引用本文： 雷佳慧, 祝賀, 肖亞麗, 李怡, 趙麗敏. AMPK在支氣管哮喘中的作用及其研究進展. 中國呼吸與危重監護雜志, 2022, 21(12): 893-898. doi: 10.7507/1671-6205.202205041 復制
支氣管哮喘（簡稱哮喘）是一種呼吸系統常見的慢性氣道炎癥性疾病，全球有1%～18%的人口深受影響，已成為威脅健康的重大慢病之一。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是維持細胞能量穩態的關鍵絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過磷酸化其下游多個靶蛋白而發揮抑制核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）活性，從而阻斷炎癥反應的進程，在哮喘等炎癥性疾病中發揮重要作用[1]。本文從AMPK結構特點、活性調節、經典信號通路及臨床應用等方面綜述其在哮喘中的作用。
1 AMPK的生物學特征
1.1 AMPK的結構特點
AMPK是在真核生物中廣泛存在的一種異源三聚體，由一個催化亞基α和兩個調節亞基β、γ構成。在人類中，三個亞基的分子質量存在差異，α亞基分子質量為63 kD，β亞基分子質量為30 kD，而γ亞基分子質量為37 kD～63 kD。另外，α亞基和β亞基各有兩種亞型（α1、α2和β1、β2），而γ亞基有三種亞型（γ1、γ2和γ3）[2]。不同亞單位亞型的組合產生12種不同的AMPK亞型，它們在人體內差異表達和調節，可能具有不同的生化特性、亞細胞定位、刺激和反應，但相關研究有限[3]。α亞單位的N末端主要包括典型的絲/蘇氨酸激酶結構域的催化區域和自身抑制結構域，C末端則主要與β亞基相互作用，兩端通過稱為“α-連接子”的腺嘌呤核苷酸傳感器片段連接[4]。β亞基有肉豆蔻酰化的非結構化N-末端，可被肉豆蔻酰化，從而參與AMPK向線粒體的募集和吞噬的調節。此外結構中還含有一個碳水化合物結合模塊，允許AMPK與糖原的結合，從而抑制AMPK的活性。β亞基的羧基末端結構域與α和γ亞基相互作用，充當支架蛋白[5]。γ亞基由不同長度和未知功能的N-末端組成，然后是一個腺嘌呤核苷酸結合域，包含四個胱硫醚β合成酶（cystathionine β synthase，CBS）序列的結合位點，從而使AMPK能夠對單磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）與腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）比值的變化作出反應，從而充當直接的能量傳感器[2]。
1.2 AMPK的活性調節
AMPK激活的調節是維持細胞內穩態的核心。AMPK的活性除了通過AMP與ATP比值的調節外，還由上游激酶高度激活，主要包括核苷酸依賴性途徑中的肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）和核苷酸非依賴性途徑中的鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶2（calcium/calmodulin dependent protein kinase kinase 2，CAMKK2）[6]。另外研究顯示，轉化生長因子活化激酶1（TGFβ-activated kinase 1，TAK1）也可以作為AMPK激酶[7]。AMPK，與其他蛋白激酶一樣，也可以自我調節自身的酶活性。為了避免持續激活，AMPK活性被蛋白磷酸酶抑制，包括蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）、蛋白磷酸酶2C-α（protein phosphatase 2C-α，PP2C-α）和蛋白磷酸酶Mg2+/Mn2+依賴性1E（protein phosphatase Mg2+/Mn2+dependent 1E，Ppm1E），它們使蘇氨酸（threonine，Thr）172位點去磷酸化[8]。
通常情況下細胞內AMP的濃度很低，各種因素導致ADP/ATP比值升高時，腺苷酸激酶的可逆反應導致AMP的濃度大量增加。當AMP和ADP的濃度相對于ATP而言增加時，結合γ亞基，進而AMPK就會被激活[9]。AMP結合到γ亞基導致AMPK復合物直接被變構激活外，還會抑制AMPK的Thr172的去磷酸化[10]。另外，ATP濃度升高時，會抑制AMP對AMPK的活化。
