学新药研究所，广东 广州 510632)

肌萎缩侧索硬化症(amyotrophic lateral sclerosis，ALS)是一种进行性的罕见神经退行性疾病。其特征是由脑和脊髓中运动神经元的退化引起的肌肉无力，以及迅速进行性瘫痪和呼吸衰竭造成而的死亡。约10%的ALS属于家族性ALS，与其相关的主要基因有：超氧化物歧化酶1(Cu-Zn superoxide dismutase，SOD1)、编码TDP-43的TAR DNA结合蛋白43(transactive response DNA binding protein 43 kDa，TARDBP)、编码肉瘤融合蛋白的FUS以及最近发现的C9ORF72内含子重复扩增。其余90%病因不明的病例被认为是散发性的。患者症状出现后的中位生存期为3～5年，且无有效的治疗方法可用于治疗或治愈ALS[1]。目前，仅有两种FDA批准的药物可用于ALS患者，这两种药物疗效受限，长期应用都具有副作用。因此，需要进一步了解导致运动神经元变性和ALS的分子和细胞机制，以加速ALS的药物发现。

ALS可用药物甚少，其发病机制复杂，包括氧化应激，神经炎症，线粒体功能障碍等[2]。能量代谢失调是ALS的一致特征，包括体重减轻，代谢亢进和高脂血症，这在ALS患者和啮齿动物模型中均得到了研究的支持[3]。这些异常大多与生存期有关，现有的临床证据支持能量代谢不良对整个致病过程的负面影响。同时对ALS动物模型的研究结果支持这种观点，并提供了对潜在机制的认识。因此，这些结果提示对ALS患者能量代谢缺陷的治疗具有临床意义，为将来的治疗干预铺平了道路。

磷酸腺苷激活的蛋白激酶(adenosine phosphate-activated protein kinase，AMPK)和沉默信息调节因子2相关酶1(sirtuin 1，SIRT1)在能量代谢和线粒体功能方面的功能相互补充，它们既相互调节又共享许多共同的靶分子[4]。AMPK和SIRT1在细胞水平感受能量代谢状态，并在调节机体能量稳态和自噬方面起重要作用。AMPK是维持细胞能量稳态的主要能量传感器。越来越多的证据表明，AMPK作为细胞对能量应激和线粒体损伤反应的中心介质，对线粒体生物学和体内稳态的各个方面有着特殊的调节作用，包括通过刺激线粒体生物发生来控制线粒体数量，调节细胞中线粒体网络的形状，以及通过调节自噬和有丝分裂来控制线粒体质量。AMPK在ALS中的作用备受关注，因为有研究表明，在几种遗传ALS模型中AMPK活性的降低是有益的[5-6]。然而，在另外的模型中，抑制AMPK的活性反而会产生不利作用[5]。因此，AMPK信号通路对ALS调节的潜在机制需要深入探索，也值得探索。SIRT1作为NAD+依赖的类组蛋白脱乙酰基酶，参与调控能量代谢、线粒体生物合成与维持线粒体正常功能。研究表明，AMPK激活SIRT1，使下游的参与能量代谢的基因过氧化物酶体增殖物激活受体γ辅活化因子1α(peroxlsome proliferator-activated receptor coactivator-1α,PGC-1α)等去乙酰化激活，从而提高线粒体生物合成水平，合理地解释了AMPK/SIRT1协同参与能量代谢调节的机制[7]。

显然，能量代谢缺陷和线粒体异常在ALS中的作用已经不可忽视，而AMPK/SIRT1/PGC-1α途径在机体能量稳态和自噬方面具有光明前景。那么，通过直接或间接调控AMPK/SIRT1/PGC-1α通路来保护运动神经元和干预ALS病程将是ALS治疗策略的另一蹊径。

1 能量代谢缺陷和线粒体异常对ALS的影响

1.1 SOD1相关的能量代谢缺陷和线粒体异常众多临床证据显示，能量代谢缺陷对整个ALS致病过程具有负面影响。而越来越多的证据表明，线粒体功能受损可能是这种情况下快速神经退行性改变的关键。代谢功能障碍在SOD1突变小鼠模型中得到了较多验证。运动神经元中线粒体形态的改变是ALS突变型SOD1小鼠模型中最早的病理征象之一[8]。可以看到，SOD1突变小鼠在运动神经元中显示出空泡的线粒体[8]，早在2个月时就检测到线粒体复合体I的活性降低。此外，突变型SOD1小鼠的脊髓中存在氧化磷酸化，ATP合成缺陷和钙缓冲作用受损[9]。更重要的是，突变的SOD1在体内异常地定位于线粒体，提示其会诱发线粒体功能障碍[9]。这些研究共同表明，线粒体功能和动力学的变化是ALS发病机理的核心和共同特征。因此，线粒体异常造成能量代谢缺陷在SOD1突变中的作用不可忽视。

