AMPK 효소 역할 및 기능 알로스테틱 업스트림 키나아제 비롯한 타 성분과의 상호작용 정보
AMP-activated protein kinase(AMPK)는 에너지 항상성의 중앙 조절자로, 대사 경로를 조정하여 영양소 공급과 에너지 수요의 균형을 맞춥니다. AMPK 활성화가 신진대사에 미치는 유리한 생리학적 결과로 인해 AMPK는 대사 증후군 및 암을 포함한 인간 질병을 통제하기 위한 중요한 치료 표적으로 간주되어 왔습니다. 따라서, AMPK의 활성제는 이러한 질병에 대한 새로운 치료법으로서 잠재력을 가질 수 있습니다. 이 문헌고찰에서는 간접 및 직접 AMPK 활성제와 AMPK의 구조와 관련된 작용 방식에 대한 포괄적인 요약을 제공합니다. 동형 특이적 AMPK 복합체 간의 기능적 차이와 새로운 AMPK 활성제의 개발, 그리고 인간 질병 치료에서 다양한 AMPK 활성제를 결합할 수 있는 가능성에 대한 중요성에 대해 논의합니다.
AMPK 효소 활성
세포 에너지 센서인 AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)는 영양 결핍(특히 포도당), 저산소증 및 미토콘드리아 호흡 사슬 복합체를 억제하는 독소에 대한 노출과 같이 세포 에너지 수준을 고갈시키는 다양한 조건에 반응하여 활성화됩니다. 많은 조직에서 AMPKα1-, β1- 및 γ1-subunit의 유비쿼터스 발현은 α1β1γ1 복합체를 AMPK 활성인자를 식별하기 위한 AMPK 분석의 참조로 만듭니다. 그러나, 별개의 AMPK 복합체의 독특한 기능 및/또는 세포하(또는 조직) 특이적 분포를 감안할 때, α1β1γ1 복합체에 대한 스크리닝을 참조하면 AMPK의 생리학적 범위가 제한될 수 있습니다. 이 개념에 따라 특정 동형의 돌연변이를 비활성화하고 유전자 삭제를 일으키면 조직 특이적 생리학적 결과가 생성된다는 증거가 증가하고 있습니다. AMPKγ2 subunit의 돌연변이는 인간 심근병증에서 자주 관찰되었으며, α1이 아닌 AMPKα2 subunit의 결실은 뇌졸중 마우스 모델에서 경색 부피를 감소시키는 것으로 나타났습니다.
AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK) 소단위체의 기능적 영역. 포유류 α1/α2 및 β1/β2 동형은 매우 유사하며 특징적인 특징이 나타납니다. AMPKα subunit: KD, 업스트림 키나아제에 의한 활성화를 위해 Thr-172를 포함하는 키나아제 도메인; AID, 자가억제 도메인; AMPKγ 서브유닛에 대한 AMP 바인딩에 대한 응답으로 구조적 변화를 유발하는 원인하는 두 개의 α-RIM, 조절 서브유닛 상호 작용 모티프; α-CTD, β-subunit에 바인딩된 C-터미널 도메인. AMPKβ 서브유닛: CBM, 탄수화물 결합 모듈, Ser108이 티에노피리돈(A-769662) 및 살리실레이트와 같은 일부 직접 AMPK 활성제의 작용에 중요합니다. β-CTD, α-subunit 결합 부위를 포함하는 C-terminal 도메인과 γ-subunit 상호 작용을 위한 도메인이 바로 뒤에 옵니다. AMPKγ 소단위체: 3개의 γ소단위체 동형은 가변 N-말단 도메인(NTD)을 갖습니다. 4개의 CBS, cystathione-β-synthases domain은 4개의 아데노신 뉴클레오티드 결합 부위(Sites 1–4)를 생성하는 2개의 Bateman domain을 형성합니다.
AMP에 의한 AMPK의 알로스테릭 활성화
직접 AMPK 활성제의 첫 번째 부류는 세포 AMP를 모방하는 소분자입니다. 이 분자는 AMPKα 소단위체에서 Thr-172의 인산화에 의해 추가 활성화를 허용하는 AMPK 복합체의 구조적 변화를 유발합니다. AMP 결합에 의한 AMPK의 알로스테릭 활성화의 기저에 있는 분자 메커니즘은 AMPK의 3차원 구조에 대한 여러 최근 연구에 의해 입증되었습니다. 이 결정 구조는 세포 아데노신 뉴클레오티드(AMP, ADP 또는 ATP)에 대한 반응으로 AMPK가 활성화되는 분자 메커니즘에서 AMPKγ 소단위체 내에서 시스타티오닌-β-합성효소 도메인 반복의 중요성을 보여주었습니다. AMPKγ 서브유닛의 4개의 연속적인 시스타티오닌-β-synthase domain은 4개의 잠재적인 아데닌 뉴클레오티드 결합 부위를 제공합니다. 이러한 부위는 리간드 결합에 관여하는 보존된 아스파르테이트 잔기를 운반하는 cystathionine-β-synthase domain repeat의 수에 따라 Sites 1-4로 번호가 매겨집니다.
