30年了!治疗癌症、抗衰老……AMPK激动剂究竟能行吗?| Nature深度好文

曼话 曼话 来源:医药魔方
2019-04-09
Nature 癌症

 

AMPK,全称为AMP-activated protein kinase,即AMP激活蛋白激酶,是体内能量稳态的主要调节因子。

 

1988年, 发表在European Journal of Biochemistry上的[1]一篇论文首次正式命名了AMPK。之后的30年里,科学家们获得了许多关于其结构、调节以及生理作用的重要发现,并且对将该酶作为药物靶点的兴趣不断攀升。

 

大量证据表明,热量限制、运动、激素(如瘦素和脂联素)以及许多被用于传统草药的天然产物能够激活AMPK。此外,研究发现,世界上使用最广泛的药物二甲双胍和水杨酸(阿司匹林和双水杨酯的活性成分)也能够激活AMPK,表明它们的药效可能也与调节AMPK有关。前几年被批准用于治疗2型糖尿病的SGLT2抑制剂卡格列净也被证明以类似二甲双胍的方式间接激活AMPK。

 

不过,开发直接激活AMPK并能发挥治疗作用的药物一直是个挑战。最近,已有一些小分子被发现能够直接激活AMPK,很多团队正在调查这类AMPK激动剂的临床前和临床疗效,少数化合物已经进入临床试验阶段。

 

需要指出的是,尽管已经取得这些进展,但AMPK激动剂究竟最适合治疗哪种疾病,以及有哪些潜在的副作用仍在研究中。

 

图片来源:Nature Reviews Drug Discovery

 

3月13日,来自加拿大麦克马斯特大学和英国帝国理工学院的两位科学家在Nature Reviews Drug Discovery[2]上发表了一篇深度综述。文章详细评估了靶向AMPK在多种疾病领域的治疗潜力,包括代谢疾病、癌症、神经肌肉疾病、慢性肾病、疼痛和衰老,并突出了这类新药研发的关键挑战。

 

AMPK的结构

 

哺乳动物的AMPK是由3个亚基组成的异源三聚体复合物,具体包括:1)由PRKAA(protein kinase AMP-activated-α)编码的α催化亚基;2)由PRKAB编码的β调节亚基;3)由PRKAG编码的γ调节亚基。其中,α亚基和β亚基都具有两种亚型(α1、α2;β1、β2),而γ亚基具有3种亚型(γ1、γ2、γ3),这使得三种亚基可以搭配出12种可能的αβγ AMPK复合物。不同亚型之间一个明显的区别是相对的组织分布。此外,不同物种(如人和小鼠)之间AMPK亚型的表达可能存在显著差异。在啮齿动物肝脏中,α1和α2表达水平相似,β1和γ1是主要表达的调节亚基亚型,也就是说,啮齿动物肝脏表达主要α1β1γ1和α2β1γ1复合物的混合物。然而,在人类肝脏中,α1是主要表达的催化亚型,α1β2γ1是主要表达的AMPK复合物。同样,γ2亚型在人类心脏中高表达,但在啮齿动物心脏中,γ1似乎才是主要表达的γ亚基。了解这些差异对于AMPK激动剂的研发具有重要意义。

AMPK的活性调节

 

AMPK的活性受多种激素和代谢信号的严格调控,涉及许多不同的机制(图1)。当活细胞内的直接能量来源——ATP下降时,细胞内的AMP和ADP水平会升高,从而导致AMPK被激活。科学家们对腺嘌呤核苷酸(AMP、ADP和ATP)调控AMPK已经达成共识。结合AMP可使AMPK激活10倍,而AMP和ADP可增加Thr172(AMPK α亚基172位苏氨酸)的磷酸化(Thr172被磷酸化后,AMPK被激活)。不过,这种调节受AMP或ADP/ATP比值(AMP/ADP:ATP ratio)的影响。

 

图1 AMPK的生理和药理调节(图片来源:Nature Reviews Drug Discovery)

 