1.2 TDP-43和FUS相关的能量代谢缺陷和线粒体异常除SOD1外，ALS相关蛋白TDP-43和FUS的突变导致啮齿动物运动神经元能量破坏和线粒体缺陷，增强了ALS中的能量异常[3]。TDP-43在调节代谢途径中的潜在作用的第一个证据是：小鼠出生后TDP-43的缺失导致了体脂的急剧减少，随后迅速死亡[10]。相反，在转基因小鼠中，TDP-43突变体的过表达导致脂肪沉积增加和脂肪细胞肥大。以上研究证实，TDP-43是体内脂肪代谢和葡萄糖稳态的关键调节因子。在FUS突变体的病例中，对青少年ALS患者的尸检显示，残余的脊髓运动神经元含有与线粒体紊乱相关的阳性嗜碱性粒细胞包涵体[11]。此外，突变FUS在转基因大鼠中的表达触发了皮层神经元的线粒体病理学[12]，再次与FUS介导的ALS中的线粒体缺陷相一致。

综上所述，在ALS的多种模型中，包括SOD1、TDP-43、FUS等，均显示出能量代谢和线粒体异常，并对ALS进程和生存产生巨大影响。因此，能量代谢失衡和线粒体异常应被视为ALS进展和潜在治疗的重要因素。

2 AMPK/SIRT1/PGC-1α在ALS中至关重要的作用

2.1 AMPK/SIRT1/PGC-1α信号通路中枢神经系统能量代谢的显着特征是能量需求和供应之间存在紧密的联系。在大多数真核细胞中，AMPK是主要的能量传感器，用以检测能量需求和能量供应之间的平衡，以调节细胞以及整个人体能量稳态。

运动神经元中AMPK信号级联的失调是ALS发病机制中的早期和常见事件。AMPK是一种Ser/Thr激酶，可刺激促进能量产生或抑制能量消耗的途径[13]。AMPK可以通过催化域内Thr172的磷酸化直接被许多上游激酶激活，激活后，AMPK可以磷酸化并刺激许多关键的下游途径，以减少能量消耗，并促进葡萄糖的摄取和利用，有利于生物能量稳态的维持[13]。此外，还已知ROS以复杂的方式调节AMPK。因此，在中枢神经系统中，AMPK扮演着非常重要和复杂的角色。

研究表明，AMPK激活SIRT1，使能量代谢相关基因PGC-1α等去乙酰化激活，进而提升线粒体生物合成水平，合理地解释了AMPK/SIRT1协同参与能量代谢调节的机制[7]。SIRT1被认为构成了衰老和人类神经退行性疾病之间的独特分子联系，并为治疗干预提供了有希望的途径。例如SIRT1可以激活PGC-1α和HIF-1α，从而改善了线粒体的生物发生和延长寿命[14]。作为多功能调节因子，PGC-1α调节多种生理生化过程，包括线粒体生物发生、糖异生、葡萄糖转运、脂肪酸氧化、过氧化物酶体重塑、氧化磷酸化和肌纤维类型转化。PGC-1α是AMPK和SIRT1共同的靶分子，对线粒体生物发生的贡献有至关重要的调节作用[4]。可以说，PGC-1α、SIRT1和AMPK，组成了一个控制能量消耗的能量传感网络。因此，通过调控AMPK/SIRT1/PGC-1α途径维持机体能量代谢和线粒体稳态是极具潜力的(Fig 1)。

Fig 1 Regulation of AMPK/SIRT1/PGC-1α pathway to maintain energy metabolism and mitochondrial homeostasis

2.2 AMPK/SIRT1/PGC-1α对ALS的影响

2.2.1AMPK对ALS的作用 鉴于AMPK信号转导在能量代谢和细胞应激的关键作用，其在ALS中已被大量研究。首先，在脊髓培养物和表达突变型SOD1的运动神经元细胞系以及从SOD1G93A小鼠衍生的胚胎神经干细胞中发现AMPK激活增加[5,15]。从症状发作开始，突变的SOD1小鼠的脊髓中AMPK活性增加，特别是在脊髓运动神经元中[5,15]。重要的是，在ALS患者的运动神经元中同样显示出增强的AMPK激活[16]，这与ALS能量消耗和高代谢一致。通过以上研究，我们推测降低AMPK活性可减少运动神经元死亡，从而改善ALS症状。