포유류 AMPKγ1 소단위체에서 항상 비어 있는 것으로 보이고 단단히 결합된 AMP 분자를 가지고 있는 것으로 보이는 반면, 결합을 위해 경쟁하는 AMP, ADP 또는 ATP와 결합하는 조절 부위를 나타냅니다.AMP 결합은 알로스테릭 활성화를 유발하는 것으로 보이는 반면, AMP 또는 ADP를 결합하면 Thr172의 인산화 상태를 조절하는 것으로 보입니다. 세포 ADP 수준은 AMP보다 높지만, 최근 연구에 따르면 AMP는 in vivo에서 LKB1 의존성 Thr 172 인산화를 향상시키는 진정한 활성제입니다. AMPKγ 서브유닛에 대한 AMP 바인딩은 AMPK 복합체를 활성화하는 구조적 스위치의 중요한 조절 기능으로 작용합니다.
촉매 AMPKα 서브유닛에는 N-말단 키나아제 도메인(KD)과 바로 뒤에 자가억제 도메인(AID)이 포함되어 있습니다. 3차원 구조는 AID가 KD의 크고 작은 로브와 상호 작용하여 AMPK가 비활성 형태로 유지되도록 한다는 것을 보여줍니다. AMP가 AMPKγ 서브유닛에 결합하면 KD/AID와 AMPKα 서브유닛의 구상 C-말단 도메인 사이의 α-RIM(regulatory subunit-interacting motif)이 아데노신을 감싸는 두 개의 팔과 유사한 방식으로 AMPKγ 서브유닛의 조절 아데노신 뉴클레오티드 중 하나와 상호 작용합니다. 이러한 형태 변화는 AID에서 AMPKα의 KD를 방출하고 노출시켜 AMPK 복합체를 활성화합니다.
업스트림 키나아제(upstream kinase)에 의한 AMPK 활성 조절
생리학적 AMPK 활성화는 AMPKα 촉매 소단위체에서 KD의 활성화 루프 내에서 Thr-172의 인산화를 포함합니다. 두 개의 업스트림 키나아제, LKB118 및 CaMKKβ (Ca2+/칼모듈린 의존성 단백질 키나아제β), AMPKα 서브유닛의 Thr-172를 인산화하는 것으로 광범위하게 문서화되었습니다.
특히, Thr172에서 LKB1 의존성 AMPKα 인산화는 AMP가 AMPK γ-서브유닛에 결합함으로써 크게 향상되며, 동시에 AMP 결합이 시험관 내에서 PP2A 및 PP2C와 같은 단백질 인산화효소에 의한 이러한 활성화 인산화의 탈인산화를 억제한다는 것을 보여주는 증거가 있습니다. 흥미롭게도, AMPK α-서브유닛의 Thr172 인산화에 대한 AMP의 효과는 β-서브유닛의 N-말단 미리스토일화에 의존하는 것으로 보이지만, 기본 메커니즘은 아직 입증되지 않았습니다. 22 LKB1 복합체와 대조적으로, 또 다른 업스트림 AMPK 키나아제인 CaMKKβ는 세포 Ca의 증가에 반응하여 AMPK를 활성화할 수 있습니다2+ ATP/ADP/AMP 수준에 큰 변화가 없습니다.
세포 ATP를 고갈시키는 치료는 CaMKKβ의 기저 활성이 너무 낮아 AMPKα Thr172의 인산화 상태에 영향을 미치지 못하기 때문에 LKB1 음성 종양에서 AMPK를 효과적으로 활성화하지 못하지만, ATP 고갈로 인한 AMP의 증가로 인해 AMPK α-subunit이 CaMKKβ에 대한 더 나은 기질이 됩니다. 그러나 이러한 처리는 세포 내 Ca를 상승시키는 조건에서 AMPK 활성화를 유발할 수 있습니다. 이러한 데이터는 AMPK α-서브유닛의 Thr-172에서 인산화/탈인산화 평형이 AMPKγ 서브유닛에 대한 AMP 결합 및 AMPK β-서브유닛의 N-말단 변형을 포함하며, 이는 AMPK 활성화 메커니즘에 또 다른 수준의 복잡성을 추가한다는 것을 나타냅니다.
AMPK의 생리적 기능
이름에서 알 수 있듯이 AMPK는 대사 스트레스에 대한 반응으로 세포 항상성을 위한 동화작용과 이화 작용 프로그램 사이의 균형을 유지하는 데 중요한 역할을 합니다. 포도당/지질 항상성, 체중, 음식 섭취, 인슐린 신호 전달 및 미토콘드리아 생물 발생에 대한 AMPK의 기능적 특성을 감안할 때 AMPK는 제2형 당뇨병 및 비만을 포함한 대사 질환 치료를 위한 주요 치료 타겟으로 간주됩니다.
많은 연구에서 종양 형성에서 AMPK의 역할을 밝혔습니다. AMPK를 암 생물학과 연결하는 초기 보고서에서는 종양 억제 인자인 LKB1의 발견을 주요 AMPK 업스트림 키나아제로 설명했습니다. LKB1 유전자의 유전적 돌연변이는 유전성 포이츠-예거스 증후군(Peutz-Jeghers syndrome)의 원인이 되며, 이는 장에 하마토마투스 용종(hamartomatous polyps)이 발생하는 것을 특징으로 합니다. 그 이후로 많은 in vitro 및 in vivo 연구에서 AMPK가 실제로 LKB1의 종양 억제 효과를 매개한다는 사실이 밝혀졌습니다. 이는 AMPK를 활성화할 수 있는 약물(메트포르민, 펜포르민, A-769662)이 in vivo 모델에서 종양형성의 시작을 지연시킨다는 연구 결과에 의해 뒷받침됩니다.
