cik细胞的表面标记物是什么？代谢和线粒体稳态的守护者

cik细胞的表面标记物是什么？代谢和线粒体稳态的守护者AMPK亚基组成及其功能AMPK是一个复杂的异源三聚体，由一个α催化亚基和两个β和γ调节亚基组成（图1）。脊椎动物的每个亚基都有不同基因编码的多个亚型。人类有两个α亚基，α1和α2，分别由PRKAA1和PRKAA2编码32，两个β亚基，β1和β2，分别由PRKAB1和PRKAB2编码33，以及三个γ亚基，γ1、γ2和γ3，分别由PRKAG1 PRKAG2和PRKAG3编码34。每个AMPK复合物由一个α亚基，一个β亚基和一个γ亚基组成，多个亚型随机组合，因此有可能组合成12个不同的AMPK复合物35。但是，始终无法证实，这些不同组合成的复合物是否真正代表底物特异性或亚细胞定位特异性。我们将对此如下综述。摘要细胞需调整自身的能量供应和营养补给来维持代谢。真核细胞已经进化出一套复杂的系统，即通过丝氨酸/苏氨酸激酶AMP-激活蛋白激酶复合物（AMPK，serine/threonine kina

编者按

我们已经积累了大量抗衰老的文章，但囿于各种问题没有系统性输出，后面人员逐步到位将持续输出。这篇文章没准备让大家看懂，而是向大家说我们工作做的很到位，可以放心阅读。

AMPK是重要的调节寿命通路，可有效调控细胞自噬和抑制mTor，其更类似于在恶劣情况下的适应性机制。这篇Review详细介绍了如何AMPK信号通路，由复旦药学院Doctor candidate Freda翻译。接下来的文章将会介绍，如何激活AMPK通路。以下Enjoy：

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摘要

细胞需调整自身的能量供应和营养补给来维持代谢。真核细胞已经进化出一套复杂的系统，即通过丝氨酸/苏氨酸激酶AMP-激活蛋白激酶复合物（AMPK，serine/threonine kinase AMP-activated protein kinase）感知细胞内ATP的水平高低。在低能量供应条件下，AMPK磷酸化特异性的酶和位点，增加ATP生成，降低ATP消耗。在过去的20年里，新发现了大量的AMPK底物，这使我们对细胞代谢（从合成代谢到分解代谢）的细节有了更全面的了解。能量的转换调控细胞的生长和其他的几个细胞过程，包括糖脂代谢和自噬。最近的研究显示，AMPK的基本功能是维持线粒体健康，多个新发现的AMPK靶点参与了包括线粒体自噬在内的线粒体稳态的各个方面。这篇综述讨论了细胞如何通过AMPK应对能量应激和线粒体损伤，协调自噬和线粒体自噬的多个特征过程。

AMPK的结构和活化

AMPK是一个复杂的异源三聚体，由一个α催化亚基和两个β和γ调节亚基组成（图1）。脊椎动物的每个亚基都有不同基因编码的多个亚型。人类有两个α亚基，α1和α2，分别由PRKAA1和PRKAA2编码32，两个β亚基，β1和β2，分别由PRKAB1和PRKAB2编码33，以及三个γ亚基，γ1、γ2和γ3，分别由PRKAG1 PRKAG2和PRKAG3编码34。每个AMPK复合物由一个α亚基，一个β亚基和一个γ亚基组成，多个亚型随机组合，因此有可能组合成12个不同的AMPK复合物35。但是，始终无法证实，这些不同组合成的复合物是否真正代表底物特异性或亚细胞定位特异性。我们将对此如下综述。

AMPK亚基组成及其功能

AMPK是一个复杂的异源三聚体，由一个α催化亚基和两个β和γ调节亚基组成（图1）。脊椎动物的每个亚基都有不同基因编码的多个亚型。人类有两个α亚基，α1和α2，分别由PRKAA1和PRKAA2编码32，两个β亚基，β1和β2，分别由PRKAB1和PRKAB2编码33，以及三个γ亚基，γ1、γ2和γ3，分别由PRKAG1 PRKAG2和PRKAG3编码34。每个AMPK复合物由一个α亚基，一个β亚基和一个γ亚基组成，多个亚型随机组合，因此有可能组合成12个不同的AMPK复合物35。但是，始终无法证实，这些不同组合成的复合物是否真正代表底物特异性或亚细胞定位特异性。我们将对此如下综述。

AMPK亚基组成及其功能

α亚基包含一个激酶结构域和一个关键的残基Thr 172，它可以被上游激酶磷酸化。β-亚基包含一个碳水化合物结合模块，允许AMPK与糖原结合36。γ-亚基包含四个串联的胱硫醚-β-合成酶（Cbs）结构域，与腺嘌呤核苷酸结合，从而确保AMPK对ATP/AMP水平的监测和调节37。γ亚单位与AMP结合，或者较小程度的与ADP结合，刺激AMPK活性38-40（图1）。

▲ 图1：AMPK结构和活化 ▲

AMPK三聚体的结构域结构：α-，β-和γ-亚基及其各自的结构域。上游激酶CAMKK 2和肝激酶B1（LKB 1）作用于AMPK复合物。LKB1是由LKB1、STARD和MO25组成的一种异三聚体，细胞内钙信号激活CAMKK2。线粒体中毒、氧或葡萄糖饥饿，以及运动等多种因素都可以引起AMPK激活。AMP类似物AICAR和几个小分子变构激活剂（左侧）等药物也可以激活AMPK。AMPK的活化可以调节代谢水平，减少合成代谢（即减少ATP消耗），增加分解代谢（即增加ATP的产生），从而维持能量平衡。AMPK的下游底物按生物学功能进行分类。ATP生成过程被激活，同时ATP消耗过程被抑制。AID，自抑制域；CBM，碳水化合物结合模块；CBS，胱硫醚-β-合成酶。