然而，在TDP-43介导的ALS中，AMPK信号传导的作用尚不清楚。在症状前和有症状的转基因TDP-43A315T小鼠和表达不同TDP-43突变体的脊髓和大脑运动神经元细胞中，AMPK活性反而急剧下降[15]。这与突变的TDP-43对AMPK磷酸酶，蛋白磷酸酶2A的选择性上调有关。同时，在TDP-43M337V模型中，也观察到AMPK活性增加，这可能与TBC1D1基因失活导致葡萄糖消除率和脂肪酸氧化增加相关[5]。以上反映了野生型和过表达不同突变型TDP-43或所用特定小鼠模型在AMPK活性调节中的具有差异。

相比之下，用AMPK的小分子激活剂拉特吡啶(latrepirdine)预处理可延迟症状发作并延长SOD1G93A小鼠的寿命[17]。在SOD1G93A小鼠中，白藜芦醇(resveratrol，RSV)通过激活AMPK改善运动神经元并延长寿命，从而产生有益作用[6]。这与AMPK激活有关，并可通过自噬通量的正常化和增加SOD1G93A小鼠脊髓的线粒体生物发生而发挥保护作用[6]。

尽管AMPK的激活对ALS的作用仍有争议，但总得来看，大多数证据是支持AMPK激活是有益的。当然，这需要更多的研究进行验证，因为模型的不同、疾病进展阶段的差异、性别等因素都会产生巨大的影响。

2.2.2SIRT1对ALS的作用 AMPK和SIRT1既相互调节又共同作用于许多靶分子[4]。研究表明，在正常衰老过程中，野生型小鼠的脊髓中SIRT1表达降低，而使用在运动神经元中过表达SIRT1的小鼠模型，可以发现SIRT1减慢了神经肌肉接头(NMJs)上与年龄相关的运动神经元突触前突触部位的变性，且正常衰老过程中的变化与ALS进程中的变化几乎是一致的[18]。同时，在SOD1G93A小鼠的运动神经元中过表达SIRT1会延迟其疾病进展[18]。并且与正常健康对照来源的相比，ALS患者的骨髓间充质干细胞SIRT1/AMPK的活性显著降低，而使用白藜芦醇可以恢复这种下降[19]。结合以上研究，可以推测激活SIRT1对ALS能产生有益作用，调节SIRT1的表达是预防ALS患者运动神经元变性的潜在治疗方式。

2.2.3PGC-1α对ALS的作用 PGC-1α是AMPK参与线粒体生物发生的主要靶标，同时也受SIRT1去乙酰化而促进核转运。ALS患者和转基因小鼠的脊髓和运动皮层组织中PGC-1α的蛋白和mRNA水平降低，且升高的PGC-1α活性可维持线粒体的生物发生和肌肉功能，但不会延长遗传性ALS小鼠的生存期[20]。此外，PGC-1α的遗传消融加速SOD1G93A小鼠疾病进程，而PGC-1α的过表达则延长了寿命，且这种对生存的有益影响归因于神经元中的PGC-1α活性[20]。因此，PGC-1α表达水平和活性对ALS患者延长寿命和延缓疾病发作的潜力不可忽视，值得投入更多的研究。

3 靶向调控AMPK/SIRT1/PGC-1α信号通路使之成为ALS的有效治疗策略

综上所述，AMPK/SIRT1/PGC-1α能量传感网络对能量代谢和线粒体稳态有着极其关键的作用，直接或间接靶向调控AMPK/SIRT1/PGC-1α信号通路策略可能是改善或治疗ALS的重要手段。目前，靶向AMPK/SIRT1/PGC-1α药物已崭露头角[21]，有单一激活AMPK或SIRT1的，也有同时作用于AMPK和SIRT1，进而激活PGC-1α发挥作用的(Tab 1)。