LKB1是在能量缺乏、低ATP水平和線粒體功能紊亂的情況下激活AMPK和AMPK相關激酶的主要激酶[11]。LKB1復合物是一種主要的上游激酶，它直接磷酸化α亞基的Thr172而激活AMPK。失活后的LKB1仍局限于細胞核，在低能條件下，其細胞質易位，與STRAD（STE20 related adaptor protein）和MO25（Mouse protein 25）蛋白形成異源三聚體復合物，誘導AMPK的磷酸化激活[12]。CAMKK2與LKB1相同，也是直接磷酸化α亞基的Thr172，但作用方式不同，CAMKK2不依賴于AMP的濃度，而是通過細胞內鈣離子濃度的升高而啟動。在缺乏LKB1或能量不足的細胞中，CAMKK2能直接感受細胞內鈣離子濃度而激活，激活后的CAMKK2可磷酸化激活AMPK。另外，CAMKK2介導的AMPK激活不需要調節性γ亞單位，與AMP與ATP比值的失衡無關[13]。與LKB1和CAMKK2一樣，TAK1與TAK1結合蛋白TAB1/2/3形成異源三聚體復合物，也可激活AMPK。TAK1的激活由白細胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、Toll樣受體（Toll-like receptors，TLR）和B細胞抗原受體（B-cell receptor，BCR）介導[14]。在溶酶體完整性的特定環境中，TAK1可以作為直接AMPK上游激酶發揮作用[15]，仍需要進一步的研究來確定TAK1在T172磷酸化和激活AMPKα的復雜信號。
另外，已知一些外源小分子藥物可作為AMPK的激動劑。二甲雙胍、α-硫辛酸、白藜蘆醇、小檗堿、苯并咪唑類化合物等，通過影響AMP與ATP比值或者AMPK亞基而發揮激動劑的作用。
2 AMPK的經典信號通路
AMPK通過對下游靶點的作用，參與機體內的蛋白質代謝、脂肪代謝和糖代謝等，從而控制自噬、增殖、遷移、凋亡和轉錄等過程。除了調控下游的蛋白之外，還參與許多轉錄因子和共激活因子的激活。
2.1 AMPK-ACC-CPT1軸
AMPK通過調節下游乙酰輔酶A羧化酶（acetyl CoA carboxylase，ACC）和肉堿棕櫚酰轉移酶1（carnitine palmitoyl transferase 1，CPT1）途徑在控制脂質代謝中發揮中心作用。ACC作為脂肪酸合成的限速酶，在細胞內主要受AMPK磷酸化調控，磷酸化的AMPK可以直接使ACC的Ser79磷酸化而失活[16]。丙二酰輔酶A是從頭合成脂肪酸的主要組成部分，ACC參與丙二酰輔酶A的生成，同時也是CPT1的變構抑制劑。CPT1是長鏈脂肪酰輔酶A轉移到線粒體進行β氧化的限速酶，可被未磷酸化的ACC抑制。研究顯示，在細胞中隨著p-AMPK的磷酸化增加，CPT1的表達增加，ACC的表達減少，促進線粒體β氧化參與脂質代謝[17]。Liu 等[18]發現法尼醇X受體（Farnesoid X receptor，FXR）及其下游小異二聚體伴侶（small heterodimer partner，SHP）的激活可能會誘導AMPK-ACC-CPT1-α信號通路，從而促進脂肪酸氧化，最終達到降脂作用。AMPK通過對下游靶點ACC磷酸化的調控，參與CPT1等級聯生化反應，從而調節體內的脂肪代謝，是針對肥胖治療的信號通路之一。
2.2 AMPK-SIRT1軸
沉默信息調節因子1（silent information regulator 1，SIRT1）是一種NAD+依賴性蛋白去乙酰化酶，通過細胞內信號因子的去乙酰化，在細胞凋亡、代謝和分化等生理和病理過程中發揮重要作用。磷酸化AMPK可以正向調節SIRT1的活性，激活的SIRT1調節自噬空泡的形成[19]。AMPK- SIRT1介導的自噬途徑與神經疾病的認知損害、心肌缺血、肺損傷等疾病有關[20-21]。另外，活化的AMPK/SIRT1通路可以增強氧化應激調節因子—核因子E2相關因子2（nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2）的活性，從而調節生物體的抗氧化和抗炎作用[22]。
2.3 AMPK-mTOR軸
哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是調節細胞生長的一種絲氨酸蘇氨酸激酶，是AMPK的重要下游信號分子，也是細胞生長和增殖的中央調節器，可形成兩種不同的復合物，即mTORC1和mTORC2，其中mTORC1被認為是自噬的主要調節因子[23]。研究顯示，AMPK-mTOR典型信號通路參與對細胞能量生成不足的反應，導致自噬的發生，從而在眾多疾病中發揮重要作用[24]。AMPK激活后抑制mTOR的活性，是細胞中合成代謝和分解代謝過程的重要信號通路，在調節細胞增殖、分化和遷移中起核心作用[25]。Xu 等[26]發現AMPK激活和（或）下游mTOR抑制參與炎癥緩解和巨噬細胞向M2表型的極化，從而保護腦缺血再灌注損傷。另外，AMPK還可通過mTOR途徑介導內質網應激，可能機制為：AMPK的磷酸化抑制mTOR活性，導致蛋白質合成減弱，減少未折疊蛋白質的積累，從而減弱內質網應激[27]。其他研究發現通過激活AMPK/mTOR信號導致細胞生長相關蛋白和糖酵解相關酶水平降低，從而在糖酵解和蛋白質合成中起著關鍵作用[28]。此外，AMPK-mTOR信號通路的激活減弱CD4+T細胞浸潤滑膜組織，并降低細胞因子IFN-γ的產生和編碼炎癥相關分子基因的表達[29]。綜上所述，AMPK-mTOR參與機體自噬、炎癥、內質網應激、細胞增殖、糖酵解和蛋白質合成等多種生理過程，有望成為治療疾病的干預靶點。