AMPK의 항종양 작용의 기저에 있는 분자 메커니즘을 이해하기 위해 많은 노력이 기울여졌습니다. 이러한 연구는 mTORC1 및 RNA 중합효소 I 전사 인자 TIF-1A 세포가 빠르게 증식하는 데 필요한 두 가지 모두 AMPK의 제어 하에 있습니다. 또한, AMPK 활성화는 G1 세포주기 정지를 유발하는 것으로 나타났으며, 이는 p53의 활성화와 관련이 있으며, 이어서 세포주기 억제 단백질인 p21의 유도가 뒤따릅니다.
유사하게, AMPK는 사이클린 의존성 키나아제 억제제 p27의 인산화 및 동반 안정화를 유도하여 세포주기 정지를 유발하는 것으로 나타났습니다킵1 신진대사 스트레스에 대한 반응으로. 최근 연구에서는 p53-repsonsive 유전자 산물인 Sestrin1/2를 통해 p53-AMPK-mTORC1 조절의 추가 층을 설명했습니다. 그러나 AMPK는 종양이 확립되면 세포독성제의 작용, 영양 제한 및 저산소증으로부터 종양 세포를 보호할 수 있다는 점에 유의해야 합니다. 따라서 AMPK 활성제는 암 치료에 해로울 수 있습니다.
AMPK 생물학의 또 다른 중요한 측면은 세포 항상성을 유지하는 리소좀 의존성 이화 프로그램인 자가포식에서 AMPK의 역할입니다. 많은 연구에서 AMPK가 두 가지 자가포식 시작 조절인자인 단백질 키나아제 복합체 ULK1(Unc-51-like autophagy-activating kinase)을 직접 인산화함으로써 자가포식 조절에 중요한 역할을 한다는 것을 입증했습니다.
지질 키나아제 복합체 PI3KC3/VPS34(포스파티딜이노시톨 3-키나아제, 촉매 소단위 유형 3, VPS34라고도 함). 많은 보고서에서 당유전분해(glycogenlysis, glycophagy)에서 자가포식(autophagy)의 대사적 중요성을 입증했습니다.
지방 분해 (lipophagy) 그리고 생체 내에서 분화뿐만 아니라 지방 질량을 조절하는 데에도 그렇습니다. 이와 관련하여 AMPK와 자가포식 사이의 분자 연결을 규명하는 것은 신진대사를 포함한 세포 항상성에서 AMPK의 기능적 네트워크를 확장할 수 있는 새로운 방법을 제공할 것입니다.
이러한 기능적 특성을 감안할 때 강력한 AMPK 분석을 개발하고 다양한 인간 질병에 대한 치료법을 제공하기 위해 AMPK 조절제를 식별하기 위해 많은 노력이 기울여졌습니다. 연구에서는 AMPK의 구조와 관련하여 간접 및 직접 AMPK 활성인자와 그 작용 방식에 대한 포괄적인 요약을 제시하고, 치료 표적으로서 AMPK의 함의에 대해 논의합니다.
AMP 활성화 단백질 키나아제(AMPK)의 생리학적 역할 요약.
실제로, AMPK는 AMP 또는 칼슘 축적을 유발하는 모든 조절제에 의해 활성화될 수 있습니다. 이들은 AMPK와 변조기 간의 직접적인 상호 작용이 필요하지 않기 때문에 간접 활성제로 분류됩니다.
비구아나이드
메트포르민(Metformin)은 갈레가 오피시날리스(Galega officinalis) 식물에서 추출한 천연 제품인 구아나이드의 합성 유도체인 비구아나이드(biguanide)의 일종으로, 간 포도당 생성을 줄이고 말초 인슐린 감수성을 향상시키는 능력으로 인해 1차 당뇨병 치료제로 사용되어 왔습니다. 많은 연구에서 메트포르민의 작용이 AMPK에 기인한다는 것을 입증했습니다. Zhou et al.은 AMPK가 메트포르민의 항당뇨병 작용을 매개하는 분자 메커니즘을 밝혔습니다. 지방산 산화 및 포도당 흡수 자극, 지방 생성 유전자 및 간 포도당 생산의 하향 조절.58 메트포르민에 의한 AMPK 활성화는 직접 활성화의 결과가 아닙니다. 대신, 메트포르민은 미토콘드리아 호흡 사슬의 복합체 I을 억제하여 AMP:ATP 비율을 증가시킵니다. 이러한 간접적인 기전은 메트포르민이 AMP-insensitive (R531G) AMPKγ2 subunit을 발현하는 세포에서 AMPK를 활성화하지 못한다는 관찰에 의해 더욱 뒷받침되었습니다. Fullerton et al.의 최근 연구 결과에 따르면 AMPK에 의한 아세틸-CoA 카르복실라아제의 인산화는 메트포르민의 지질 저하 효과와 인슐린 감작 효과에 필요하며, 이를 통해 메트포르민 작용에서 AMPK의 역할을 뒷받침합니다. 그러나 메트포르민이 간 특이적 AMPKα knockout 또는 LKB1 knockout의 동물 모델에서 혈당 수치를 낮춘다는 최근 연구로 인해 AMPK의 역할에 대한 의문이 제기되었습니다. 61 따라서 메트포르민의 AMPK 의존성 효과와 비의존성 효과를 구별하기 위한 추가 연구가 필요합니다.