AMP与γ亚基结合后可通过三种不同的机制增强AMPK的活性。一、上游激酶磷酸化41或者变构激活剂引起上游激酶磷酸化42，使得AMP直接磷酸化Thr172，AMPK成为上游激酶的底物，但有体外实验结果显示，AMP不能引起Thr172磷酸化，故而AMP引起Thr172磷酸化存疑40 43-45；二、AMP通过保护Thr172不受磷酸酶的影响而抑制其去磷酸化46。三、AMP变构活化已经磷酸化Thr172的AMPK39 40。即使ADP和AMP都结合CBS结构域引起AMPK活化，但综合评估它们与γ-亚基的结合亲和力、在细胞中的浓度以及产生效应的能力，证实AMP才有可能是体内AMPK活化的主要贡献者39。并且值得注意的是，ATP也可以与γ亚基的CBS结构域结合，这使得AMPK能够感应ATP / AMP比率变化，而不仅仅是总核苷酸水平的变化，因此AMPK是一个真正的能量水平传感器38。

αβγ复合物由不同亚型亚基组合而成，共有12种组合方式。在体内，有些类型的细胞只有这些组合中的一种，这提示有些复合物有其特殊的功能。例如，在肌肉细胞中，只能检测到α1β2γ1、α2β2γ1和α2β2γ3复合物。此外，有试验证实，只有α2β2γ3复合物可以被Thr172磷酸化激活，尽管该复合物并不像γ1的复合物那样含量丰富47。这种对γ3复合物功能的特异性与专门激活肌肉中含有γ1的复合物的线粒体抑制剂PT 1的作用形成鲜明对比48。尽管具体的复合物激活机制尚不清楚，但这一现象表明，特定的亚单位组成的AMPK复合物能够对不同类型的应激刺激做出反应。近年来研究表明，不同的复合物组成对磷酸酶活性、核苷酸活化、磷酸酶敏感性以及AMP对磷酸酶敏感性的变构调节均有反应49。

不同的亚基在细胞中也有不同的亚细胞定位，例如在肌肉中，与α1相比，α2核定位会随着运动的增加而增加。此外，在小鼠肝脏中，α1核定位是昼夜浮动的，并且γ-亚基在肌肉纤维中的定位是有差异的，然而，据报道，β-亚基的十四烷酰化可触发与细胞间膜45或线粒体间53的联系，并引起核排斥51。

溶酶体中的AMPK

有人提出：AMPK通过与axin的相互作用而定位于溶酶体，axin主要作用是调节WNT信号通路54。Axin在溶酶体中表达，与肝激酶B1（LKB1，又称STK11）相互作用。能量应激时，AMP激活与axin的相互作用，致使LKB1磷酸化Thr172，激活AMPK。在饥饿条件下，AMPK与mTOR（细胞生长的主要调节器）共同调节细胞55。mTOR与AMPK功能相反，在高营养的情况下激活合成代谢。AMPK和mTOR都是保守通路中的信号蛋白，它们在调控分解和合成代谢，发挥着类似阴阳拮抗作用。近期试验表明，在葡萄糖匮乏时，axin对AMPK的激活至关重要56。在这项研究中，该作者提出了葡萄糖饥饿激活AMPK不依赖于AMP变构调节的机制。相反，糖酵解酶醛糖酶与其底物1 6 -二磷酸果糖（FBP）的结合调节AMPK–axin复合物和AMPK的活性56。因此，在葡萄糖匮乏条件下，FBP水平下降，醛糖酶接受信号并在溶酶体中刺激形成AMPK-axin复合物56。

在应对不同的代谢反应中，同样的axin复合物是否调控AMPK的活化，以及不同亚细胞中特定的AMPK底物是否受到AMPK溶酶体靶向池的调控，这些都仍有待确定。然而，到目前为止，还没有一种已知的底物被特定的AMPK复合物特异性磷酸化或优先磷酸化，因此这仍然是一个未来有待研究的问题。

AMPK的上游活化激酶

上游激酶引起α亚基Thr172磷酸化，激活AMPK（图1）。

据报道，AMPK的一个上游激活物LKB1是直接参与肿瘤代谢的肿瘤抑制因子42 43 57。值得注意的是，与AMPK类似，LKB1与激酶致死STE20相关激酶STRAD和STE20家族的支架蛋白MO25形成异源三聚体58 59（图1）。一项对Lkb1（Stk11）基因敲除小鼠的研究表明，大多数被检测的哺乳动物组织，包括肝脏和肌肉等关键代谢组织，在能量应激下，大部分的AMPK由LKB1激活60-64。敲除LKB1的细胞实验结果表明，在线粒体损伤或低能状态下，几乎全部的AMPK由LKB1激活65。

然而，值得注意的是，钙敏感酶CAMKK2（CAMKKβ）直接磷酸化Thr172，活化AMPK，以响应钙信号66-68。因此，AMPK为钙信号与能量代谢之间构建了桥梁69。细胞内钙信号增加激活CAMKK2，活化AMPK。此通路不依赖于LKB1和核苷酸水平（图1）。在应对激素和压力反应时，调控细胞内钙信号，包括调节小鼠神经元控制的食物摄取过程70 71，激活免疫细胞和内皮细胞中的抗原和受体72 73，甲状腺激素刺激线粒体活性的过程74 75。值得注意的是，细胞内刺激，包括氨基酸耗竭76、缺氧77 78、脱离基质的细胞79能刺激CAMK2激活AMPK。在LKB1沉默的细胞中，CAMKK2对ATP/AMP比值变化仍有一定的敏感性，激活AMPK80。AMPK的这种CAMKK2依赖性激活解释了在LKB1缺失的肿瘤中，仍有部分AMPK激活的现象。