2.4 AMPK- PGC 1α軸
過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）是共激活因子家族中成員之一，是調節線粒體功能的重要蛋白質，在維持葡萄糖、脂質和能量平衡方面起著關鍵作用。AMPK可使PGC-1α的32位點磷酸化，還可以通過激活SIRT1和轉錄因子EB（transcription factor EB，TFEB）間接激活PGC-1α，誘導線粒體生物發生和抑制線粒體分裂[30]。此外，AMPK-PGC1α信號通路與抑制糖酵解、促進氧化磷酸化和脂肪酸合成密切相關。Liu等[31]通過建立急性心臟毒性模型，發現激活AMPK和上調PGC-1α及其下游信號可抑制線粒體功能障礙和形態異常，細胞凋亡和氧化應激，從而對心臟功能起到保護作用。Rahman等[32]研究發現激活AMPK-PGC1α途徑可阻止脂肪酸合成、增加脂肪酸氧化和線粒體生物發生，從而發揮減肥作用。因此，我們推測AMPK-PGC1α軸主要通過影響線粒體的生理功能，從而在疾病的發生和發展中發揮重要作用。
2.5 AMPK-SREBP 1c軸
固醇調節元件結合蛋白1c（sterol regulatory element-binding protein-1c，SREBP-1c）主要在肝臟、脂肪組織以及肌肉組織中表達，由于其參與肝臟脂肪酸合成基因的轉錄調節，從而調控脂肪生成。AMPK是SREBP-1c的上游，可以直接磷酸化SREBP-1c，抑制其清除和核轉位[33]。增強Thr172處AMPK的磷酸化，可減弱SREBP-1c及其靶基因的表達，改善肝臟的脂肪變性，當SREBP-1c升高時，會導致胰島素抵抗相關的肝臟脂肪變性和高脂血癥[34]。此信號通路主要介導脂肪代謝，從而參與肝臟脂肪變性、高脂血癥、肥胖等疾病發生發展，為治療這些疾病提供了靶點。
3 AMPK與哮喘
3.1 AMPK與氣道炎癥
哮喘是一種異質性疾病，其氣道炎癥的機制是復雜的。除了輔助型T細胞2（T helper 2 cell，Th2）介導的適應性免疫反應，還涉及機體的固有免疫，兩者相輔相承，共同促進氣道炎癥的發生。AMPK通過介導免疫反應，參與哮喘氣道炎癥的發生。
3.1.1 AMPK與Th2細胞介導的適應性免疫反應
Th2細胞介導的適應性免疫反應，其分泌的2型細胞因子[白細胞介素-4（interleukin 4，IL-4）、白細胞介素-5（interleukin 5，IL-5）、白細胞介素-13（interleukin 13，IL-13）]在哮喘的發病機制中具有重要作用。Ma 等[35]用卵清蛋白對小鼠誘導過敏性哮喘，激活AMPK可減少嗜酸性粒細胞和中性粒細胞的浸潤，以及IL-4、IL-5、IL-13、TNF-α和免疫球蛋白E（immunoglobulin E，IgE）的產生。同樣，Zhu 等[36]研究顯示姜油酮通過激活AMPK可以減少哮喘模型肺泡灌洗液上清液中嗜酸性粒細胞的產生以及Th2細胞分泌的IL-4、IL-5和IL-13的釋放。Luan等[37]發現紅景天苷高劑量組可顯著降低IL-4、IL-5和IL-13，同時AMPK的磷酸化水平顯著升高，考慮通過增加AMPK磷酸化來抑制支氣管高反應性和減輕氣管炎癥。其他研究顯示，紫檀通過調節AMPK/ SIRT1信號通路，降低哮喘模型小鼠的IL-4、IL-13、IL-5和IgE水平，從而減輕氧化應激和過敏性氣道炎癥[38]。因此，激活AMPK可減少Th2細胞因子的水平，同時增強抗炎細胞因子白細胞介素-10（interleukin 10，IL-10）的表達，進而改善氣道炎癥反應。白細胞介素-33（interleukin 33，IL-33）可促進Th2細胞分泌Th2相關細胞因子和趨化Th2細胞，在炎癥中發揮重要作用。Caslin 等[39]研究發現激活AMPK可以抑制IL-33誘導的細胞因子產生，從而減弱哮喘的氣道炎癥。另外，亞油酸及其氧化產物可能有助于哮喘患者的Th2細胞因子分化，通過增強炎癥反應影響哮喘，AMPK通路的激活可以改善相關脂肪酸代謝紊亂，部分緩解哮喘小鼠的氣道炎癥[40]。綜上所述，在哮喘中，AMPK磷酸化水平減低，通過下游靶點或者炎癥因子直接或間接在Th2細胞介導的適應性免疫反應中發揮作用，從而參與氣道炎癥。
3.1.2 AMPK與固有免疫