티아졸리디네디온과 AMPK 효소
글리타존(glitazone)으로도 알려진 티아졸리디네디온(TZD)은 트로글리타존(troglitazone), 피오글리타존(pioglitazone) 및 로시글리타존(rosiglitazone)을 포함하는 인슐린 감작 약물의 한 종류입니다. TZD는 주로 핵 호르몬 수용체인 과산화시좀 증식체 활성화 수용체(PPAR), 특히 친화력이 가장 높은 PPARγ를 활성화하여 작용합니다. 또한 AMPK 활성화를 통해 부분적으로 항당뇨병 효과를 발휘하는 것으로 알려져 있습니다. TZD는 골격근을 포함한 다양한 조직에서 AMPK를 빠르게 활성화하며, 간과 지방 조직, 활성화 메커니즘은 미토콘드리아 호흡 사슬의 복합체 I을 억제한 결과로 AMP의 축적과 관련이 있습니다. 또한, TZD 치료는 지방세포에서 아디포넥틴의 발현 및 방출을 유도하며,63 이는 차례로 골격근과 간에서 AMPK를 활성화하여 포도당 흡수와 지방산 산화를 증가시키고 간 포도당 생산을 감소시킵니다. 따라서 AMPK는 적어도 두 가지 다른 메커니즘을 통해 TZD에 의해 활성화될 수 있습니다.
폴리페놀
의약품 외에도 수많은 자연 발생 화합물 및 식물 화학 물질이 AMPK를 활성화하는 것으로 나타났습니다. 그 중에는 폴리페놀(polyphenols)이 있는데, 이는 여러 개의 페놀 구조 단위가 존재하는 것을 특징으로 하는 천연 또는 합성 제품의 구조적 부류입니다. 구조적 차이에도 불구하고 수많은 폴리페놀이 AMPK를 활성화할 수 있으며 제2형 당뇨병 및 대사 증후군에 유익한 효과를 발휘합니다. 여기에는 적포도에서 추출한 레스베라트롤이 포함됩니다. 과일, 채소 및 곡물을 포함한 많은 식물 단위의 퀘르세틴, Genistein은 콩과 같은 여러 식물에서 발견되며, 녹차에서 epigallocatechin gallate, 베르베린 from Coptis chinensis 그리고 Curcuma longa의 curcumim. 이러한 화합물에 의한 AMPK의 활성화 메커니즘은 이러한 화합물 중 다수가 미토콘드리아 ATP 생성을 억제하는 것으로 알려져 있기 때문에 AMP 수준의 상승을 필요로 하는 것으로 보입니다. 레스베라트롤, 퀘르세틴, 에피갈로카테킨-3-갈레이트 및 커큐민은 미토콘드리아 F를 표적화하고 억제합니다. 1F0–ATPase / ATP 합성효소, 베르베린은 호흡 사슬 복합체 I의 억제와 관련이 있습니다. 레스베라트롤, 베르베린 및 퀘르세틴에 의한 AMPK 활성화의 분자 메커니즘은 이러한 화합물이 AMP-insensitive (R531G) AMPKγ2 subunit을 발현하는 세포에서 AMPK를 활성화하지 못한다는 관찰에 의해 더욱 뒷받침되었습니다.
진세노사이드
인삼은 제2형 당뇨병과 대사증후군에 좋은 효과가 있는 것으로 오랫동안 알려져 왔습니다. 테트라사이클릭 트리테르펜 배당체의 일종인 진세노사이드는 인삼의 주요 약리학적 성분입니다. 현재까지 80개 이상의 구조적으로 다른 진세노사이드가 식물 속 Panax에서 분리되었으며, Rb1, Rb2, Rc, Re, Rg1, Rg2 및 Rg3를 포함한 여러 진세노사이드가 AMPK를 활성화하여 포도당 흡수 증가, 간 트리글리세리드 및 콜레스테롤 수치 감소, 지방 형성 및 간 포도당 생성 억제를 초래하는 것으로 보고되었습니다. 진세노사이드에 의한 AMPK 활성화 메커니즘은 대부분 알려져 있지 않습니다. 그러나 아마도 이러한 화합물은 진세노사이드, Rb1이 세포 내 AMP:ATP 비율을 증가시키는 것으로 보고되었기 때문에 AMP 의존 메커니즘을 통해 AMPK를 활성화할 가능성이 있습니다.
α-리포산
옥탄산에서 파생된 천연 디티올 화합물인 α-리포산(ALA)은 피루브산 탈수소효소 및 α-케토글루타레이트 탈수소효소의 보조 인자로 작용하여 미토콘드리아 생체 에너지 반응에서 중요한 역할을 합니다. 강력한 항산화 특성으로 인해 알파 리포산은 당뇨병 합병증 관리에 사용되는 것으로 상당한 주목을 받고 있습니다. 최근 연구에 따르면 알파 리포산은 다양한 조직에서 AMPK의 활성화를 통해 대사 증후군, 지독성 심근병증 및 내피 기능 장애에 유익한 효과를 발휘하는 것으로 나타났습니다. ALA에 의한 AMPK 조절의 기본 메커니즘은 잘 알려져 있지 않지만, Shen 등은 ALA가 C2C12 근관의 세포 내 칼슘 농도를 증가시킨다고 보고했으며, 이는 LKB1이 아닌 CaMKK가 AMPK 활성화를 담당한다는 것을 시사합니다. AMPK가 식욕 조절에 관여하는 시상하부에서 ALA는 AMPK 활동을 억제하여 음식 섭취를 감소시킵니다. ALA에 의한 AMPK 조절의 분자 메커니즘을 이해하기 위해서는 추가 검사가 필요합니다.