FDA批准的治疗ALS的药物利鲁唑，其确切的作用机制仍不清楚，研究发现利鲁唑能够增加AMPK磷酸化，并使其下游靶标AS-160磷酸化，从而提高细胞中的葡萄糖转运速率[22]。因此，增加ALS受影响细胞的葡萄糖转运率可能是利鲁唑治疗ALS的机制之一。同样，AICAR也可以激活AMPK而发挥作用[15]。在表达ALS相关的SOD1和TDP-43突变的NSC-34细胞中，AICAR处理导致AMPK的剂量依赖性磷酸化。此外，在SOD1G93A原代小鼠运动神经元培养物和腰椎脊髓中，AMPK的小分子激活剂latrepirdine处理增加了的AMPK活性，且latrepirdine预处理可延迟症状发作并延长SOD1G93A小鼠的寿命[17]。这表明latrepirdine预处理是一种可能的ALS治疗策略。

值得一提的是，白藜芦醇(一种SIRT1激活分子)治疗显著延迟了ALS疾病的发作，并在雌性和雄性动物中保留了上下运动神经元的功能[6]。此外，白藜芦醇显着延长了SOD1G93A小鼠的寿命，并促进了脊髓运动神经元的存活[6]。进一步的实验表明，白藜芦醇促使脊髓腹侧SIRT1和AMPK的表达和激活增加，这有助于自噬通量的正常化和线粒体生物发生进而产生保护作用[6]。除此之外，在ALS的细胞模型中，白藜芦醇可以促进神经元存活。白藜芦醇介导的SIRT1激活可以对SOD1G93A小鼠产生保护作用[23]。5 mg/kg的SIRT1激活剂SRT1720处理，可使SIRT1表达升高诱导PGC-1α脱乙酰化，并加快线粒体蛋白表达和功能的恢复[24]。以上研究表明，白藜芦醇可以通过上调SIRT1的表达来作为防止ALS患者的运动神经元变性的潜在治疗靶标。

除此之外，在SOD1G93A小鼠模型中，化合物R13激活AMPK/PGC-1α/Nrf1/Tfam，促进线粒体生物合成，改善线粒体功能障碍，从而显著减弱了SOD1G93A小鼠的异常运动表现。并且R13处理降低了小胶质细胞和星形胶质细胞的增殖，减少了脊髓运动神经元病理学和腓肠肌萎缩的进程[25]。线粒体组学分析表明，R13改变了SOD1G93A小鼠延髓和脊髓中的线粒体蛋白表达谱，特别是促进了与氧化磷酸化相关的蛋白的表达。同时，在稳定表达G93ASOD1的蠕虫上R13延长了其存活率。

我们最近的研究中，硝酮嗪(TBN)在SOD1G93A转基因小鼠中通过激活PGC-1α/Nrf2/HO-1通路改善运动功能障碍和病理表现[26]；与此同时，在纹状体注射TDP-43M337的小鼠中，TBN激活了AMPK/PGC-1α/Nrf2信号通路进而改善运动功能并延长了小鼠的生存期[27]。值得一提的是，TBN治疗ALS的临床二期试验(ChiCTR2000039689)正在进行，这给ALS治疗药物的研发提供了一些见解。

以上药物虽然在特定的ALS模型中被验证有一定的效果，但仍需更多不同的模型系统地研究AMPK/SIRT1/PGC-1α途径在ALS治疗中切实可行，最终推进相关药物进入临床试验，以评估对ALS患者的安全性和治疗效果。

Tab 1 Drugs targeting AMPK/SIRT1/PGC-1α

4 总结

能量代谢和线粒体功能异常在ALS发生发展中的作用已日益明确，维持能量代谢和线粒体稳态必将成为ALS治疗的光明途径。尽管AMPK在ALS中扮演的角色尚不清楚，但考虑到AMPK/SIRT1/PGC-1α在线粒体稳态中的重要性，直接或间接靶向调控AMPK/SIRT1/PGC-1α信号通路，以调节线粒体功能并维持代谢稳定不失为一个极佳的选择。并且目前已经有众多药物被证明对该信号通路有调节作用，一方面这是极具潜力的药物资源，另一方面，也需要更多的模型和研究进行验证。除此之外，运动可显著影响PGC-1α和AMPK-SIRT1途径，因为它参与能量代谢和线粒体生物发生的调控。因此，通过AMPK/SIRT1/PGC-1α调节能量代谢和线粒体稳态治疗ALS的策略可以从不同的角度来进行，例如药物，饮食，运动等。未来的研究也应针对阐明AMPK/SIRT1/PGC-1α是否可以作为ALS有用的治疗途径，并寻找相应的治疗策略。