在体内，线粒体抑制、营养匮乏和运动等多种生理条件都能激活AMPK，可能是通过调节ATP/ADP来诱导AMPK的激活（图1）。此外，几种AMPK的小分子激活剂已经被开发，它们与α和β亚基结合，激活AMPK信号通路，此反应独立于核苷酸激酶活性水平（图1）。第一个被研发的药物是A-76966281。随后，另外几个效用和效力有所增加的药物，如化合物991、PF-739和MK-8722先后被开发82-84。

▲ 图2：AMPK调节多种代谢途径 ▲

AMP活化蛋白激酶（AMPK）复合物磷酸化关键靶点，重新恢复代谢过程。AMPK直接活化的靶点，如图中第一层圆圈所示。箭头指示为磷酸化作用是否激活或抑制靶蛋白的功能。第二层圆圈表示每个靶蛋白涉及的信号通路。方框颜色表示被激活（绿色）或抑制（红色）。某些靶蛋白是两个圆圈的信号通路的中间介质。AMPK调控的生理过程分为四大类——蛋白质代谢，脂质代谢，葡萄糖代谢，自噬和线粒体稳态，此四类为AMPK广泛调控的过程。mTOR由AMPK调控，同时也可调制多个AMPK直接或间接的靶标。由箭头可以看出，mTOR对靶标的调节显示出两种信号通路之间的复杂关系。转录调节因子用星号表示。注意，图中只包含AMPK直接反应的子集。ChREBP：反应元件结合蛋白；CREB：cAMP反应元件结合蛋白；FOXO：盒蛋白O；HDAC：组蛋白脱乙酰酶；HMGCR：HMG-CoA还原酶；NHF4-α：肝细胞的核因子4α；MFF：线粒体亚单位因子；PGC1：过氧物酶体增殖剂-活化受体-γ共活化1α；PLD1：磷脂酶D1；SREBP1：甾醇调节元件-结合蛋白1；TFEB：转录因子EB。

AMPK的代谢调节

在能量应激过程中，AMPK直接磷酸化多种途径的关键因子，恢复能量平衡。AMPK对代谢的影响大致可以分为两类:抑制合成代谢以减少ATP的消耗和刺激分解代谢以刺激ATP的产生。下面我们将简要回顾这两个过程，然后重点讨论AMPK在线粒体过程和自噬中的作用。

抑制合成代谢

在能源匮乏时，AMPK抑制多种生物合成途径（图2）。第一条被证实的信号通路是通过抑制乙酰辅酶A羧化酶ACC1和ACC2以及抑制磷酸化β-还原酶（HMGCR）来抑制脂质和甾醇合成，这是胆固醇合成中的限速步骤6 7。因此，应用AMPK直接激活剂治疗过量脂肪酸引起的相关疾病，如非酒精性脂肪肝（NAFLD）具有重要的意义85，这也与活化AMPK的肝特异性表达的降脂作用有关86。AMPK还通过抑制糖原合成酶GYS1和GYS2的磷酸化以及抑制GFAT1磷酸化调节的己糖胺的合成87以及调节O-GlcNAc细胞蛋白来抑制糖原的储存88，89（图2）。

在长期的能量匮乏情况下，AMPK通过调控生物合成的转录重新调节代谢。AMPK通过磷酸化CRTC219和IIA类组蛋白去乙酰化酶（HDACs）24抑制糖异生。CRTC2和HDACs分别是cAMP反应元件结合蛋白（CREB）和叉头盒蛋白O （FOXO）通路的共激活因子。AMPK也通过磷酸化固醇调节元件结合蛋白1（SREBP1）23、碳水化合物反应元件结合蛋白（ChREBP）90和肝细胞核因子4α（HNF4α）91这些糖脂代谢的关键转录调节蛋白，在转录水平调节代谢。有研究显示，AMPK可以磷酸化组蛋白乙酰转移酶p300来调节核激素受体的转录活性18。

细胞中ATP的主要消耗途径是细胞生长和蛋白翻译。因此，AMPK主要通过调节mTOR来调节这些过程。AMPK的活化通过两个独立的机制抑制mTORC1的活性：mTORC1抑制蛋白TSC2（也叫结核菌素）4的激活和mTORC1亚基PAPTOR的抑制5。在富养条件下，AMPK是不活跃的，mTOR是活跃的，而在能量不足的条件下，AMPK活性的增加导致mTOR活性的降低。低水平的mTOR引起细胞生长减慢和蛋白质合成减少。AMPK还通过磷酸化eEF2K直接调控蛋白质合成，eEF2K是蛋白质延伸的负调控因子92。eEF2K也是mTOR通路的下游靶点，进一步证实了这两条通路在控制细胞生长和代谢之间的联系和交互作用，也说明了这两个信号枢纽之间古老的阴阳关系。总之，对葡萄糖、脂质和蛋白质合成途径的抑制限制了能量应激下ATP的消耗（图2）。值得注意的是，AMPK已经被证实可以调节其他生长相关通路，如Hedgehog信号通路94，Hippo信号通路95-97，STAT信号通路98和p53肿瘤抑制信号通路99 100。只是更多的细节尚需进一步的证实。本文综述了AMPK代谢靶标的研究进展。