기타 AMPK 변조기
세포 내 에너지 수준이 AMPK 활성의 주요 결정 요인이지만, AMPK는 활성산소종(ROS)의 세포 수준에 매우 민감합니다. 많은 경우, 산화 스트레스는 세포 내 ATP의 고갈을 초래합니다. 그러나 최근 연구에 따르면 ROS는 세포 ATP의 감소 없이도 AMPK 활동을 자극할 수 있습니다. AMPKα 소단위체의 산화적 변형은 산화 스트레스 조건에서 AMPK가 활성화되는 주요 메커니즘인 것으로 보입니다. 따라서, 세포 내 ROS 생성을 유도할 수 있는 모든 조절제는 ATP 수준의 관련 감소 없이 AMPK를 활성화할 수 있습니다. 이러한 조절제는 항당뇨병제를 발휘하는 Salvia miltiorrhiza Bunge의 크립토탄시논입니다. 시스플라틴(cisplatin)과 같은 DNA 손상 물질 또는 비소, 바나데이트 및 코발트를 포함한 금속, ROS 생성을 통해 AMPK를 활성화합니다.
직접 AMPK 액티베이터
여러 AMPK 활성제는 세포 ATP, ADP 또는 AMP 수준의 큰 변화 없이 AMPK에 직접 결합하고 활성화합니다. 대신, 이러한 활성제는 AMPK 복합체에서 형태 변화를 유도하여 AMPK의 특정 소단위체와의 직접적인 상호작용을 통해 활성화를 유도합니다. 2006년 Abbott Laboratories에서 A-769662를 확인한 결과, 비뉴클레오티드 리간드를 사용한 AMPK 활성화가 가능합니다. 직접 AMPK 활성제 개발에 대한 새로운 통찰력을 얻을 수 있었습니다. 또한, AMPK heterotrimer specificity를 가진 activator를 개발할 수 있는 가능성을 열었습니다. 그 이후로 직접 AMPK 활성제를 보고한 수많은 연구에서 동형 특이적 변조제에 대한 의미 있는 진전을 제공했습니다.
5-아미노이미다졸-4-카르복스아미드 리보사이드
첫번째 직접적인 AMPK 활성제, 5-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (AICAR)는, 아데노신 운송업자에 의해 세포로 위로 채택되고 아데노신 키나아제에 의해 인산화된 아데노신 아날로그이어, 따라서 AMP 모방, AICAR 일인산염 (ZMP)를 생성, 셀룰러 AMP와 유사하게 ZMP는 AMPKγ 서브유닛의에 결합합니다. ZMP는 미토콘드리아 기능의 억제를 통해 많은 AMPK 활성제에서 발생하는 ADP:ATP 비율을 변경하거나 산소 흡수를 변경하지 않습니다.
ZMP가 cell-free 체계에 있는 AMP 보다는 매우 보다 적게 유력한 AMPK 활성제가 있더라도, ZMP가 세포에 있는 밀리몰 농도에 축적할 수 있기 때문에 AICAR는 대부분의 세포에 있는 AMPK를 직접 활성화합니다. ZMP는 퓨린 뉴클레오티드 합성 경로의 천연 중간체이며 퓨린 뉴클레오티드 이노시네이트의 합성을 촉매하는 AICAR 트랜스포밀라아제에 의해 대사됩니다. 그러므로, AICAR의 효력은 급속하게 증식하는 세포에서 보다는 정지하는, 1차적인 세포에서 더 명백하게 보입니다. 이 개념으로 일관되게 메토트렉세이트와 Pemetrexed와 같은 AICAR 변형효소를 금하는 항암제는 AICAR의 AMPK 활성화 및 성장 억제 효과에 종양 세포를 민감하게 만듭니다. 이러한 결과는 AMPK가 암을 치료하기 위한 항엽산제의 화학요법 효과에 관여한다는 것을 나타냅니다. 그러나, AMP 아날로그로서, AICAR는 과당-1,6-비스포스파타제와 같은 다른 많은 AMP 의존성 효소를 활성화할 수 있다는 것을 유의해야 합니다.
티에노피리돈(A-769662) 및 벤즈이미다졸(화합물 911) 유도체
Abbott Laboratories는 cell-free 분석에서 정제된 AMPK의 알로스테릭 활성화를 유발하는 티에노피리돈 화합물 A-769662를 개발했습니다. 98 이 화합물은 생체 내에서 AMPK 활성화로 기대할 수 있는 많은 대사 효과를 보여줍니다(정상 쥐의 지방 산화 증가, 비만 쥐의 체중, 혈장 포도당/트리글리세리드 및 간 트리글리세리드 감소). AICAR와 달리 A-769662는 AMPK에 대한 높은 특이성을 보여줍니다. A-769662는 AMP와 유사하게 AMPK 복합체를 알로스테릭하게 활성화하고 AMPKα 서브유닛에서 Thr-172의 탈인산화를 억제합니다. 그러나 A-769662는 AMPK를 활성화하기 위해 다른 분자 메커니즘을 사용하는 것으로 보입니다.