组成AMPK的亚基亚型也影响着腺嘌呤核甘酸对AMPK的调节,尤其是γ亚基的亚型。γ亚基不同亚型共享着高度保守的羧基末端区域,该区域具有4个约60个氨基酸大小的胱硫醚-β-合酶(cystathionine-β-synthase,CBS)。包含全长γ1亚基的AMPK调节核心的晶体结构显示,4个CBS域中有3个可结合核甘酸。CBS2不与核苷酸结合;CBS4位点含义一个在生理条件下永久结合的AMP分子;CBS1和CBS3这两个位点以可交换的方式结合腺嘌呤核苷酸。

 

AMPK还能够被细胞内钙离子的增加激活,这是由钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶激酶2(CAMKK2)介导的。由钙介导的AMPK激活似乎在调节某些组织中AMPK对激素的响应方面起着重要作用。

 

AMPK的生理功能

 

AMPK的激活会导致不同代谢途径中超过100种蛋白质的磷酸化(图2)。而其中大量关键代谢蛋白的磷酸化影响了脂质、胆固醇、碳水化合物和氨基酸的代谢以及线粒体功能、自噬和细胞生长。

 

图2 AMPK调控的蛋白和通路(图片来源:Nature Reviews Drug Discovery)

 

调节脂质代谢

 

AMPK通过多种底物的磷酸化来降低脂质储存,同时抑制脂肪酸和胆固醇合成。有研究发现,AMPK可在体外和小鼠肝脏中通过Ser872的磷酸化抑制HMGR(HMG-CoA reductase,羟甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶)和胆固醇的合成,从而降低血清和肝脏胆固醇。

 

线粒体功能调节

 

AMPK还可通过调节线粒体功能间接控制脂肪酸氧化速率,而这与一种被称为A激酶锚定蛋白1(A kinase anchor protein 1,AKAP1)的分子密切相关。

 

此外,很多研究获得了1个一致的发现,即AMPK的激活增加了线粒体的含量。线粒体含量的这种变化可能是由于线粒体的合成(生物发生)和/或降解发生了改变,而AMPK似乎在这两个方面都发挥了调节作用。AMPK可通过多种互补途径促进线粒体生物发生,如上调转录共激活过氧物酶体PGC1α(proliferator-activated receptor-γ co-activator 1α)。

 

碳水化合物代谢调节

 

除了通过调节脂肪酸代谢间接影响碳水化合物的利用,AMPK还通过多种机制直接调节控制碳水化合物代谢的通路。

 

研究显示,在啮齿动物骨骼肌中,AMPK α2β2γ3异源三聚体的激活通过增强葡萄糖转运体4(GLUT4)的易位增加了葡萄糖摄取。而一旦葡萄糖进入细胞,就会迅速转化为葡萄糖-6-磷酸(G6P),然后根据能量需求,G6P会直接进入糖酵解或糖原合成。在一些细胞中,AMPK的激活通过磷酸化和激活6-磷酸果糖-2激酶(PFK2)刺激了糖酵解。

 

此外,利用非特异性AMPK激活剂的早期研究表明,AMPK可抑制关键的葡萄糖异生基因,如那些编码磷酸烯醇丙酮酸羧激酶(PEPCK)和葡萄糖-6-磷酸酶(G6Pase)的基因。这两种基因都已被证明在代谢紊乱中导致了肝脏葡萄糖的产生异常。

 

AMP的药理学激活

 

许多间接(表1,见文末)或直接(表2,见文末)增加AMPK活性的药理学化合物已经被开发出来,且很多化合物的作用模式已经被阐明,少许化合物也已被批准使用或正在进行临床试验。

 

AMPK间接激动剂

 

AMPK是响应AMP和ADP水平的升高而被激活的,这也支持了间接激活AMPK的大量化合物的作用机制(图1)。本质上,任何导致AMP/ADP:ATP比值升高的处理都会导致AMPK的激活。因此,许多激活细胞内AMPK的化合物是通过抑制线粒体电子传递链或导致线粒体解偶联来激活AMPK的。这并不奇怪,因为这两种方法都可能降低线粒体ATP合成。

 

