Cell Res封面丨 林圣彩团队全景式展示AMPK时空调控图谱

撰文、责编 | 酶美

Cell Research杂志2019年第六期封面。图片中“夏虫不言冰，井蛙不语海”引自《庄子·秋水》中的“井蛙不可以语于海者,拘于虚也（空间，space）;夏虫不可以语于冰者,笃于时也（时间，time）”。

AMPK（AMP-activated protein kinase）是细胞能量代谢稳态平衡的调控中心：细胞饥饿时，AMPK被激活并调控下游能量代谢通路，应对环境胁迫。AMPK一直是治疗包括肥胖、II型糖尿病和癌症等代谢失调相关疾病的一个重要靶点。AMPK自身活性调控非常之复杂而精密。AMPK由三个亚基组成，α 亚基具有催化活性，其第172位的Thr苏氨酸磷酸化是调控酶催化活性的靶点，而β和γ亚基是调节亚基。该位点的磷酸化主要受上游LKB1（liver kinase 1b）和CAMKK2（Ca2+/calmodulin dependent protein kinase kinase 2）调控【1】。细胞能量水平降低，AMP/ATP、ADP/ATP比率升高可促进AMPK的磷酸化，并抑制磷酸酶的活性【2】。CAMKK2感受细胞内钙离子浓度的变化，形成一条非经典不受AMP依赖的激活通路。除此之外，葡萄糖缺乏可激活AMPK。以往观点认为在此情况下，AMP、ADP水平升高从而激活AMPK。

厦门大学林圣彩教授研究组近年来的工作鉴定解析了一条全新的独立于AMP/ADP水平的AMPK感应机体葡萄糖水平的通路【3，4】。他们研究发现，在葡萄糖缺乏状况下，AMPK和LKB1通过AXIN蛋白结合到溶酶体膜上v-ATPase复合物和Ragulator所在区域，在此AMPK被LKB1激活【3】。他们进一步的研究揭示了：1，6二磷酸果糖（FBP）是糖代谢中间产物。葡萄糖匮乏情况下，FBP水平降低，FBP醛缩酶被解除抑制，醛缩酶促进v-ATPase, Ragulator和AMPK-AXIN-LKB1之间的动态组合，激活了AMPK通路，来调控细胞代谢（下图）【3，4】。

图片引自Lin, S. C., & Hardie, D. G. (2018). AMPK: sensing glucose as well as cellular energy status. Cell metabolism, 27(2), 299-313.

AMPK通路下游底物蛋白也十分多样化，目前已知有近60个下游底物可受AMPK调控。AMPK可磷酸化激活胞质中的乙酰辅酶A羧化酶（ACC1）来抑制脂肪酸合成；同时AMPK调控线粒体中ACC2来促进脂肪酸的氧化分解【5，6】。AMPK直接激活负责自噬起始ULK1和Beclin-1蛋白【7，8】；并通过调控mTORC1通路上游关键蛋白的活性，从而激活自噬通路【9，10】。同时，AMPK响应葡萄糖水平降低，在溶酶体膜上组成超级复合物，促进了mTORC1和Ragulator、v-ATPase的解离，同样激活自噬通路。AMPK还可直接调控线粒体分裂蛋白MFF，促进线粒体自噬【11】。此外，AMPK还被发现位于核内，直接作用于TET2【12】。AMPK如何在细胞水平上整合繁杂的上下游通路，是AMPK研究领域的一个未解之谜。AMPK在溶酶体膜上、胞质溶胶、线粒体以及细胞核内都有存在，这些不同胞内区域存在的AMPK如何协同调节，是否有不同下游调控基因也尚未可知。

近期，Cell Research以封面论文形式在线发表了林圣彩教授课题组的文章：“Hierarchical activation of compartmentalized pools of AMPK depends on severity of nutrient or energy stress”。本文报道了不同程度的能量缺乏可逐级激活胞内不同区域的AMPK，从而激活不同的下游基因，首次展示了不同时空AMPK激活的全景图，对于深入多层次了解AMPK的激活状态具有重要意义。Cell Research同时配发了AMPK领域的权威专家David Carling教授撰写了题为AMPK hierarchy: a matter of space and time的评论文章，高度评价了上述工作。

在这项研究中，研究人员检测了不同细胞质组份的AMPK响应能量缺乏的情况。为此，他们制备了胞质、溶酶体、线粒体和细胞核等细胞组份，检测了AMPK蛋白第172位Thr磷酸化的情况（下图）。在葡萄糖浓度低于5mM情况下，AMP/ATP比率尚未有变化，他们就发现溶酶体组份的AMPK最先被磷酸化。溶酶体组份AMPK的激活依赖于AXIN1，AXIN2也具有相似功能。下游底物ACC1也在此条件下首先被活化。

不同区域AMPK在能量递减情况下被逐级激活而磷酸化。

在葡萄糖水平持续降低时，AMP浓度上升至30 to 60 μM之间时，溶酶体和胞质组分的AMPK蛋白被磷酸化；此时仍然只有下游底物ACC1被活化来调控脂肪酸代谢（下图）。他们还发现胞质中，AXIN蛋白同样介导了LKB1和AMPK的结合。

图片引自：Carling, D. (2019). AMPK hierarchy: a matter of space and time. Cell research, 1.

最后在严重能量匮乏时（葡萄糖+谷氨酸同时缺乏），AMP浓度可升至100 μM，此时线粒体上的AMPK被最终激活（上图）。三种组分的AMPK同时激活，下游底物ACC1和线粒体上的ACC2、MFF均被活化。作者发现AMPK在线粒体上的激活不依赖于AXIN蛋白。在本文研究中，细胞核组分的AMPK不响应以上任何葡萄糖和能量水平的改变，展示了AMPK调控的复杂性。

最后，作者通过改变AMPK亚基的细胞定位，进一步检验了AMPK在不同区域的激活可影响不同底物的活化。研究发现，当AMPK只定位于溶酶体上，胞质中的ACC1可被磷酸化。在线粒体定位和胞质定位的AMPK细胞中，ACC1和线粒体上的ACC2均可被磷酸化。

本文作者通过一系列精巧的实验向我们展示了在能量水平逐步降低中，不同胞质组份AMPK被激活和多种下游底物次第活化情况。这项研究将之前分散在细胞各处AMPK调控情况统一成了一幅整体的AMPK协调细胞能量代谢的画卷（上图）。AMPK模块化的分布和逐级响应有利于细胞有效利用有限的资源，灵活迅速地应答多变的外部环境变化。

原文链接：

https://doi.org/10.1038/s41422-019-0163-6（原文）；

https://www.nature.com/articles/s41422-019-0171-6（点评）

制版人：半夏

参考文献

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12. Wu, D. et al. Glucose-regulated phosphorylation of TET2 by AMPK reveals a pathway linking diabetes to cancer. Nature 559, 637–641 (2018).

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