激活分解代谢途径

为了储存更多的ATP，AMPK刺激大分子的分解产生能量，包括葡萄糖的利用，动员储存脂质和自噬引起的大分子的转化（图2）。AMPK通过磷酸化参与葡萄糖转运体转运的靶点来刺激葡萄糖的利用，从而增加细胞对葡萄糖的吸收。TXNIP13和TBC1D1101的磷酸化分别增加了GLUT1和GLUT4的质膜定位。AMPK引起的磷脂酶D1（PLD1）磷酸化也被证实间接增加了葡萄糖摄入102。AMPK还通过磷酸化PFKFB3（6 -磷酸果糖- 2 -激酶/果糖- 2 6 -二磷酸酶3），影响糖酵解的限速酶PFK1的活性增加糖酵解水平11(图2)。除了提高葡萄糖的利用外，AMPK也增加细胞储存的脂质的利用，刺激脂肪酶如脂肪甘油三酯脂酶（ATGL；也被称为PNPLA2）释放脂肪酸9。游离脂肪酸被运输至线粒体，发生β氧化。将脂肪酸运输至线粒体依赖于酰基转移酶CPT1的转运系统。有趣的是，CPT1的活性似乎是由AMPK活性调节的。实际上，由ACC1和ACC2生成的丙二酰辅酶A是CPT1的有效抑制剂103 104。因此 通过磷酸化和抑制ACC，AMPK可以降低丙二酰辅酶A的表达，从而减少脂质合成，以促进脂肪酸进入线粒体进行β氧化。使用ACC1中Ser79Ala和ACC2中Ser221Ala基因敲入的小鼠模型进行研究，结果显示，这些位点对于调节AMPK下游的脂质稳态和影响二甲双胍的治疗效果至关重要105（框1）。此外，ACC1和ACC2均参与调节脂质稳态，显示ACC1和ACC2的功能可能存在冗余。

AMPK的转录效应也参与了新陈代谢导向增加分解代谢的过程。AMPK转录上调参与线粒体生物合成、自噬和溶酶体降解的基因表达（图2）。这些过程以及AMPK与线粒体的直接联系将在以下章节详细讨论。

▲ 图3：AMPK对线粒体稳态的调节作用 ▲

AMPK通过类动力蛋白DRP1直接磷酸化线粒体分裂因子（MFF）来调节线粒体分裂，通过活化ULK1激活线粒体自噬和线粒体自噬。线粒体自噬是分裂所必需的，受损的线粒体被自噬所降解。在能量压力下，AMPK也激活过氧化物酶体增殖物活化受体γ（PPARγ）共激活因子1α（PGC1α），通过与PPARγ或雌激素相关受体（ERRs）相互作用激活线粒体生物合成的基因。虚线箭头表示潜在的间接调节关系。

AMPK与线粒体

越来越多的证据表明：AMPK特异性调控线粒体生物过程来维持稳态（图3），包括控制线粒体的生物合成来调控线粒体数量，调控细胞内线粒体网的形状和控制自噬和线粒体自噬来调控线粒体的质量（BOX2）。

AMPK促进合成线粒体

合成线粒体是为了增加能量输出，产生更多的ATP。已存在的线粒体生长、分裂，产生新的线粒体。在现有的线粒体网络中加入新的血液以增加线粒体规模。合成线粒体需要上调线粒体蛋白，增加脂质生产和转运，用以维持线粒体膜内部和外部表面积的扩大。线粒体基因组编码一系列线粒体蛋白，但大多数线粒体蛋白是由核基因组编码。因此，刺激合成线粒体的信号需要传递到细胞核，转录因子刺激线粒蛋白编码基因的转录和表达，逆行信号也是如此106。

许多实验性的或生理性的条件可以扩大线粒体的规模，其中研究最充分的是运动。早在20世纪50年代，研究者观察发现，鸟类的肌肉活动与肌肉纤维的线粒体含量有关，结果表明，活跃的肌肉比不活跃的肌肉中线粒体含量更多107。如今已充分证实：运动和肌肉活动诱导合成线粒体，提高肌肉的氧化能力108。有趣的是，运动也是一种有效的AMPK激活剂，这从侧面佐证了AMPK参与这一过程的可能性。这进一步证实了，长期激活AMPK增加了合成线粒体109，AMPK激活剂AICAR可以作为运动模拟剂110。此外，在小鼠体内过度持续激活AMPK γ3亚基可以诱导合成线粒体111。功能缺失实验也揭示了AMPK在线粒体生物合成中的作用。表达AMPK显性阴性突变体的小鼠在能量应激下不能诱导合成线粒体16。AMPK β1/β2亚基112或上游激酶LKB1113 114缺乏的小鼠肌肉中的线粒体含量减少，并且肌肉特异性LKB1基因敲除的小鼠在运动之后也不会增加线粒体的合成113。肌肉特异性敲除AMPK α亚基也会引起合成线粒体和线粒体功能的缺陷115。此外，AMPK还被证实可以调控其他组织中线粒体的含量，其中包括脂肪细胞116、巨噬细胞117和肝细胞118。总体来说，这些研究证实了AMPK是合成线粒体的关键调节因子。

AMPK的一些下游效应物参与调节合成线粒体，目前还没发现有单一底物可以介导大部分效应。似乎大多数线粒体代谢基因是在过氧化物酶体增殖物活化受体γ助激活剂1（PGC1）119 120与雌激素相关受体（ERRs）和在较小程度上过氧化物酶体增殖性激活受体（PPAR）家族转录因子的相互作用下调控的121（图3）。肌肉中PGC1α过表达足以将IIb型（糖酵解）纤维转化为II型和I型线粒体纤维，建立以PGC1α为主调节器的线粒体合成122。PGC1α由几种后转化机制调控，如乙酰化作用123、甲基化作用124和各种激酶的磷酸化作用，包括AKT125和p38 MAPK通路126。有趣的是，有报道显示几种与氧化代谢相关的基因在活化时需要PGC1α的表达17，而过度持续激活AMPKγ3亚基可以增加PGC1α的表达111。在细胞水平，PGC1α的两个位点Thr177和Ser538被AMPK磷酸化17。确定它们是否是AMPK体内的靶点需要更多的研究。AMPK调控PGC1α可能包括几种间接机制，如p38MAPK127，HDAC524 128和SIRT1129，所以，AMPK与PGC1α的作用是一系列机制的共同作用结果（图3）。 此外，在有些情况下，AMPK促进转录因子EB（TFEB，下文讨论）的激活，并且TFEB已被证明直接结合激活编码PGC1α基因PPARGC1A的启动子131。除PGC1α，AMPK已经被证实在KRAS驱动的结肠癌中132，提高PGC1β和ERRα的mRNA水平，并且在有些情况下，TFEB和TFE3与PGC1β的表达有关133。