举例来说,二甲双胍(表1)可抑制线粒体中的复合物I,导致线粒体呼吸和ATP产生下降,被证明激活了AMPK。为了促进肝脏外AMPK的活化,一些研究小组已经开始开发类似于二甲双胍的复合物I抑制剂,如R419(表1)。

一些来源于植物的天然产物也可通过抑制线粒体呼吸间接激活AMPK,如黄连素、槲皮素、多酚白藜芦醇(表1)。其中,白藜芦醇被研究地最为广泛,它通过多种机制激活AMPK,包括抑制线粒体功能和磷酸二酯,以及激活SIRT1。

 

AMPK间接激动剂还包括PT-1(通过抑制线粒体呼吸链激活AMPK)、卡格列净(通过抑制复合物I激活AMPK)、dinitrophenol(通过增加AMP/ADP:ATP比值激活AMPK)。需要指出的是,由于这些化合物是间接激活AMPK,因此,它们的一些作用可能不是由AMPK介导的。

 

AMPK直接激动剂

 

开发AMPK直接激动剂最初主要聚焦在寻找能够模拟核苷依赖激活的化合物,尽管当时AMPK上核苷酸结合位点的特性还不清楚。首个被发现的AMPK直接激动剂为5-氨基咪唑-4-羧酰胺核糖核苷酸(也称为ZMP),该化合物是具有细胞渗透性的前体AICAR(AMPK activator 5-aminoimidazole-4-carboxamide Ribonucleoside)的单磷酸盐衍生物(表2)。

 

最近,通过对AMP模拟物的筛选,有团队鉴定出了强变构AMPK激动剂5-(5-hydroxyl-isoxazol-3-yl)-furan-2-phosphonicacid(简称C2)以及2-(2-(4-(trifluoromethyl)phenylamino)thiazol-4-yl)acetic acid。此外,也有科学家开发出了模拟ADP作用的分子,如O304。

 

直接激活AMPK的大多数化合物(如A-769662、PF249、PF06409577、PF739、SC4,表2)结合在一个由α和β亚基相互作用形成的特殊口袋上,这个口袋被称为变构药物和代谢物(allosteric drug and metabolite ,ADaM)位点。结合在ADaM位点上的配体可激活AMPK,防止其去磷酸化。迄今为止被鉴定出的所有ADaM位点激动剂都与包含β1亚基的AMPK复合物结合的更紧密(相比包含β2亚基的AMPK复合物)。

 

AMPK的双重激活

 

AMPK可以被与结合酶内不同位点的配体激活这一事实为用双重处理激活AMPK提供了理论基础。有研究显示,当AMP联合salicylate(表2) 或A769662使用时,产生了协同激活AMPK的作用。一些其它研究通过使用不同的AMPK激动剂证明了双重激活AMPK的可能性。

 

靶向AMPK的治疗应用

 

AMPK在调节多种细胞过程中的作用揭示了AMPK激活疗法治疗多种不同疾病的潜力(图3)。

 

图3 AMPK在代谢综合征中的组织特异性作用(图片来源:Nature Reviews Drug Discovery)

 

代谢疾病

 

肥胖和2型糖尿病的流行促使人们需要开发新的治疗方法,以降低它们的发病率和相关的并发症,包括非酒精性脂肪肝(NAFLD)、非酒精性脂肪性肝炎(NASH)和心血管疾病(CVD)。正如前文所说,大量研究表明,AMPK的激活会促进脂肪酸氧化、线粒体功能、自噬和骨骼肌葡萄糖摄取,同时抑制炎症、脂肪酸和胆固醇合成,这为靶向AMPK治疗代谢疾病提供了强有力的理论依据。

 

肥胖

 

降低热量摄入和增加能量消耗都受AMPK的调节。通过联合这两种途径来减少肥胖是有效治疗心脏代谢疾病多个方面的手段之一。有研究表明,下丘脑AMPK响应饥饿素或低血糖被激活后,可刺激食欲;而响应瘦素和胰岛素活性降低后,抑制了食欲。

 