固有免疫是機體的天然免疫防御功能，主要參與急性炎癥反應并可激活適應性免疫反應。固有免疫細胞包括巨噬細胞、上皮細胞、內皮細胞、樹突狀細胞、成纖維細胞等。AMPK的抗炎功效可能與巨噬細胞向抗炎表型的極化增加有關。Tsai等[41]在不同時間點用白細胞介素-25（interleukin 25，IL-25）預處理人單核細胞系，發現IL-25可誘導ROS產生，增加線粒體呼吸鏈復合物活性，隨后激活AMPK并誘導線粒體自噬以刺激單核細胞中的M2巨噬細胞極化。相關研究顯示，AMPK的缺失有利于促炎癥狀態，AMPK的體外激活可減少肺泡巨噬細胞細胞因子的產生，從而減輕氣道炎癥。此外，研究發現五虎湯可通過增強依賴AMPK信號通路的肺組織樹突狀細胞（dendritic cells，dCs）自噬來改善哮喘氣道炎癥[42]。目前關于AMPK在固有免疫中研究較少，具體參與固有免疫反應的機制尚不清楚，有待進一步研究。
3.2 AMPK與氣道重塑
氣道重塑是哮喘反復發作和不完全可逆性氣流受限的主要原因，也是難治性哮喘的主要病理基礎之一。氣道重塑包括上皮的損傷、黏液腺體的增生、基底膜增厚、血管再生及氣道平滑肌細胞（airway smooth muscle cells，ASMCs）的增殖與遷移。研究顯示轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、基質金屬蛋白酶9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）和血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是促進哮喘結構變化的關鍵介質。此外，越來越多的研究證明自噬在氣道重塑中發揮重要作用，AMPK通過影響介質的活性和自噬從而參與氣道重塑的病理過程。
3.2.1 AMPK與氣道平滑肌細胞增殖
氣道平滑肌細胞（airway smooth muscle cells，ASMCs）是參與氣道平滑肌（airway smooth muscle，ASM）重塑的主要結構細胞，是哮喘等慢性呼吸道疾病干預的靶細胞。研究顯示，信號轉導和轉錄活化因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）激活有助于血管和支氣管平滑肌細胞的增殖和遷移。Pan等[43]在動物實驗中發現，AMPK的激活通過抑制MiR-206/HDAC4/cyclin D1信號通路減弱TGF-β1誘導的ASMCs增殖，該團隊后續研究還發現，1-磷酸鞘氨醇（sphingosine-1-phosphate，S1P）通過刺激S1PR2/STAT3/PLK1/ID2軸促進ASMCs增殖，而AMPK的激活則通過靶向STAT3信號通路來抑制ASMCs增殖。Wei等[44]用氯硝柳胺乙醇胺處理人支氣管平滑肌細胞，發現抑制ASMCs增殖和遷移，與激活AMPK和STAT3活性有關。除了通過STAT3通路外，AMPK也可通過其他信號途徑參與ASMCs增殖。Liu等[45]研究表明AMPK的激活，特別是AMPKα2，負調節mTOR活性以抑制ASMCs增殖，因此減弱氣道重塑。二甲雙胍作為AMPK激動劑在氣道平滑肌細胞增殖發揮一定作用。二甲雙胍可激活AMPK而減弱支氣管周圍纖維化區域和平滑肌層厚度，降低氣道重塑。因此，AMPK在ASMCs增殖發揮重要作用，其激動劑有望成為延緩哮喘氣道重塑的有效藥物。
3.2.2 AMPK與其他細胞增殖
Ma 等[35]發現在哮喘小鼠血漿中的非Th2細胞因子（VEGF、SDF-1和CXCR4）水平升高，激活AMPK導致血管生成相關因子顯著降低，包括VEGF和MMP-9，從而減輕哮喘患者的新生血管的形成。另外，Jiang 等[46]研究發現Sigma-1受體（sigma-1 receptor，Sig-1R）可抑制支氣管灌洗液中IL-4、IL-5和IL-13的水平和TGF-β1誘導的支氣管上皮細胞增殖、遷移和上皮–間質轉化過程，在哮喘模型肺組織中Sig-1R的表達減少，抑制AMPK能逆轉Sig-1R對氣道重塑影響，因此推測，AMPK通過對Sig-1R的影響參與支氣管上皮細胞增殖、遷移和上皮–間質轉化過程。AMPK-mTOR信號通路是導致自噬發生的典型信號通路之一。研究表明，TGF-β1誘導的自噬對人氣道平滑肌細胞中膠原和黏連蛋白的產生至關重要，在小鼠模型中抑制自噬已被證明可以減輕氣道炎癥，降低TGF-β1的濃度，并隨后導致氣道重塑的減弱[47]。在此基礎上，我們考慮激活AMPK可能調節自噬而參與氣道重塑。總之，AMPK通過多種機制參與氣道重塑的發生，尋求有效關鍵的靶點是未來研究的方向。
4 結語
AMPK在哮喘的發生和發展中發揮重要作用，參與調控哮喘的氣道炎癥與氣道重塑。AMPK通過影響Th2細胞介導的適應性免疫反應及巨噬細胞等的固有免疫在氣道炎癥中發揮調節作用。同時，調控ASMCs增殖和自噬參與氣道重塑的進展。雖然目前針對AMPK途徑的研究是熱點，但同時也是難點，很多機制仍不明確，例如：激活AMPK在氣道重塑中調控ASMCs的具體機制如何？對肥大細胞的影響尚不清楚；AMPK在哮喘中的代謝機制為何等。
由于AMPK自身的結構以及其參與機體內的蛋白質代謝、脂肪代謝和糖代謝等廣泛作用，影響AMPK在疾病中的特異性，從而增加了針對AMPK靶向藥物的難度。但激活AMPK，無論在早期的炎癥反應，還是后續的結構變化均起到保護作用。因此，以AMPK為核心，尋求有效的激活劑可能為哮喘防治提供新的治療思路。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。