AMPK对合成线粒体的影响不仅对理解运动对肌肉线粒体的影响很重要，而且在多种病理状态下具有治疗意义，包括杜氏肌营养不良134和线粒体肌病135。肥胖小鼠的AMPK活化还可以增加运动能力136，改善损伤后肌肉再生137，并通过激活自噬通路保护肌肉免受年龄相关肌病的侵袭138，下面将进行简述。

AMPK对线粒体动力学的调控

线粒体是高度可移动的细胞器，不断融合、分裂，形成一个动态的、相互连接的网络体系139。不同形态的线粒体调控OXPHOS、线粒体自噬和凋亡已经得到证实。尤其是有一种假设，在营养匮乏的情况下，线粒体可以持续产生ATP140，抑制线粒体自噬141 142，促使脂类等物质的重新分布143。相反，线粒体在受到包括线粒体呼吸链抑制剂在内的其他细胞损伤时，会发生碎片化。膜电位失衡后线粒体碎片引起了线粒体自噬144，及时并有效引起细胞凋亡145。

众所周知，线粒体去极化和抑制线粒体ATP合成的环境条件，可以通过增加线粒体裂变率和/或降低线粒体融合率来触发线粒体分裂146。然而，线粒体抑制剂影响线粒体网络形状的机制尚不明确，尤其是不影响线粒体膜电位的线粒体抑制剂147。值得注意的是，诱导线粒体分裂的刺激，如呼吸链的抑制剂，也是有效的AMPK激活剂。最新研究表明，鱼藤酮和抗霉素A诱导的线粒体分裂需要AMPK，而它们分别是线粒体呼吸链复合物I和复合物III的抑制剂。在没有线粒体损伤的情况下，通过直接的小分子激活剂来激活AMPK足以引起线粒体分裂15。这一发现证实了AMPK是线粒体动力学的关键的直接调节器。蛋白质组学和生物信息学筛选出新的AMPK底物线粒体裂变因子（MFF），MFF是线粒体裂变通路的核心成分，AMPK能后识别其两个磷酸化位点Ser155和Ser17315 28。MFF是线粒体外膜上的类动力蛋白DRP1的主要受体，介导线粒体分裂时的收缩过程148-150。因此AMPK磷酸化MFF的 Ser155和Ser173位点可能是AMPK在ETC抑制后引起线粒体分裂的重要机制，以及AMPK激活剂可以独立促进线粒体分裂的原因。事实上，激活AMPK可以增加线粒体中的DRP1，这一效应依赖于MFF中AMPK磷酸化位点的存在15。因此，AMPK通过磷酸化MFF和控制DRP1的表达，在能量应激过程中对线粒体网络的形状进行了应激性调节151（图3）。

其他的AMPK线粒体靶点

上文提到的，ACC1和ACC2由AMPK磷酸化。ACC1是细胞质蛋白，而ACC2有一个额外的氨基末端疏水序列，专门靶向线粒体外膜， AMPK成为第一个被识别的线粒体底物152。AMPK磷酸化ACC1的Ser79位点，ACC2的ser221位点，从而活化ACC的活性。这不仅仅是抑制脂肪酸合成的第一步，而且刺激线粒体中脂肪酸的β氧化。在线粒体中特异性的抑制ACC2，可以减轻丙二酰辅酶A对CPT1的抑制，引起脂质的β氧化。有研究显示，ACC1和ACC2可以同时参与调节脂质代谢105。而，ACC2在线粒体的存在表明，在某些条件下，线粒体中AMPK对ACC功能的局部调节可能与线粒体在能量应激时代谢调节有关。如，从ACC2 Ser221敲除的小鼠体内分离的肌肉组织中脂肪酸的基础氧化水平要比正常小鼠的肌肉组织中高，并且可以抵抗AICAR对脂肪酸氧化的促进作用153。有趣的是，在运动时，这些差异就消失了，这提示我们，运动引起的脂肪酸氧化独立于AMPK-ACC-丙二酰辅酶A轴的作用。

AMPK与线粒体的内在联系可能还没有定论。但AMPK作为能量代谢的主要调控者，很有可能可以调控线粒体的更多方面和功能。最近有研究表明，AMPK在细胞迁移过程中影响线粒体的运动155，在线粒体转运过程中，可能涉及到一个尚未确定的AMPK亚基。AKAP1是一种线粒体定位蛋白，被认为是PKA的锚定因子，有报道显示可以被AMPK磷酸化，这可能是线粒体中AMPK调节局部PKA活化的潜在机制27。

AMPK调节自噬和线粒体自噬

自噬是蛋白质、大分子、细胞器和病原体等成分，被一个专门的细胞器回收的过程。膜上的自体吞噬泡介导吞噬，它们与溶酶体融合，随后在溶酶体中的降解156（Box 2）。自噬器包括几个控制每步反应的多蛋白复合物，AMPK可以从众多方面调节这个细胞器。

自噬主要有两种功能：衰老或受损分子的循环，以及饥饿时营养储备的补充。这两种功能在执行上是相似的，但启动机制不同。虽然细胞内分子循环是一个连续的过程，但饥饿时，诱导自噬涉及到mTORC1介导的营养感知通路。在营养匮乏情况下，mTOR1被激活，消除对ULK1的抑制磷酸化作用，ULK1是诱导自噬的必需激酶157 158。mTORC1还磷酸化和抑制自噬通路的其他成分，如ATG14L（也称为Barkor）159和与ULK1相互作用的蛋白ATG13160。在营养丰富时，这些磷酸化还抑制自噬。激活后，ULK1磷酸化参与自噬的几个蛋白，包括其结合蛋白FIP200、ATG101161和ATG13162，下游效应器ATG9 163、ATG14L159、VPS34（也称为PI3K type 3）、Beclin1和AMBRA1161 164，以及转运蛋白Sec16A165 166（图4，Box2）。

