p21激活的激酶4介导的AMP激活的蛋白激酶抑制对小鼠和人类肌肉减少症的负面影响

《MedComm》：Negative Impact of p21-Activated Kinase 4-Mediated AMP-Activated Protein Kinase Inhibition on Sarcopenia in Mice and Humans

AMPKα2磷酸化介导的PAK4信号通路通过抑制肌肉代谢重编程和自噬相关蛋白，促进肌少症相关肌肉萎缩，而PAK4基因敲除或PROTAC靶向降解PAK4可激活AMPK-PGC-1α通路，改善线粒体功能并抑制肌肉分解。人类肌少症组织中PAK4表达升高且与AMPKα2-S491磷酸化正相关，提示靶向PAK4-AMPK轴可能成为治疗肌少症的新策略。

　　
本研究聚焦于PAK4蛋白在肌肉萎缩中的调控机制及其作为潜在治疗靶点的价值。通过构建肌肉特异性PAK4基因敲除小鼠模型，结合PROTAC技术靶向降解PAK4，以及分析人类萎缩性肌肉样本，研究揭示了PAK4通过磷酸化AMPKα2的S491位点抑制AMPK活性，进而导致线粒体功能障碍和肌肉蛋白降解的分子机制。这一发现为开发新型抗肌萎缩疗法提供了理论依据。

在动物实验部分，研究团队观察到PAK4蛋白水平在多种萎缩模型（糖皮质激素诱导、神经切断、衰老等）中均显著升高。通过基因编辑技术，敲除PAK4的小鼠在糖皮质激素处理下展现出更强的肌肉维持能力，表现为体重下降幅度较小、握力保持更稳定，且腓肠肌湿重和肌纤维直径均优于野生型对照组。值得注意的是，PAK4缺失不仅改善肌肉结构，还通过激活AMPK-PGC1α信号通路增强线粒体生物合成，具体表现为电子传递链蛋白表达上调和mtDNA含量增加。在去神经模型中，PAK4敲除小鼠的肌肉萎缩程度显著低于野生型，且线粒体动力学相关蛋白DRP1表达水平更高，说明PAK4缺失能改善线粒体分裂与融合平衡。

PROTAC技术作为新型蛋白降解工具，在实验中显示出与传统抑制剂不同的优势。使用PAK4靶向PROTAC（SJ-05）的小鼠在糖皮质激素处理后，不仅肌肉质量保留优于单独使用激素组，还表现出更显著的AMPK活性恢复和线粒体功能改善。机制研究显示，PROTAC处理后PAK4蛋白水平显著降低，伴随AMPKα2-S491磷酸化下降和T172磷酸化升高，这解释了为何PROTAC能同时激活AMPK下游的PGC-1α和PI3K-Akt通路。特别是，通过过表达S491磷酸化缺陷型AMPKα2突变体，研究证实该位点磷酸化状态直接影响肌肉抗萎缩能力，进一步验证了PAK4与AMPKα2的互作关系。

人类样本分析发现，萎缩性肌肉组织中PAK4蛋白表达水平是非萎缩对照组的1.5-2倍，且与握力、肌肉质量指数呈显著负相关。免疫荧光和蛋白质印迹结果显示，PAK4过度表达与AMPKα2-S491磷酸化增强相关联，同时伴随线粒体氧化磷酸化蛋白表达下调和泛素连接酶MuRF1、Atrogin-1水平升高。值得注意的是，虽然总AMPKα蛋白水平在萎缩性肌肉中降低，但S491磷酸化特异性增强，这提示PAK4可能通过选择性磷酸化AMPKα2亚型来抑制其活性。

在机制探讨方面，研究发现PAK4通过双重途径加剧肌肉萎缩：一方面抑制AMPK-PGC1α线粒体生物合成通路，另一方面激活PI3K-Akt降解通路。具体表现为，PAK4缺失导致AMPKα-T172磷酸化水平回升，同时通过抑制 Akt信号轴减少肌肉蛋白降解。这种双重调控机制解释了为何PROTAC处理后既能改善线粒体功能，又能促进肌肉再生。特别在糖皮质激素模型中，发现GRE元件位于PAK4启动子区域，这为激素诱导的PAK4过表达提供了分子基础。此外，研究还揭示了PAK4蛋白稳定性受cAMP-PKA和Sirt1调控的机制，当这些通路在萎缩模型中受损时，PAK4蛋白半衰期延长，加剧肌肉萎缩。

在应用层面，PROTAC技术展现出独特优势。与传统抑制剂相比，PROTAC通过泛素-蛋白酶体系统特异性降解目标蛋白，减少了非靶向影响。实验显示，10mg/kg剂量的SJ-05即可显著改善糖皮质激素诱导的肌肉萎缩，且对体重和体脂分布影响较小。这种精准调控能力提示PROTAC可能成为治疗难治性肌肉萎缩的理想选择，尤其对无法耐受传统抑制剂副作用的患者具有临床价值。

研究同时指出了未来需探索的方向：首先需验证性别差异对PAK4调控的影响，因现有研究仅涉及雄性小鼠；其次需比较PROTAC与PAK4酶抑制剂在疗效和安全性上的优劣；最后需扩大人类样本量以增强结论可靠性。此外，发现PAK4与Sirt1存在负反馈关系，这为开发靶向AMPKα-S491磷酸化阻遏剂的联合疗法提供了新思路。

本研究的临床意义在于首次建立了PAK4-AMPKα2磷酸化轴与肌肉萎缩的明确关联。该机制为设计靶向PAK4的药物提供了新靶点，PROTAC技术成功应用于肌肉疾病治疗具有里程碑意义。未来研究可结合单细胞测序和空间转录组技术，深入解析PAK4在肌肉不同细胞类型中的时空特异性表达模式，以及与其他萎缩相关信号通路（如mTOR、FoxO）的交互作用。这些探索将推动从基础研究到临床转化的实质性进展，为老年性肌萎缩、癌症相关性肌肉消耗等疾病提供创新疗法。