支氣管哮喘（簡稱哮喘）是一種呼吸系統常見的慢性氣道炎癥性疾病，全球有1%～18%的人口深受影響，已成為威脅健康的重大慢病之一。腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）是維持細胞能量穩態的關鍵絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，通過磷酸化其下游多個靶蛋白而發揮抑制核因子κB（nuclear factor kappa-B，NF-κB）活性，從而阻斷炎癥反應的進程，在哮喘等炎癥性疾病中發揮重要作用[1]。本文從AMPK結構特點、活性調節、經典信號通路及臨床應用等方面綜述其在哮喘中的作用。
1 AMPK的生物學特征
1.1 AMPK的結構特點
AMPK是在真核生物中廣泛存在的一種異源三聚體，由一個催化亞基α和兩個調節亞基β、γ構成。在人類中，三個亞基的分子質量存在差異，α亞基分子質量為63 kD，β亞基分子質量為30 kD，而γ亞基分子質量為37 kD～63 kD。另外，α亞基和β亞基各有兩種亞型（α1、α2和β1、β2），而γ亞基有三種亞型（γ1、γ2和γ3）[2]。不同亞單位亞型的組合產生12種不同的AMPK亞型，它們在人體內差異表達和調節，可能具有不同的生化特性、亞細胞定位、刺激和反應，但相關研究有限[3]。α亞單位的N末端主要包括典型的絲/蘇氨酸激酶結構域的催化區域和自身抑制結構域，C末端則主要與β亞基相互作用，兩端通過稱為“α-連接子”的腺嘌呤核苷酸傳感器片段連接[4]。β亞基有肉豆蔻酰化的非結構化N-末端，可被肉豆蔻酰化，從而參與AMPK向線粒體的募集和吞噬的調節。此外結構中還含有一個碳水化合物結合模塊，允許AMPK與糖原的結合，從而抑制AMPK的活性。β亞基的羧基末端結構域與α和γ亞基相互作用，充當支架蛋白[5]。γ亞基由不同長度和未知功能的N-末端組成，然后是一個腺嘌呤核苷酸結合域，包含四個胱硫醚β合成酶（cystathionine β synthase，CBS）序列的結合位點，從而使AMPK能夠對單磷酸腺苷（adenosine monophosphate，AMP）與腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）比值的變化作出反應，從而充當直接的能量傳感器[2]。
1.2 AMPK的活性調節
AMPK激活的調節是維持細胞內穩態的核心。AMPK的活性除了通過AMP與ATP比值的調節外，還由上游激酶高度激活，主要包括核苷酸依賴性途徑中的肝激酶B1（liver kinase B1，LKB1）和核苷酸非依賴性途徑中的鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶激酶2（calcium/calmodulin dependent protein kinase kinase 2，CAMKK2）[6]。另外研究顯示，轉化生長因子活化激酶1（TGFβ-activated kinase 1，TAK1）也可以作為AMPK激酶[7]。AMPK，與其他蛋白激酶一樣，也可以自我調節自身的酶活性。為了避免持續激活，AMPK活性被蛋白磷酸酶抑制，包括蛋白磷酸酶2A（protein phosphatase 2A，PP2A）、蛋白磷酸酶2C-α（protein phosphatase 2C-α，PP2C-α）和蛋白磷酸酶Mg2+/Mn2+依賴性1E（protein phosphatase Mg2+/Mn2+dependent 1E，Ppm1E），它們使蘇氨酸（threonine，Thr）172位點去磷酸化[8]。
通常情況下細胞內AMP的濃度很低，各種因素導致ADP/ATP比值升高時，腺苷酸激酶的可逆反應導致AMP的濃度大量增加。當AMP和ADP的濃度相對于ATP而言增加時，結合γ亞基，進而AMPK就會被激活[9]。AMP結合到γ亞基導致AMPK復合物直接被變構激活外，還會抑制AMPK的Thr172的去磷酸化[10]。另外，ATP濃度升高時，會抑制AMP對AMPK的活化。