此外,除了抑制食欲,下丘脑AMPK活性的降低也可能通过增加能量消耗来促进减肥。随着最近越来越多特异性AMPK抑制剂被发现,如SBI-0206965,研究将AMPK抑制剂递送到中枢神经系统是否可能抑制食欲和促进减肥将是一件有趣的事情。此外,评估脂肪组织中AMPK的激活与食欲抑制疗法(如GLP1受体激动剂)相结合是否能够对减肥和治疗肥胖产生协同作用也将很有意思。

 

NAFLD、NASH

 

NAFLD被定义为肝脂肪堆积(占肝重量>5%)。目前能有效治疗NAFLD和NASH的药物有限。

有研究显示,在啮齿类动物模型中,利用A-769662激活肝脏AMPK可减少NAFLD(由于溶解度差、生物利用度有限以及效能一般,A-769662只能局限于临床前研究)。之后也有多项研究表明,通过基因工程手段或药理学手段激活AMPK可减少NAFLD、肝脏胰岛素抵抗以及炎症和肝纤维化的标志物。

 

不过,尽管大量AMPK激动剂在NAFLD小鼠模型中表现出了积极的作用,但开发治疗人类NAFLD的AMPK直接激动剂有一个关键的挑战:小鼠肝脏中主要表达的β亚基的亚型与人类肝脏不同,前者是β1,后者是β2。

 

CVD

 

大多数心脏病发作和中风是由血栓和动脉粥样硬化斑块形成导致的,而这两个因素又与受AMPK调节的低密度脂蛋白胆固醇(LDL-C)和慢性低度炎症的升高有关。研究表明,减少动脉粥样硬化斑块内的脂质负荷和炎症性巨噬细胞可能是减少心血管事件的重要策略。

 

除了LDL-C和炎症升高外,CVD的一个重要危险因素是高血压。大量研究表明,AICAR可以降低啮齿类动物和人类的血压;一些研究证明,PF-06409577和O304也能发挥相同的作用。O304用于治疗2型糖尿病患者的一项IIa期临床研究显示,AMPK激动剂具有抗高血压作用,这说明,降血压可能是AMPK激活减少心血管事件的一个重要机制。

 

小结

 

正如上文所述,AMPK的药理激活对心脏代谢疾病的许多方面都有积极的作用,包括高血糖、高血脂、NAFLD、胰岛素抵抗、高血压和慢性低度炎症。这些效应可能是通过同时调制多个不同组织中(包括脂肪组织、肝脏、巨噬细胞等免疫细胞、骨骼肌、心肌和肾脏)的多个分子靶点介导的。

 

癌症

 

癌症抑制因子和致癌基因(如PTEN、LKB1、mTOR、p53、RAS 和 MYC)的突变通常与AMPK活性降低有关。相反,AMPK表达和活性的增加与人类多种肿瘤类型的存活率提高有关,这表明AMPK在癌症中可能发挥重要作用。研究表明,缺乏AMPK的肿瘤的一个显著特征是乙酰辅酶A羧化酶(ACC)磷酸化的减少和新生脂肪生成速度的增加。AMPK间接激动剂(二甲双胍、苯乙双胍或卡格列净)和直接激动剂(水杨酸、MT 63–78、991,见表2)诱导的对新生脂肪生成的抑制与多种肿瘤类型的增殖下降密切相关。

 

AMPK还可能通过直接和间接调节许多其它对调节细胞生长和增殖至关重要的重要途径来发挥抗肿瘤活性。举例来说,有研究表明,细胞生长可通过Hedgehog和Hippo通路的AMPK抑制而进一步受到限制。

 

不过,靶向AMPK来抗癌并不简单。在某些情况下,增加或保持细胞AMPK活性可能是不可取的。比如,有研究发现,在KRAS和p53肺肿瘤中,AMPK的缺乏降低了肿瘤负荷。还有证据表明,用AMPK直接激动剂(A769662)处理肿瘤细胞促进了细胞在低氧条件下增殖。因此,调控AMPK来治疗癌症仍需被进一步研究。

 

新适应症

 

神经肌肉疾病

 

