蛋白激酶，AMP 激活，催化，α-1; PRKAA1

• AMP 激活蛋白激酶，催化，α-1
• AMPK-α-1

HGNC 批准的基因符号：PRKAA1

细胞遗传学定位：5p13.1 基因组坐标（GRCh38）：5:40,759,388-40,798,373（来自 NCBI）

▼ 说明

哺乳动物 5-prime-AMP 激活蛋白激酶（AMPK） 似乎通过关闭 ATP 消耗生物合成途径，在保护细胞免受导致 ATP 消耗的压力方面发挥作用。AMPK 是由 1 个 α 亚基（例如 PRKAA1）、1 个 β 亚基（例如 PRKAB1；602740）和 1 个 γ 亚基（例如 PRKAG1；602742）组成的异三聚体蛋白质。催化α亚基需要磷酸化才能发挥全部活性。它与酿酒酵母 Snf1 蛋白激酶有关，后者参与对营养应激的反应。非催化 β 和 γ 亚基与与 Snf1 相互作用的酵母蛋白相关：β 亚基属于转录调节因子 Sip1/Sip2/Gal83 家族，γ 亚基属于 Snf4，被认为是 Snf1 的激活剂（Stapleton 等人总结，1996）。

▼ 克隆和表达

Stapleton 等人（1996） 报道了编码 AMPK-α-1 的部分人肝脏 cDNA 序列。

斯台普尔顿等人（1996） 克隆了编码 Ampk-α-1 的大鼠下丘脑 cDNA。通过 Northern 印迹分析，他们在所有检查的大鼠组织中检测到低水平的 6-kb Ampk-α-1 mRNA，但睾丸除外，在睾丸中观察到低水平的 2.4-kb 转录物。通过 SDS-PAGE 预测，预测的 548 个氨基酸的蛋白质的分子量约为 63 kD。大鼠 Ampk-α-1 和 Ampk-α-2（600497） 在其催化核心内具有 90% 的氨基酸序列同一性，但在其 C 末端尾部只有 61%。

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通过荧光原位杂交作图，Stapleton 等人（1997） 将人类 AMPK-α-1 基因定位到染色体 5p12。

▼ 基因功能

脂联素（605441） 是一种由脂肪细胞分泌的激素，可调节能量稳态以及葡萄糖和脂质代谢。山内等人（2002）证明AMPK的磷酸化和激活在骨骼肌中受到球状和全长脂联素的刺激，而在肝脏中仅受到全长脂联素的刺激。在激活 AMPK 的同时，脂联素还会刺激乙酰辅酶 A 羧化酶（ACC1；200350） 的磷酸化、脂肪酸氧化、肌细胞中的葡萄糖摄取和乳酸生成、ACC 的磷酸化和肝脏中参与糖异生的分子的减少，以及体内葡萄糖水平的降低。通过显性失活突变体阻断 AMPK 激活会抑制这些效应中的每一个，表明脂联素对葡萄糖利用和脂肪酸氧化的刺激是通过 AMPK 的激活而发生的。山内等人（2002） 得出的结论是，他们的数据提供了一个新的范例，即脂肪细胞衍生的抗糖尿病激素脂联素激活 AMPK，从而直接调节体外和体内的葡萄糖代谢和胰岛素敏感性。

珉越等人（2004） 研究了下丘脑中 AMP 激活蛋白激酶（AMPK） 在调节食物摄入中的潜在作用。珉越等人（2004）报道AMPK活性在弓形和室旁下丘脑中被抑制食欲激素瘦素（164160）抑制，并且在多个下丘脑区域中被胰岛素（176730）、高葡萄糖和重新进食抑制。黑皮质素受体（见 155555） 激动剂是一种有效的厌食剂，可降低室旁下丘脑的 AMPK 活性，而刺鼠相关蛋白（602311） 是一种食欲剂，可增加 AMPK 活性。黑皮质素受体信号传导是室旁下丘脑中瘦素和 AMPK 的再喂养作用所必需的。下丘脑中显性失活的 AMPK 表达足以减少食物摄入量和体重，而组成型活跃的 AMPK 则两者均增加。下丘脑 AMPK 活性的改变增强了禁食和进食引起的弓状神经肽表达的变化。此外，抑制下丘脑 AMPK 对于瘦素对食物摄入和体重的影响是必要的，因为持续活跃的 AMPK 会阻止这些影响。因此，Minokoshi 等人（2004） 得出结论，下丘脑 AMPK 在激素和营养源性厌食和食欲信号以及能量平衡中发挥着关键作用。