LKB1是在能量缺乏、低ATP水平和線粒體功能紊亂的情況下激活AMPK和AMPK相關激酶的主要激酶[11]。LKB1復合物是一種主要的上游激酶，它直接磷酸化α亞基的Thr172而激活AMPK。失活后的LKB1仍局限于細胞核，在低能條件下，其細胞質易位，與STRAD（STE20 related adaptor protein）和MO25（Mouse protein 25）蛋白形成異源三聚體復合物，誘導AMPK的磷酸化激活[12]。CAMKK2與LKB1相同，也是直接磷酸化α亞基的Thr172，但作用方式不同，CAMKK2不依賴于AMP的濃度，而是通過細胞內鈣離子濃度的升高而啟動。在缺乏LKB1或能量不足的細胞中，CAMKK2能直接感受細胞內鈣離子濃度而激活，激活后的CAMKK2可磷酸化激活AMPK。另外，CAMKK2介導的AMPK激活不需要調節性γ亞單位，與AMP與ATP比值的失衡無關[13]。與LKB1和CAMKK2一樣，TAK1與TAK1結合蛋白TAB1/2/3形成異源三聚體復合物，也可激活AMPK。TAK1的激活由白細胞介素-1（interleukin-1，IL-1）、轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、腫瘤壞死因子α（tumor necrosis factor α，TNF-α）、Toll樣受體（Toll-like receptors，TLR）和B細胞抗原受體（B-cell receptor，BCR）介導[14]。在溶酶體完整性的特定環境中，TAK1可以作為直接AMPK上游激酶發揮作用[15]，仍需要進一步的研究來確定TAK1在T172磷酸化和激活AMPKα的復雜信號。
另外，已知一些外源小分子藥物可作為AMPK的激動劑。二甲雙胍、α-硫辛酸、白藜蘆醇、小檗堿、苯并咪唑類化合物等，通過影響AMP與ATP比值或者AMPK亞基而發揮激動劑的作用。
2 AMPK的經典信號通路
AMPK通過對下游靶點的作用，參與機體內的蛋白質代謝、脂肪代謝和糖代謝等，從而控制自噬、增殖、遷移、凋亡和轉錄等過程。除了調控下游的蛋白之外，還參與許多轉錄因子和共激活因子的激活。
2.1 AMPK-ACC-CPT1軸
AMPK通過調節下游乙酰輔酶A羧化酶（acetyl CoA carboxylase，ACC）和肉堿棕櫚酰轉移酶1（carnitine palmitoyl transferase 1，CPT1）途徑在控制脂質代謝中發揮中心作用。ACC作為脂肪酸合成的限速酶，在細胞內主要受AMPK磷酸化調控，磷酸化的AMPK可以直接使ACC的Ser79磷酸化而失活[16]。丙二酰輔酶A是從頭合成脂肪酸的主要組成部分，ACC參與丙二酰輔酶A的生成，同時也是CPT1的變構抑制劑。CPT1是長鏈脂肪酰輔酶A轉移到線粒體進行β氧化的限速酶，可被未磷酸化的ACC抑制。研究顯示，在細胞中隨著p-AMPK的磷酸化增加，CPT1的表達增加，ACC的表達減少，促進線粒體β氧化參與脂質代謝[17]。Liu 等[18]發現法尼醇X受體（Farnesoid X receptor，FXR）及其下游小異二聚體伴侶（small heterodimer partner，SHP）的激活可能會誘導AMPK-ACC-CPT1-α信號通路，從而促進脂肪酸氧化，最終達到降脂作用。AMPK通過對下游靶點ACC磷酸化的調控，參與CPT1等級聯生化反應，從而調節體內的脂肪代謝，是針對肥胖治療的信號通路之一。
2.2 AMPK-SIRT1軸
沉默信息調節因子1（silent information regulator 1，SIRT1）是一種NAD+依賴性蛋白去乙酰化酶，通過細胞內信號因子的去乙酰化，在細胞凋亡、代謝和分化等生理和病理過程中發揮重要作用。磷酸化AMPK可以正向調節SIRT1的活性，激活的SIRT1調節自噬空泡的形成[19]。AMPK- SIRT1介導的自噬途徑與神經疾病的認知損害、心肌缺血、肺損傷等疾病有關[20-21]。另外，活化的AMPK/SIRT1通路可以增強氧化應激調節因子—核因子E2相關因子2（nuclear factor E2-related factor 2，Nrf2）的活性，從而調節生物體的抗氧化和抗炎作用[22]。
2.3 AMPK-mTOR軸
哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycin，mTOR）是調節細胞生長的一種絲氨酸蘇氨酸激酶，是AMPK的重要下游信號分子，也是細胞生長和增殖的中央調節器，可形成兩種不同的復合物，即mTORC1和mTORC2，其中mTORC1被認為是自噬的主要調節因子[23]。研究顯示，AMPK-mTOR典型信號通路參與對細胞能量生成不足的反應，導致自噬的發生，從而在眾多疾病中發揮重要作用[24]。AMPK激活后抑制mTOR的活性，是細胞中合成代謝和分解代謝過程的重要信號通路，在調節細胞增殖、分化和遷移中起核心作用[25]。Xu 等[26]發現AMPK激活和（或）下游mTOR抑制參與炎癥緩解和巨噬細胞向M2表型的極化，從而保護腦缺血再灌注損傷。另外，AMPK還可通過mTOR途徑介導內質網應激，可能機制為：AMPK的磷酸化抑制mTOR活性，導致蛋白質合成減弱，減少未折疊蛋白質的積累，從而減弱內質網應激[27]。其他研究發現通過激活AMPK/mTOR信號導致細胞生長相關蛋白和糖酵解相關酶水平降低，從而在糖酵解和蛋白質合成中起著關鍵作用[28]。此外，AMPK-mTOR信號通路的激活減弱CD4+T細胞浸潤滑膜組織，并降低細胞因子IFN-γ的產生和編碼炎癥相關分子基因的表達[29]。綜上所述，AMPK-mTOR參與機體自噬、炎癥、內質網應激、細胞增殖、糖酵解和蛋白質合成等多種生理過程，有望成為治療疾病的干預靶點。