AMPK对自噬的调控

已被证明AMPK在酵母细胞167和哺乳动物细胞中调控自噬168 169。其分子特征显示AMPK在不同的阶段调控自噬。首先，AMPK直接磷酸化mTOR上游调节器TSC2的Thr1227和Ser1345位点4，以及mTORC1亚基PAPTOR的Ser722和Ser792位点5。这两个磷酸化过程都参与了能量应激条件下降低mTOR活性。如上所述，mTOR活性的降低减轻了对ULK1的抑制磷酸化作用，激活自噬。

AMPK至少直接磷酸化ULK1的4个亚基（Ser467 Ser555 Thr574和Ser63），建立了AMPK与核心自噬通路的直接联系14 170。利用ULK1敲除细胞系和非磷酸化突变体的重组细胞证实，在饥饿和代谢应激条件下AMPK对ULK1的磷酸化对自噬和细胞存活非常重要。值得注意的是，ULK1突变的细胞不能被AMPK磷酸化，线粒体出现缺陷，这表明AMPK-ULK1轴不仅对一般的自噬很重要，也对选择性清除损伤的线粒体意义重大14。随后的研究证实ULK1在不同条件下的线粒体自噬中发挥重要作用75 162 171-177。此外，在棕色脂肪组织中116，禁食和衰老时的肌肉中138，以及巨噬细胞178和肝细胞179中，AMPK活化对线粒体损伤后有效的清除机制是非常重要的。除了磷酸化ULK1，AMPK还可以磷酸化自噬通路的其他核心成分，如ATG9的Ser761180、VPS34的Ser135和Thr133181，Beclin1的Ser91和Ser94181 182， VPS34相关蛋白RACK1的Thr50183和PAQR3的Thr32，ATG14L-VPS34支架蛋白。有些AMPK磷酸化位点尚未得到验证，因此AMPK和ULK1控制自噬的许多细节仍有待阐明（图4）。

另一种调控线粒体自噬的途径是PINK1-Parkin介导的消除线粒体去极化185。这一途径涉及线粒体膜电位缺失时，线粒体中PINK1的稳定186。反过来PINK1招募并磷酸化Parkin，Parkin是一种E3泛素连接酶，标志着线粒体被自噬机制降解177。此外，PINK1还磷酸化线粒体上的泛素，这是一个激活Parkin放大信号的过程187 188。这一途径需要完全激活线粒体去极化，因此，这与AMPK-ULK轴激活的线粒体的基础监测是不同的。然而，AMPK和ULK1是否通过PINK1-Parkin通路调控线粒体仍有待证实。值得注意的是，Pink1-Parkin介导的线粒体自噬激活剂，如质子离子团CCCP，是AMPK的强激活剂，抑制线粒体ATP合成。因此，可以想象AMPK和/或ULK1下游的一些靶点可能参与了PINK1-Parkin信号通路。

AMPK的线粒体定位

线粒体中至少有两种AMPK底物，MFF和ACC2，这提示AMPK存在于或接近线粒体。然而，必须注意的是，MFF和ACC2位于线粒体外膜，暴露于细胞质中，可以被游离的细胞质中的AMPK磷酸化。考虑到线粒体在能量生产中的核心作用，我们可以假设线粒体中的AMPK能够更快更有效地感知和响应能量状态的变化。这一假设得到了一些实验证据的支持，表明确实存在一个线粒体AMPK池。其中的一个试验结果表明，AMPK的β亚基十四酰化反应发生在线粒体中，调控线粒体受损后特异性自噬53。有趣的是，ULK1的Ser555磷酸化已经被证实可以调节线粒体自噬过程中ULK1向线粒体的募集，这表明线粒体的局部信号可以调控受损线粒体的清除189。

利用激活AMPK的小肽探针试验证实，存在一个独立于胞质AMPK的线粒体AMPK池，特异性地调控ATP水平190。然而，由于细胞器的固有性质，生物化学分馏法很难解释；它们倾向于在细胞中结合，因此几乎不可能在不受其他细胞器或膜结构污染的情况下进行纯化。成像技术可以更好的识别分辨细胞器，但这依赖于抗体的特异性，需要控制好条件。七个内源性AMPK亚基的亚细胞定位需要仔细的分析，用以确定AMPK线粒体池的存在与否和调控机制。

AMPK是调控线粒体健康的信号整合平台

AMPK调控线粒体稳态的三个基本方面：生物合成、分裂和线粒体自噬。在氨基酸匮乏时，mTORC1的抑制激活自噬。在这些条件下，线粒体通过一种称为mitochondrial hyperfusion的过程拉长140，以避免线粒体自噬和最大程度的OXPHOS的降解141 142。这一过程只有在线粒体功能正常且细胞含有适当的底物以支持OXPHOS的情况下才是有益的。然而，据报道，有效地清除受损的线粒体和分离线粒体网中功能异常的部分依赖于线粒体分裂144 191 192。因此，线粒体损伤和低能量情况下，AMPK被激活，MFF和ULK1的磷酸化可以促进受损线粒体的分离和线粒体自噬的清除，而线粒体合成激活，产生新的、更健康的线粒体，以确保线粒体网络的质量。因此，对饥饿的反应取决于细胞是否缺乏氨基酸和生长信号，这就抑制了mTORC1的活性，但并不能激活AMPK，或者在细胞同时缺乏营养和能量时，激活AMPK，引起线粒体碎片化和线粒体自噬（图3）。至于信号的强度和/或持续时间是否决定AMPK的反应，仍有待研究。