AMPK对肌肉功能有多方面的影响,这对神经肌肉疾病的治疗可能是有益的。研究表明,缺乏AMPK的小鼠的肌肉会迅速疲劳,而AMPK的慢性激活促进了慢肌纤维的发育,这种纤维对改善杜氏肌营养不良小鼠模型的肌肉功能很重要。此外,用AMPK激动剂治疗小鼠和人类被证明增加了肌肉的血液灌注,这也可能有助于改善肌肉功能。未来,研究肌肉特异性AMPK激动剂在杜氏肌营养不良等肌病小鼠模型中的作用将具有重要意义。

 

肾脏疾病

 

慢性高血压、肥胖和2型糖尿病加速了慢性肾病的发展以及常染色体显性遗传性多囊肾病向终末期肾病发展。研究显示,二甲双胍诱导的AMPK激活可改善肾功能。此外,有证据表明,AMPK的激活可能能够通过抑制mTOR减少糖尿病肾病的发展。

 

慢性疼痛

 

许多研究表明,AMPK的激活可能会抑制促进神经活动的通路,而这些神经活动与病理性疼痛信号有关。有研究发现,在临床前模型中,AMPK的激活能降低痛觉感受器的兴奋性。虽然AMPK在痛觉中的确切作用目前还不清楚,但它为治疗慢性疼痛提供了一个潜在的有吸引力的靶点。

 

衰老

 

科学家们知道AMPK活性会随着人类和啮齿动物组织衰老而减弱已有多年;然而,发生这种现象的机制尚不清楚。最近的研究表明,DNA依赖蛋白激酶(DNA-PK,该酶的活性会响应DNA双链断裂而增加;而DNA双链断裂会随着衰老增加)通过抑制Thr172磷酸化抑制了AMPK活性。许多激活AMPK的疗法,如耐力运动、热量限制、白藜芦醇和二甲双胍,也能延长寿命。

 

研究表明,靶向AMPK会对衰老产生影响可能与调节了线粒体融合和自噬有关,因为衰老通常与巨大的、有缺陷的线粒体的积累有关。此外,也有证据显示,激活AMPK可能有利于衰老是因为这种激活抑制了多种炎症通路,而这些通路可能参与了线粒体含量的控制。有团队发现,二甲双胍可以增加多种组织的AMPK和线粒体功能,而这种作用与小鼠氧化损伤、慢性低度炎症降低以及寿命(包括健康寿命)改善有关。AMPK激动剂槲皮素与达沙替尼联合使用时,也被证明在啮齿动物中具有抗衰老作用。不过,这些在动物模型中观察到的益处能否在人类中得以复制还有待确定。

 

总结

 

激活AMPK对多种慢性疾病的预防和治疗有益这一假说得到了大量证据的支持。一些AMPK激动剂也已进入临床开发阶段。然而,靶向AMPK仍有一些重要的安全问题需要仔细考虑和调查,比如激活AMPK可能会促进心肌肥厚或癌细胞在低氧条件下存活。为了避免这类问题,可以尝试开发针对特定组织(如肝脏、肌肉等)的AMPK激动剂。另一个需要重点考虑的问题是,激活AMPK的小分子药物的最佳药物动力学和药效学。

 

与开发其它类型的药物相同,最终,确定AMPK激动剂长期安全性和有效性的唯一方法将是进行更广泛的临床试验。直到这些试验完成,AMPK是否是多种疾病药物的有效靶点这一多年未解之谜的答案才会真正浮出水面。

 表1 AMPK间接激动剂

数据来源:Nature Reviews Drug Discovery

表2 AMPK直接激动剂

数据来源:Nature Reviews Drug Discovery

 

相关论文:

[1]Michael R. MUNDAY et al. Identification by amino acid sequencing of three major regulatory phosphorylation sites on ratacetyl-CoA carboxylase. European Journal of Biochemistry(1988).

[2]Gregory R. Steinberg et al.AMP-activated protein kinase: the current landscape for drug development.Nature Reviews Drug Discovery (2019).

 

参考资料:

1# The FEBS Journal

2# Cell Chem. Biol. | 组织特异性的AMPK小分子激活剂作用机制的发现

3# AMPK

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