2.4 AMPK- PGC 1α軸
過氧化物酶體增殖物激活受體γ輔激活因子1α（peroxisome proliferator-activated receptor γ coactivator-1α，PGC-1α）是共激活因子家族中成員之一，是調節線粒體功能的重要蛋白質，在維持葡萄糖、脂質和能量平衡方面起著關鍵作用。AMPK可使PGC-1α的32位點磷酸化，還可以通過激活SIRT1和轉錄因子EB（transcription factor EB，TFEB）間接激活PGC-1α，誘導線粒體生物發生和抑制線粒體分裂[30]。此外，AMPK-PGC1α信號通路與抑制糖酵解、促進氧化磷酸化和脂肪酸合成密切相關。Liu等[31]通過建立急性心臟毒性模型，發現激活AMPK和上調PGC-1α及其下游信號可抑制線粒體功能障礙和形態異常，細胞凋亡和氧化應激，從而對心臟功能起到保護作用。Rahman等[32]研究發現激活AMPK-PGC1α途徑可阻止脂肪酸合成、增加脂肪酸氧化和線粒體生物發生，從而發揮減肥作用。因此，我們推測AMPK-PGC1α軸主要通過影響線粒體的生理功能，從而在疾病的發生和發展中發揮重要作用。
2.5 AMPK-SREBP 1c軸
固醇調節元件結合蛋白1c（sterol regulatory element-binding protein-1c，SREBP-1c）主要在肝臟、脂肪組織以及肌肉組織中表達，由于其參與肝臟脂肪酸合成基因的轉錄調節，從而調控脂肪生成。AMPK是SREBP-1c的上游，可以直接磷酸化SREBP-1c，抑制其清除和核轉位[33]。增強Thr172處AMPK的磷酸化，可減弱SREBP-1c及其靶基因的表達，改善肝臟的脂肪變性，當SREBP-1c升高時，會導致胰島素抵抗相關的肝臟脂肪變性和高脂血癥[34]。此信號通路主要介導脂肪代謝，從而參與肝臟脂肪變性、高脂血癥、肥胖等疾病發生發展，為治療這些疾病提供了靶點。
3 AMPK與哮喘
3.1 AMPK與氣道炎癥
哮喘是一種異質性疾病，其氣道炎癥的機制是復雜的。除了輔助型T細胞2（T helper 2 cell，Th2）介導的適應性免疫反應，還涉及機體的固有免疫，兩者相輔相承，共同促進氣道炎癥的發生。AMPK通過介導免疫反應，參與哮喘氣道炎癥的發生。
3.1.1 AMPK與Th2細胞介導的適應性免疫反應
Th2細胞介導的適應性免疫反應，其分泌的2型細胞因子[白細胞介素-4（interleukin 4，IL-4）、白細胞介素-5（interleukin 5，IL-5）、白細胞介素-13（interleukin 13，IL-13）]在哮喘的發病機制中具有重要作用。Ma 等[35]用卵清蛋白對小鼠誘導過敏性哮喘，激活AMPK可減少嗜酸性粒細胞和中性粒細胞的浸潤，以及IL-4、IL-5、IL-13、TNF-α和免疫球蛋白E（immunoglobulin E，IgE）的產生。同樣，Zhu 等[36]研究顯示姜油酮通過激活AMPK可以減少哮喘模型肺泡灌洗液上清液中嗜酸性粒細胞的產生以及Th2細胞分泌的IL-4、IL-5和IL-13的釋放。Luan等[37]發現紅景天苷高劑量組可顯著降低IL-4、IL-5和IL-13，同時AMPK的磷酸化水平顯著升高，考慮通過增加AMPK磷酸化來抑制支氣管高反應性和減輕氣管炎癥。其他研究顯示，紫檀通過調節AMPK/ SIRT1信號通路，降低哮喘模型小鼠的IL-4、IL-13、IL-5和IgE水平，從而減輕氧化應激和過敏性氣道炎癥[38]。因此，激活AMPK可減少Th2細胞因子的水平，同時增強抗炎細胞因子白細胞介素-10（interleukin 10，IL-10）的表達，進而改善氣道炎癥反應。白細胞介素-33（interleukin 33，IL-33）可促進Th2細胞分泌Th2相關細胞因子和趨化Th2細胞，在炎癥中發揮重要作用。Caslin 等[39]研究發現激活AMPK可以抑制IL-33誘導的細胞因子產生，從而減弱哮喘的氣道炎癥。另外，亞油酸及其氧化產物可能有助于哮喘患者的Th2細胞因子分化，通過增強炎癥反應影響哮喘，AMPK通路的激活可以改善相關脂肪酸代謝紊亂，部分緩解哮喘小鼠的氣道炎癥[40]。綜上所述，在哮喘中，AMPK磷酸化水平減低，通過下游靶點或者炎癥因子直接或間接在Th2細胞介導的適應性免疫反應中發揮作用，從而參與氣道炎癥。
3.1.2 AMPK與固有免疫
固有免疫是機體的天然免疫防御功能，主要參與急性炎癥反應并可激活適應性免疫反應。固有免疫細胞包括巨噬細胞、上皮細胞、內皮細胞、樹突狀細胞、成纖維細胞等。AMPK的抗炎功效可能與巨噬細胞向抗炎表型的極化增加有關。Tsai等[41]在不同時間點用白細胞介素-25（interleukin 25，IL-25）預處理人單核細胞系，發現IL-25可誘導ROS產生，增加線粒體呼吸鏈復合物活性，隨后激活AMPK并誘導線粒體自噬以刺激單核細胞中的M2巨噬細胞極化。相關研究顯示，AMPK的缺失有利于促炎癥狀態，AMPK的體外激活可減少肺泡巨噬細胞細胞因子的產生，從而減輕氣道炎癥。此外，研究發現五虎湯可通過增強依賴AMPK信號通路的肺組織樹突狀細胞（dendritic cells，dCs）自噬來改善哮喘氣道炎癥[42]。目前關于AMPK在固有免疫中研究較少，具體參與固有免疫反應的機制尚不清楚，有待進一步研究。