巴巴等人（2006） 表明 FNIP1（610594） 与 AMPK 的 α、β 和 γ 亚基相互作用。FNIP1 被 AMPK 磷酸化，AMPK 抑制剂以剂量依赖性方式抑制其磷酸化，导致 FNIP1 表达减少。FLCN（607273） 磷酸化因雷帕霉素和氨基酸饥饿而减弱，并因 FNIP1 过表达而促进，表明 FLCN 磷酸化可能受 mTOR（601231） 和 AMPK 信号传导调节。巴巴等人（2006） 得出结论，FLCN 和 FNIP1 可能通过 AMPK 和 mTOR 信号通路参与能量和/或营养物传感。

米勒等人（2008） 表明，炎症的上游调节因子巨噬细胞迁移抑制因子（MIF; 153620） 在缺血心脏中释放，通过 CD74（142790） 刺激 AMPK 激活，促进葡萄糖摄取，并在缺血再灌注损伤期间保护心脏。Mif 基因的种系缺失会损害小鼠心脏中的缺血性 AMPK 信号传导。具有低活性 MIF 启动子多态性的人成纤维细胞在缺氧期间减少了 MIF 的释放和 AMPK 的激活。因此，MIF 在缺血期间调节心脏保护性 AMPK 通路的激活，在功能上将心脏中的炎症和代谢联系起来。米勒等人（2008） 预计 MIF 表达的遗传变异可能通过 AMPK 途径影响人类心脏对缺血的反应，

坎托等人（2009） 证明 AMPK 通过与另一种代谢传感器 NAD+ 依赖性 III 型脱乙酰酶 SIRT1（604479） 协调作用来控制小鼠骨骼肌能量代谢相关基因的表达。AMPK 通过增加细胞 NAD+ 水平来增强 SIRT1 活性，从而导致下游 SIRT1 靶标（包括 PPAR-γ 共激活剂 1-α（604517） 以及 FOXO1A（136533） 和 FOXO3A（602681） 转录因子）的活性脱乙酰化和调节。坎托等人（2009） 得出结论，AMPK 诱导的 SIRT1 介导的这些靶标的脱乙酰作用解释了 AMPK 和 SIRT1 对能量代谢的许多聚合生物学效应。

Lamia 等人研究小鼠成纤维细胞（2009） 证明营养响应型单磷酸腺苷激活蛋白激酶（AMPK） 会磷酸化时钟成分 Cryptochrome-1（CRY1; 601933），并使其不稳定。在小鼠肝脏中，AMPK 活性和核定位呈节律性，并且与 CRY1 核蛋白丰度呈负相关。AMPK 的刺激会破坏隐花色素的稳定性并改变昼夜节律，而 AMPK 通路受到基因破坏的小鼠则表现出外周生物钟的改变。因此，拉米亚等人（2009） 得出结论，AMPK 的磷酸化使隐花色素能够将营养信号转导至哺乳动物外周器官的生物钟。

邦加德等人（2010） 发现 AMPK 通过与染色质直接关联以及组蛋白 H2B（参见 609904）ser36 的磷酸化来激活转录。AMPK 募集和 H2B ser36 磷酸化共定位于 AMPK 依赖性途径激活的基因内，无论是在启动子还是在转录区域。H2B 的异位表达（其中 Ser36 被丙氨酸取代）会降低与 AMPK 依赖性基因相关的转录和 RNA 聚合酶 II（参见 180660），并降低细胞对应激的存活率。邦加德等人（2010） 得出的结论是，他们的结果将 AMPK 依赖性 H2B 丝氨酸 36 磷酸化置于直接转录和染色质调节途径中，导致细胞适应应激。

AMPK 是一种 α-β-γ 异源三聚体，可通过降低三磷酸腺苷（ATP） 浓度和增加 AMP 浓度来激活（Oakhill 等人总结，2011）。AMPK 激活取决于激酶 LKB1（602216） 或 CaMKK-β（CAMKK2; 615002） 对 thr172 上 α 催化亚基的磷酸化，并且 AMP 与 γ 亚基（602742） 结合可促进磷酸化。AMP 通过抑制 α-thr172 的去磷酸化来维持活性，而 ATP 则促进去磷酸化。奥克希尔等人（2011） 发现二磷酸腺苷（ADP） 与 AMP 一样，与 γ 位点 1 和 3 结合并刺激 α-thr172 磷酸化。然而，与 AMP 不同，ADP 并不直接激活磷酸化的 AMPK。这样，ADP/ATP 和 AMP/ATP 比率都有助于 AMPK 调节。