특히, AMPKα 서브유닛에서 Thr172 인산화 없이 AMPK를 알로스테릭하게 활성화하며, 이는 AMP 종속 AMPK 활성화에 절대적으로 필요합니다. 중요한 것은 AMPKβ1 subunit에서 Ser108의 인산화가 필요합니다. 전문가는 것입니다. 또한, AMP와 A-769662에 의한 강력한 시너지 효과 AMPK 활성화는 in vitro 및 in vivo 모두에서 관찰되었으며, 이는 A-769662와 AMP가 AMPK 복합체에서 서로 다른 결합 부위를 가지고 있으며 활성화 메커니즘이 다르다는 것을 명확하게 보여줍니다. 또 다른 직접 AMPK 활성제인 화합물 911이 최근에 확인되었습니다. 911은 A-769662보다 AMPK를 동종적으로 활성화하고 탈인산화를 방지하는 데 5–10배 더 강력한 것으로 보고되었습니다. A-769662와 유사하게, 991은 AMPKβ subunit의 Ser108 돌연변이를 포함하는 AMPK 복합체를 활성화하지 않으며,
이는 이 두 AMPK 조절인자가 AMPK 활성화의 유사한 분자 메커니즘을 공유함을 시사합니다. 샤오 B 외12 A-769662 또는 991의 존재 하에 전장 인간 AMPK 복합체의 결정 구조를 해결했습니다. 이 구조에서 A-769662 및 911은 모두 AMPKα 서브유닛의 KD와 β-서브유닛의 탄수화물 결합 모듈(CBM) 사이의 부위에 위치하며, 이 부위는 AMPKγ 서브유닛의 아데닌 뉴클레오티드 결합 부위와 구별되는 부위입니다. 흥미롭게도, 두 화학 물질 모두 β2 동형이 아닌 β1을 포함하는 AMPK 복합체에 대해 특이성을 나타냅니다.
살리실레이트(아스프린의 프로 약물)
살리실레이트는 전통적으로 버드나무 껍질에서 추출하는 천연 화합물입니다. 아세틸 살리실레이트(아스피린)는 살리실레이트보다 경구로 복용하기 쉬운 유도체이며 순환계에 들어가면 빠르게 살리실레이트로 분해됩니다. 사이클로-옥시게나제(COX1 및 COX2)가 아스피린의 확립된 표적이지만, 최근에는 살리실레이트(아스피린은 아님)가 AMPK의 직접 활성제라는 사실이 보고되었습니다.
A-769662와의 구조적 유사성에 따라, 살리실레이트는 A-769662가 목표로 삼은 부위와 겹치는 부위에서 결합하는 것으로 보입니다. 두 화합물 모두 알리실레이트가 A-769662의 효과를 길항하면서 알로스테릭 활성화를 일으킵니다. 또한 두 화합물의 효과는 AMPKβ1 소단위체에 크게 의존하지만 AMPKβ2에는 의존하지 않습니다.
두 화합물 모두 AMPKβ1 subunit의 Ser108 돌연변이가 있는 AMPK 복합체를 활성화하지 않습니다. 티에노피리돈(A-769662), 벤즈이미다졸(화합물 911) 및 살리실레이트 유도체가 대부분의 AMP-모방 또는 ATP-고갈 AMPK 활성제와 다른 메커니즘으로 AMPK를 활성화한다는 점을 고려할 때, 이들 분자와 간접 AMPK 활성제의 조합은 대사 장애 및 암과 같은 병태생리학적 상태에 대한 AMPK의 효과를 증가시킬 것으로 예상됩니다.
화합물 C-13
1,200개의 AMP 모방체가 포함된 화학 라이브러리의 최근 스크리닝에서 화합물-2(C-2)라고 하는 5-(5-하이드록실-이소옥사졸-3-일)-푸란-2-포스폰산과 그 전(親)약물 C-13이 AMPK의 강력한 알로스테릭 활성제로 확인되었습니다. 108 후속 연구에서는 C-2가 AMP의 효과를 모방하여 AMPK를 자극하는 분자 메커니즘을 입증했습니다. AICAR로 관찰된 바와 같이 한 가지 우려는 C-2가 AMPK(PFK1, FBP1 및 글리코겐 인산화효소) 이외의 AMP 조절 효소에 영향을 미칠 수 있다는 가능성입니다.
그러나, C-2는 이들 효소 중 어느 것에도 영향을 미치지 않으며, AMP를 기질로 사용하는 몇몇 효소에도 영향을 미치지 않는다. 여러 AMPK 복합체를 사용한 시험관 내 무세포 분석에서 C-2가 AMPK(10–30nm의 EC50)의 강력한 알로스테릭 활성제임을 밝혀냈습니다. 실제로 C-2는 A769662보다 >20배 더 강력하며 AMP보다 2배 이상 더 강력한 것으로 보고되었습니다.
또한, C-2 및 C-13은 아데닌 뉴클레오티드 수치에 유의한 변화를 유도하지 않습니다. 정확한 C-2 결합 부위는 확인되지 않았지만 Hunter et al.109전문가는 C-2가 AMPKγ 서브유닛에 결합하기 위해 AMP와 경쟁한다고 제안했습니다. 놀랍게도, AMPK 활성제 C-2 및 C-13은 AMPKα1 서브유닛에 대해 동형 특이성을 나타냅니다.
