徐华强课题组Science发文：ATP结合状态下抑制型AMPK复合物的高分辨率结构

徐华强课题组Science发文：ATP结合状态下抑制型AMPK复合物的高分辨率结构

　　

　　中国科学院上海药物研究所徐华强课题组与美国温安洛研究所（Van Andel Institute）Karsten Melcher等多个课题组合作，于北京时间2021年7月23日以Structure of an AMPK complex in its inactive, ATP-bound state 为题在国际顶级期刊Science在线发表了关于腺苷酸活化蛋白激酶（AMP-activated protein kinase，AMPK）的重要研究成果。该团队利用Cryo-EM 技术首次解析了ATP结合状态下的抑制型AMPK复合物的高分辨率结构，阐述了AMPK的活性调节机制，提出了AMPK激活、失活、再激活的循环通路模型。

　　AMPK是细胞内最重要的能量感受器和调节器，可感知能量状态变化并作出响应，调节多种代谢活动来维持能量生成与消耗的供需平衡。AMPK的底物涉及细胞生长、繁殖和代谢过程中的多种关键酶和转录调控因子，因此AMPK功能失常与代谢类疾病如糖尿病、肥胖等，以及癌症的发生密切相关。

　　作为调节能量代谢的开关，AMPK的活性受到细胞能量水平，即腺嘌呤核苷酸（AMP、ADP和ATP）水平的影响。低能状态下，AMP诱导AMPK激活。反之，能量过剩时，ATP竞争性地取代AMP以抑制AMPK活性。虽然AMP结合下的激活型AMPK晶体结构早已得到解析，但由于ATP结合下的抑制型AMPK具有高度动态性，该结构的解析工作极具挑战，困扰了科学家们长达二十多年之久。也正是由于结构信息的缺乏，目前AMPK的活性调节机制尚不明晰，很大程度上阻碍了药物发现的进程。

　　为了攻克这一难题，合作团队筛选了抑制型AMPK的特异性抗体稳定整个复合物，并利用冷冻电镜技术解析了ATP结合状态下的抑制型AMPK复合物近原子分辨率的冷冻电镜结构。令人惊讶的是，该结构显示了完全不同于激活型AMPK的催化结构域（Kinase Domain， KD）构象，即空间上进行了180°的旋转和100Å的位移，导致活化环（Activation loop， AL）充分暴露，且处于非磷酸化的状态。这种大幅度的构象变化极为罕见。基于此结构和后续大量的生化分析，该团队提出了一个多步骤机制模型，揭示了腺嘌呤核苷酸和药物激动剂通过改变活化环的磷酸化水平和可及性来调节AMPK活性的全过程。

　

　　a, 复合物的冷冻电镜结构图。腺嘌呤核苷酸（插图左）和活化环（插图右）电子云密度图。 b, ATP结合且非磷酸化的抑制型结构（左），AMP结合且磷酸化的激活型结构（PDB 4RER, 中）和ATP结合且磷酸化的结构（右）对比图。

　　完全激活状态下的AMPK，KD和CBM均被磷酸化，AMP和药物激动剂通过与β-linker两侧区域形成静电相互作用网络而提高了β-linker的稳定性。而能量过剩时，高水平的ATP取代AMP结合在γ亚基CBS3处，削弱了相互作用网络从而破坏了β-linker和KD的活性构象，导致AL对磷酸酶的可及性增加。故在此“半激活” 状态下，AL/β-linker和CBM/KD相互作用的去稳定化会进一步增加AL和CBM的去磷酸，导致KD与CBM脱离并发生大幅度位移，造成AMPK的完全抑制。而当细胞再次进入低能状态时，AMP重新取代CBS3处的ATP，诱导AMPK的某种构象变化促使上游激酶LKB1对AMPK的AL再度磷酸化。

　 

　　AMPK激活、失活循环模型图。完全激活型、磷酸化的状态（左），部分激活型、磷酸化的状态（上）和抑制型、去磷酸化的状态（右）的构象转变。

　　上海药物所2018届博士毕业生（现为美国温安洛研究所博士后）闫焱为本文的唯一第一作者。该研究同时受到美国芝加哥大学Anthony A. Kossiakoff课题组、美国Scripps研究所Patrick R. Griffin课题组和美国梅奥诊所医学中心Laurence J. Miller课题组的大力支持。

　　文章链接：https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abe7565

　　供稿部门：徐华强课题组