水杨酸盐是柳树皮的活性成分，自古以来就已用于药用，最近已被阿司匹林和水杨酸等合成衍生物所取代。Hawley 等人利用服用大剂量阿司匹林或水杨酸后血浆中达到的水杨酸盐浓度（2012） 表明水杨酸激活 AMPK。水杨酸盐与合成激活剂在同一位点结合 AMPK，引起变构激活并抑制激活位点 thr172 的去磷酸化。在缺乏 Ampk 的小鼠中，水杨酸盐增加脂肪利用率和降低血浆脂肪酸的作用消失了。霍利等人（2012） 提出 AMPK 激活解释了水杨酸和阿司匹林的一些有益作用。

全杰恩等人（2012） 证明，在能量应激期间，AMPK 激活可通过氧化还原调节延长细胞存活时间。在这些条件下，戊糖磷酸途径产生 NADPH 的能力受到损害，但 AMPK 会诱导替代途径来维持 NADPH 并抑制细胞死亡。AMPK 对乙酰辅酶 A 羧化酶 ACC1（200350） 和 ACC2（601557） 的抑制通过减少脂肪酸合成中的 NADPH 消耗并通过脂肪酸氧化增加 NADPH 生成来维持 NADPH 水平。ACC1 或 ACC2 的敲低可补偿 AMPK 的激活，并促进体内不依赖贴壁的生长和实体瘤形成，而 ACC1 或 ACC2 的激活会减弱这些过程。因此，AMPK 除了在 ATP 稳态中发挥作用外，还在 NADPH 维持中发挥着关键作用。

富山等人（2016） 发现能量感应 AMPK 是细胞在用电子传递链（ETC） 抑制剂处理后经历快速线粒体断裂所必需的。此外，即使在没有线粒体应激的情况下，AMPK 的直接药理激活也足以快速促进线粒体断裂。AMPK 底物筛选鉴定出线粒体裂变因子（MFF; 614785），它是 DRP1（603850） 的线粒体外膜受体，DRP1 是催化线粒体裂变的细胞质鸟苷三磷酸酶。MFF 中 AMPK 位点的不可磷酸化和拟磷酸化等位基因表明，它是 AMPK 介导的线粒体裂变的关键效应子。

评论

Sanz（2008） 回顾了 AMPK 的结构和调控。

▼ 生化特征

晶体结构

Xiao et al.（2007） reported the crystal structure of the regulatory fragment of mammalian AMPK in complexes with AMP and ATP. The phosphate groups of AMP/ATP lie in a groove on the surface of the γ domain, which is lined with basic residues, many of which are associated with disease-causing mutations. Structural and solution studies revealed that 2 sites on the γ domain bind either AMP or magnesium ATP, whereas a third site contains a tightly bound AMP that does not exchange. Xiao et al.（2007） stated that their binding studies indicated that under physiologic conditions AMPK mainly exists in its inactive form in complex with magnesium ATP, which is much more abundant than AMP. Their modeling studies suggested how changes in the concentration of AMP enhance AMPK activity levels. The structure also suggested a mechanism for propagating AMP/ATP signaling whereby a phosphorylated residue from the α and/or β 子单元s binds to the γ 子单元 in the presence of AMP but not when ATP is bound.

Xiao et al.（2011） showed that ADP binding to just 1 of the 2 exchangeable AXP（AMP/ADP/ATP） binding sites on the regulatory domain of AMPK protects the enzyme from dephosphorylation, although it does not lead to allosteric activation. Their studies showed that active mammalian AMPK displays significantly tighter binding to ADP than to Mg-ATP, explaining how the enzyme is regulated under physiologic conditions where the concentration of Mg-ATP is higher than that of ADP and much higher than that of AMP. Xiao et al.（2011） determined the crystal structure of an active AMPK complex. The structure showed how the activation loop of the kinase domain is stabilized by the regulatory domain and how the kinase linker region interacts with the regulatory nucleotide-binding site that mediates protection against dephosphorylation. From their biochemical and structural data, Xiao et al.（2011） developed a model for how the energy status of a cell regulates AMPK activity.

▼ History

Lin et al.（2012） reported that acetylation and deacetylation of the catalytic 子单元 of AMPK, PRKAA1, a critical cellular energy-sensing protein kinase complex, is controlled by the opposing catalytic activities of HDAC1（601241） and p300（602700）. Deacetylation of AMPK enhanced physical interaction with the upstream kinase LKB1（602216）, leading to AMPK phosphorylation and activation, and resulting in lipid breakdown in human liver cells. The authors later found that the Methods section in their article was inaccurate. Because they could not reproduce all of their results, they retracted the article.