AMPK 복합체의 구조 분석 AMPKα 동형 특이적 항체를 생성하는 데 사용되는 α-regulatory subunit-interacting motif-2(α-RIM2) 영역에서 AMPKα1 및 α2 subunit의 서로 다른 서열이 γ-subunit의 Site 3에 결합된 AMP의 한 면과 C-2의 고유한 상호 작용을 초래하며, 이는 AMPKα 동형에 대한 C-2의 선택성을 설명합니다. C-2/C-13의 식별은 CBM 의존성 AMPKβ 서브유닛 특이성을 보여주는 A-769662와 구별되는 직접 및 동형 특이적 AMPK 변조기 개발의 예를 나타냅니다.
PT-1
AMPK의 또 다른 소분자 활성제인 PT-1은 초기에 KD와 AID만 포함하는 절단된 AMPKα1 구조를 활성화하는 화합물 스크린을 통해 분리되었습니다. 111 PT-1은 AMPKα1 KD-AID 구조체뿐만 아니라 완전한 AMPK α1β1γ1을 활성화하지만 AMPKα1 KD 구조체는 활성화하지 않으며, 이는 PT-1이 KD와 AID 사이의 틈에 직접 결합하여 자가 억제를 완화한다는 것을 시사합니다. cell-free kinase 분석의 결과와 일관되게 PT-1은 세포 AMP:ATP 비율의 큰 변화 없이 L6 근관에서 AMPK의 잘 특성화된 기질인 Ser79에서 ACC의 인산화를 증가시키는 것으로 나타났습니다. 그러나 이 결과는 Jensen et al.의 최근 보고서에 의해 의문이 제기되었습니다.
PT-1이 미토콘드리아 호흡 사슬 복합체의 억제를 통해 AMPK를 간접적으로 활성화하여 이전에 제안된 것처럼 AMPKα1 소단위체에 직접 결합하는 대신 세포 AMP:ATP 및/또는 ADP:ATP 비율을 증가시킨다는 것을 보여줍니다. 111 PT-1이 세포 내 AMP 수준을 증가시킨다는 개념에 따라 PT-1은 AMP에 민감하지 않은 AMPKγ1 R299G 돌연변이를 발현하는 HEK293 세포에서 AMPK를 활성화하지 않으며, 이는 PT-1이 간접 활성제로 기능한다는 것을 시사합니다. 또한, 이 연구는 PT-1이 배양된 마우스 근육에서 γ1-subunit을 포함하지만 γ3를 포함하지 않는 AMPK 복합체를 선택적으로 활성화한다는 것을 보여주었습니다.
저자들은 PT-1이 근육에서 γ3 함유 복합체를 활성화하지 못하는 것은 그러한 복합체의 본질적인 특징이 아니라 PT-1이 γ3 복합체를 포함하는 뚜렷한 세포 내 구획에서 세포 AMP:ATP 비율을 증가시키지 않기 때문에 발생한다고 제안했습니다. 따라서 PT-1 작용의 분자 세부 사항은 이러한 모순된 결과에 의해 제기된 질문을 해결하기 위해 추가로 연구되어야 합니다.
MT 63–78 (디바이오0930)
또 다른 AMPK 직접 조절제인 MT 63–78(Debio0930)은 최근 AMPK를 동종적으로 활성화하는 것으로 확인되었습니다. 생화학적 분석에 따르면 MT 68–78의 효과는 A-769662 및 살리실레이트에서 볼 수 있듯이 AMPKβ1 소단위체를 포함하는 AMPK 복합체에 대해 매우 선택적인 것으로 나타났습니다.
특히, MT 63–78은 AMPK의 동시 활성화와 함께 전립선암 세포주의 성장을 강력하게 억제하지만 세포 ATP, ADP 및 AMP 수준에는 큰 변화가 없습니다. 중요한 것은 전립선암에 대한 MT 63-78의 성장 억제 효과가 A-769662보다 최소 10-40배 높다는 것입니다. 많은 전립선암 모델에서는, 안드로겐은 암의 종양 형성 그리고 진행을 추는 것으로 믿어집니다. 그러므로, 안드로겐 박탈 요법은 이 암을 대우하는 첫번째 선택권입니다. 그러나, 많은 경우에, 안드로겐 신호전달 캐스케이드는 안드로겐 수용체, 예를 들어, 안드로겐 수용체 길항제(androgen receptor antagonist)를 표적으로 하는 화학요법 치료 후에 재활성화된다MDV3100.115 전립선암에서 안드로겐에 의한 de novo lipogenesis의 상향 조절도 암 발생과 밀접한 관련이 있습니다.
AMPK가 de novo lipogenesis를 부정적으로 조절한다는 점을 고려하면, AMPK 활성제와 안드로겐 수용체 억제제의 병용 치료는 항전립선 암 약물로서 협력적으로 기능할 수 있습니다. 이 개념의 임상적 잠재력은 치료 시험에서 입증되었습니다. 이 임상시험은 de novo lipogenesis의 억제가 AMPK의 성장 억제의 핵심 기전이며 MT 63-78이 전립선암 세포의 성장에 대한 안드로겐 수용체 길항제(MDV3100)의 억제 효과를 향상시킨다는 것을 보여주었습니다. 또한, MT 63-78의 성장 억제 효과는 전립선암 세포에 국한되지 않으며, LKB1-null A549 세포 및 B-RAF 돌연변이(V600E) KTC-1 세포에서도 관찰되었습니다. 이러한 결과는 MT 63-78이 광범위한 암의 성장을 늦추어 현재 항암제의 화학요법 효과를 증가시킨다는 것을 시사합니다.