AMPK在线粒体外自噬中的作用

自噬也参与细胞内病原体的清除，这一过程被称为异体吞噬93。AMPK通路的激活在对抗病毒194 195、细菌178、朊蛋白感染196过程中调节自噬反应，从而扩大了涉及AMPK调节自噬潮的条件。有趣的是，为了维持自我复制，几种病原体根据自己的需求诱导或抑制AMPK的活性，例如逃避异体吞噬、增加葡萄糖或脂类氧化和营养利用率197。

AMPK对自噬的转录调控作用

除了调节一般的转录调节因子，如p30018和IIa类HDACs24，AMPK活化可选择性调控参与代谢、自噬和溶酶体功能的基因。这是通过直接和间接机制实现的，这些机制可以参与AMPK对自噬潮的长期调节。首先，AMPK直接磷酸化FOXO家族的转录因子20，调控自噬相关基因198。能量应激时，AMPK磷酸化促进FOXO3，刺激其转录活性20。有趣的是，Fox转录因子家族的另外两个成员FOXK 1和FOXK 2与FOXO 3竞争以抑制自噬相关的基因199。在高营养时，FOXK 1和FOXK 2被mTOR磷酸化，FOXK蛋白转移到细胞核，与FOXO 3竞争，与相同基因组调控位点结合，抑制自噬基因199。因此，当AMPK被激活时，FOXO 3的磷酸化激活自噬基因，TSC24和RAPTOR5的磷酸化抑制mTOR，诱导FOXK核外排，从而最大限度的激活FOXO 3199（图5）。除了FOXK，mTOR还调节溶酶体功能的主调控因子TFEB和TFE3的活性200-203。近年来，AMPK在胚胎干细胞向胚状体分化过程中，通过TFEB调控溶酶体的合成26。在上述条件下，当AMPK激活和mTOR被抑制时，TFEB去磷酸化将其导入细胞核，在核内启动CLEAR基因网络200。CLEAR基因网络中的基因产物控制溶酶体的活性，这是自噬所必需的。

除了通过抑制mTORC1来控制TFEB外，AMPK激活TFEB依赖基因的表达还有另外两种机制。AMPK磷酸化FOXO 3可以抑制编码SKP 2的mRNA的表达，而SKP 2是SCF E3泛素连接酶复合物的一部分，它可以降解组蛋白去甲基化酶CARM 125。AMPK的激活增加了CARM 1的水平，CARM 1作为TFEB的辅助激活物，促进溶酶体基因的表达(图5)。最近，有报道称AMPK磷酸化诱导脂质酶ACSS2转移到细胞核，刺激TFEB依赖的基因表达204。ACSS2被认为可以调控核内乙酰辅酶A的局部合成，从而控制组蛋白和其他转录调控因子的乙酰化205（图5）。就像CARM1，组蛋白修饰可能选择性诱导TFEB依赖的基因表达。这是AMPK与饥饿条件下基因表达调控的交叉是一个非常有趣的发展领域。

结论和展望

在过去，AMPK被认为是线粒体内环境稳定的关键调控因子，从合成和动力学到线粒体自噬，调控线粒体生命周期的各个方面。线粒体是细胞内ATP生成的主要场所，AMPK作为一种低ATP感应器，维持ATP的稳态，调节下游信号通路来维持线粒体最佳状态。线粒体损伤或缺激活AMPK，包括呼吸链复合物抑制剂，如糖尿病药物二甲双胍，帕金森病致病性除草剂鱼藤酮，质子离子团，ATP合酶抑制剂和线粒体DNA耗竭或突变。因此，AMPK成为线粒体的保护者。在酵母206、秀丽隐杆线虫207-209和苍蝇210中，AMPK与线粒体之间构成了联系，这是AMPK古老保守的功能。

真核生物中，线粒体功能和线粒体产生ATP受损时，AMPK被激活。令人惊奇的是，没有多余的AMPK底物用于维持线粒体健康，因为线粒体完整性是细胞能量学的中心介质。但是，特定的AMPK复合物是否优先定位于线粒体或接近线粒体，对线粒体特定的应激做出反应，仍有待研究。在溶酶体中，AMPK的线粒体池如何与LKB1相互作用或相互联系56，这将是未来一个有趣的研究方向。线粒体和能量应激（如PINK1和TBK1）激活的AMPK、ULK1和其他激酶之间的相互作用和不同蛋白的磷酸化怎样促使的线粒体自噬和分裂和/或融合凋亡细胞仍需要进一步的研究177 211-213。有趣的是，最新的研究发现，免疫细胞功能和干细胞的多能性涉及线粒体动力学和线粒体的健康214-218。

最后，扩容线粒体AMPK底物库将有助于研究AMPK调控线粒体功能的新机制。鉴于二甲双胍是有效的AMPK激活剂，这些问题不仅对理解基本的生物学过程很重要，而且，为全世界超过1.5亿服用二甲双胍的人提供了依据。此外， AMPK的直接激活剂用于治疗癌症和代谢疾病（Box 1）的研究也显示了AMPK在生物学尤其是线粒体生物学中对代谢的重要性。二甲双胍和其他AMPK激活剂调节线粒体的健康是改善2型糖尿病的机制之一，也是运动和卡路里限制能改善健康和延长寿命的机制之一。

附加证明：

在一项研究中244，检测携带荧光报告基因pMitoTimer小鼠骨骼肌的氧化应激和线粒体自噬，结果表明，AMPK显性阴性可抑制急性运动诱导的ULK 1磷酸化、线粒体自噬和溶酶体合成。Ulk1的条件性缺失导致急性运动诱导的自噬丧失，但对溶酶体合成无影响，这提示AMPK在运动后恢复代谢的过程中具有广泛的作用，以及在运动后AMPK下游的ULK1在自噬中起着至关重要的作用。