3.2 AMPK與氣道重塑
氣道重塑是哮喘反復發作和不完全可逆性氣流受限的主要原因，也是難治性哮喘的主要病理基礎之一。氣道重塑包括上皮的損傷、黏液腺體的增生、基底膜增厚、血管再生及氣道平滑肌細胞（airway smooth muscle cells，ASMCs）的增殖與遷移。研究顯示轉化生長因子-β（transforming growth factor-β，TGF-β）、基質金屬蛋白酶9（matrix metalloproteinase-9，MMP-9）和血管內皮生長因子（vascular endothelial growth factor，VEGF）是促進哮喘結構變化的關鍵介質。此外，越來越多的研究證明自噬在氣道重塑中發揮重要作用，AMPK通過影響介質的活性和自噬從而參與氣道重塑的病理過程。
3.2.1 AMPK與氣道平滑肌細胞增殖
氣道平滑肌細胞（airway smooth muscle cells，ASMCs）是參與氣道平滑肌（airway smooth muscle，ASM）重塑的主要結構細胞，是哮喘等慢性呼吸道疾病干預的靶細胞。研究顯示，信號轉導和轉錄活化因子3（signal transducer and activator of transcription 3，STAT3）激活有助于血管和支氣管平滑肌細胞的增殖和遷移。Pan等[43]在動物實驗中發現，AMPK的激活通過抑制MiR-206/HDAC4/cyclin D1信號通路減弱TGF-β1誘導的ASMCs增殖，該團隊后續研究還發現，1-磷酸鞘氨醇（sphingosine-1-phosphate，S1P）通過刺激S1PR2/STAT3/PLK1/ID2軸促進ASMCs增殖，而AMPK的激活則通過靶向STAT3信號通路來抑制ASMCs增殖。Wei等[44]用氯硝柳胺乙醇胺處理人支氣管平滑肌細胞，發現抑制ASMCs增殖和遷移，與激活AMPK和STAT3活性有關。除了通過STAT3通路外，AMPK也可通過其他信號途徑參與ASMCs增殖。Liu等[45]研究表明AMPK的激活，特別是AMPKα2，負調節mTOR活性以抑制ASMCs增殖，因此減弱氣道重塑。二甲雙胍作為AMPK激動劑在氣道平滑肌細胞增殖發揮一定作用。二甲雙胍可激活AMPK而減弱支氣管周圍纖維化區域和平滑肌層厚度，降低氣道重塑。因此，AMPK在ASMCs增殖發揮重要作用，其激動劑有望成為延緩哮喘氣道重塑的有效藥物。
3.2.2 AMPK與其他細胞增殖
Ma 等[35]發現在哮喘小鼠血漿中的非Th2細胞因子（VEGF、SDF-1和CXCR4）水平升高，激活AMPK導致血管生成相關因子顯著降低，包括VEGF和MMP-9，從而減輕哮喘患者的新生血管的形成。另外，Jiang 等[46]研究發現Sigma-1受體（sigma-1 receptor，Sig-1R）可抑制支氣管灌洗液中IL-4、IL-5和IL-13的水平和TGF-β1誘導的支氣管上皮細胞增殖、遷移和上皮–間質轉化過程，在哮喘模型肺組織中Sig-1R的表達減少，抑制AMPK能逆轉Sig-1R對氣道重塑影響，因此推測，AMPK通過對Sig-1R的影響參與支氣管上皮細胞增殖、遷移和上皮–間質轉化過程。AMPK-mTOR信號通路是導致自噬發生的典型信號通路之一。研究表明，TGF-β1誘導的自噬對人氣道平滑肌細胞中膠原和黏連蛋白的產生至關重要，在小鼠模型中抑制自噬已被證明可以減輕氣道炎癥，降低TGF-β1的濃度，并隨后導致氣道重塑的減弱[47]。在此基礎上，我們考慮激活AMPK可能調節自噬而參與氣道重塑。總之，AMPK通過多種機制參與氣道重塑的發生，尋求有效關鍵的靶點是未來研究的方向。
4 結語
AMPK在哮喘的發生和發展中發揮重要作用，參與調控哮喘的氣道炎癥與氣道重塑。AMPK通過影響Th2細胞介導的適應性免疫反應及巨噬細胞等的固有免疫在氣道炎癥中發揮調節作用。同時，調控ASMCs增殖和自噬參與氣道重塑的進展。雖然目前針對AMPK途徑的研究是熱點，但同時也是難點，很多機制仍不明確，例如：激活AMPK在氣道重塑中調控ASMCs的具體機制如何？對肥大細胞的影響尚不清楚；AMPK在哮喘中的代謝機制為何等。
由于AMPK自身的結構以及其參與機體內的蛋白質代謝、脂肪代謝和糖代謝等廣泛作用，影響AMPK在疾病中的特異性，從而增加了針對AMPK靶向藥物的難度。但激活AMPK，無論在早期的炎癥反應，還是后續的結構變化均起到保護作用。因此，以AMPK為核心，尋求有效的激活劑可能為哮喘防治提供新的治療思路。
利益沖突：本文不涉及任何利益沖突。