관점
메트포르민(metformin), TZD, 2-데옥시글루코스(2-deoxyglucose)와 같이 생리학적 임상시험에서 AMPK를 활성화하는 것으로 밝혀진 대부분의 약제는 산화적 인산화(oxidative phosphorylation) 및 해당과정(glycolysis)을 억제하여 ADP(AMP):ATP 비율을 증가시키는 간접 활성제입니다. 그러나 이러한 약제의 효과가 AMPK에 의해 매개되는지 여부가 항상 명확하지는 않습니다. 이러한 의미에서 AMPK 활성제의 분자 메커니즘을 입증하고 많은 인간 질병에 대한 결과 생리학을 검증하는 데 많은 노력이 집중되었습니다. AMPK 활성제를 개발할 때 또 다른 우려 사항은 동형 특이적 AMPK 복합체 간에 기능적 차이가 있다는 것입니다.
예를 들어, AMPK α2β2γ3 복합체는 주로 골격근의 운동에 의해 활성화됩니다. 따라서 AMPK α2β2γ3의 특정 표적화. 직접 AMPK 활성제를 보고한 최근 연구는 동형 특이적 변조제 개발에 의미 있는 진전을 제공했습니다. AMPKα subunit의 경우, C-2(또는 pro-drug C-13)는 AMPKα1 subunit을 포함하는 AMPK 복합체를 선호합니다.
A-769662와 유사하게 여러 화합물,12 살리실레이트(아스피린의 친약물) 및 MT 68–78113 특이적으로 AMPKβ1 함유 복합체를 활성화하지만 AMPKβ2를 함유하는 복합체는 활성화하지 않습니다. AMPKγ subunit의 경우, 세포 수준에서의 추가 연구가 필요하지만, in vitro 생화학적 데이터에 따르면 PT-1은 AMPKγ1 subunit을 품고 있는 AMPK 복합체에 대해 특이성을 갖는 것으로 나타났습니다. 이러한 활성제 외에도 많은 제약 회사들이 AMP와 구조적으로 관련이 없는 새로운 AMPK 활성제에 대한 특허 출원을 제출했습니다특허 문헌에 있는 AMPK 활성제의 포괄적인 목록은 다른 곳에서도 확인할 수 있습니다.
직접 AMPK 활성제의 대다수가 F. Hoffmann-La Roche AG에서 보고된 알켄 옥시인돌 유도체를 제외하고는 A-769662의 원래 티에노피리돈 코어 구조와 매우 유사합니다. 전문가는 점은 매우 흥미롭습니다. A-769662의 AMPK 독립적 효과를 시사하는 최근 보고를 감안할 때,직접 AMPK 활성제의 누적 수의 분자적 기초를 명확히 하기 위해서는 활성화 메커니즘을 비교하고 AMPK 복합체 조합 전반에 걸친 선택성 프로필을 분석하여 추가 연구가 필요합니다.
전임상 연구에서 밝혀진 AMPK 활성제의 흥미로운 측면 중 하나는 다양한 AMPK 활성제의 조합으로 인한 치료 효과가 향상된다는 것입니다. 지방형성 경로의 마스터 조절자로서, AMPK는 지방산 합성의 상향 조절이 많은 암의 특징이기 때문에 추가적인 화학요법 표적이 될 수 있습니다.
아스피린(살리실레이트)과 메트포르민의 조합이 전립선암 및 폐암 세포의 클론생성 생존을 효과적으로 감소시킨다는 증거가 있습니다. 일관되게 배양 배지에 지방산 및/또는 콜레스테롤을 첨가하면 세포 생존에 대한 살리실레이트와 메트포르민의 억제 효과가 역전되며, 이는 새로운 지방 형성의 억제가 중요합니다.
마찬가지로, 직접 AMPK 활성제는 항화학요법 시약을 위한 새로운 치료 경로를 열 수 있습니다. 기존의 간접 AMPK 활성제의 경우, 작용 기전은 생리학적 AMPK 활성화를 위해 업스트림 키나아제 LKB1을 필요로 합니다. 따라서 항암제로서 간접 AMPK 활성제의 잠재력은 LKB1 결핍 종양, 특히 30% 이상이 LKB1 불활성화 돌연변이를 가진 비소세포폐암에 국한됩니다. 이러한 측면에서, 직접 AMPK 활성제는 이러한 한계를 극복할 수 있습니다. 증거는 AMPK 활성제인 MT 63–78에 대한 성장 억제 반응이 업스트림 AMPK-활성화 키나아제 LKB1의 상태에 영향을 받지 않는다는 것을 보여줍니다.
결론적으로, AMPK의 직접적인 활성인자를 규명하는 최근의 발전으로 인해 AMPK는 많은 인간 질병에 대한 ‘약물 투여 가능한’ 표적이 되었지만, AMPK가 생리학적 결과를 생성하기 위해 독특하고 다양한 다운스트림 표적을 조절하는 분자 메커니즘에 대한 통찰력을 얻기 위해서는 추가 연구가 필요합니다.
댓글0