▲ 图4：mTOR、AMPK和ULK 1调节自噬详解 ▲

绿色为ULK1介导的磷酸化过程，紫色为mTOR介导的磷酸化过程，红色为AMP活化蛋白激酶（AMPK）介导的磷酸化过程。虚线箭头表示AMPK所涉及的磷酸化过程，只是这些过程没有足够的文献证据，或者涉及的位点也不是AMPK的基本位点。AMPK激活后磷酸化TSC2和RAPTOR，导致mTOR复合物1 （mTORC1）表达下调（紫色复合物，由mTOR、RAPTOR、mLST8、DEPTOR和PRAS40组成（也称为AKT1S1）；没有全部显示）。AMPK至少磷酸化ULK 1四种丝氨酸，激活其活性。ULK1是ATG101、ATG13和FIP200复合物的一部分。所有这些蛋白都被证明是ULK1的靶点，而ATG13也被报道是AMPK和mTORC1的靶点。PI3K复合物I介导磷脂酰肌醇（PI）在自噬小泡的表面转化为磷脂酰肌醇-3-磷酸（PtdIns3P）(米黄色膜为吞噬细胞成分，包括线粒体)。PI3K复合物I（浅蓝组分）和辅助因子组分（深蓝组分）会被磷酸化。ATG9是位于自噬体膜的完整膜蛋白。箭头表示磷酸化激活或抑制了蛋白的功能。

▲ 图5: AMPK对自噬和溶酶体基因转录的调控作用 ▲

AMPK直接磷酸化FOXO 3，AMPK也同时磷酸化RAPTOR和上游调节因子TSC2，降低了mTOR复合物1 （mTORC1）（紫色复合体，由mTOR RAPTOR mLST8，DEPTOR和PRAS40组成；未全部显示）的活性。引起mTORC1 靶向蛋白FOXK1、FOXK2和转录因子EB（TFEB）的去磷酸化。因此，去磷酸化的FOXK 1和FOXK 2不再抑制FOXO 3的转录，从而使FOXO 3的下游自噬基因具有更高的转录水平。然而，TFEB的去磷酸化使其核易位并激活其靶基因，包括参与溶酶体生物合成的基因。此外，FOXO 3依赖基因的激活增加了CARM 1的蛋白表达水平，进一步增强了TFEB依赖基因的表达。AMPK磷酸化乙酰辅酶A羧化酶2 (ACC2)可促进其转运入核，增强了TFEB靶基因的表达。

Box 2

自噬

自噬是细胞利用一种特殊的机制来消化自身成分的过程。自噬过程首先是自噬体的产生和对需要清除成分的识别，然后是自噬体的成熟和与溶酶体的融合（见图）。这个词本身的意思是“自食”，由比利时科学家、诺贝尔奖得主克里斯蒂安·德·杜夫首创。自噬有两个主要功能：降解细胞结构，而这些结构对于泛素-蛋白酶体系统等其他监测系统来说太大了；回收氨基酸等可循环利用成分来维持细胞的基本功能，从而使细胞在饥饿状态下存活。自噬可以是细胞质成分的循环利用，也可以是大分子甚至细胞器的靶向清除。特别是，通过自噬清除线粒体的线粒体自噬，已经被证实需要规范的自噬机制以及受损线粒体表面特定的标记物来发出清除线粒体的信号。通过筛选酵母在氮饥饿过程中形成自噬体所需的基因，发现了自噬必需基因(ATGs)239 240。Yoshinori Ohsumi发现ATG基因于2016年获得诺贝尔生理学或医学奖。自20世纪90年代以来，对自噬的分子信号进行了大量研究，证明了ATG基因在控制自噬途径的各个步骤中的关键作用。首先被克隆的ATG基因ATG1编码一种自噬起始所需的蛋白激酶。它在哺乳动物中的同源基因ULK1也起着类似的作用。ULK1与ATG13、ATG101和FIP200形成复合物。自噬启动后，ULK1磷酸化并激活由VPS34、VPS15、ATG14L和Beclin1组成的III类PI3K复合体I。该复合物在新生的自噬体膜上生成磷脂酰肌醇- 3 -磷酸(PtdIns3P)，形成包含ATG9（唯一的跨膜ATG蛋白）的吞噬细胞膜。PtdIns3P通过与PtdIns3P结合蛋白WIPI2相互作用，将ATG16L1和ATG5-ATG12引入自噬体。然后，ATG16L1-ATG5-ATG12复合物催化磷脂酰乙醇胺部分与LC3的羧基端甘氨酸的共价连接，该连接之前在ATG4、ATG7和ATG3 (LC3I)的作用下被激活，生成LC3II1156。先前LC3II被视为自噬的标记物，用以可视化自噬体，并量化细胞中自噬243。LC3II结合自噬受体，如SQSTM1 NDP52 NBR1和OPTN243。随后，自噬体成熟并与溶酶体融合，这一过程是VPS34、VPS15、Beclin1和UVRAG156组成的III类PI3K复合物II介导，通过溶酶体酶体降解需要清除的成分。

END

参考文献（向上滑动翻阅 ）：文献太多，放另外一篇了

Acknowledgements

S.H. is supported by an Advanced PostDoc.Mobility fellowship of the Swiss National Science Foundation. R.J.S. holds the William R. Brody Chair. The work from the authors’ laboratory described in this Review was supported by grants from the US National Institutes of Health (R01DK080425 R01CA172229 P01CA120964) and The Leona M. and Harry B. Helmsley Charitable Trust (grant #2012-PGMED002).

Author contributions

S.H. and R.J.S. researched data for the article contributed to discussion of the content wrote the article and reviewed and/or edited the manuscript before submission.

Competing interests statement

The authors declare no competing interests.

Publisher’s note

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