AMPK家族蛋白激酶的调控机制研究

单磷酸腺苷激活的蛋白激酶（AMPK）是机体代谢调控的关键分子，它通过感知细胞内的AMP/ATP浓度比，调控一系列代谢途径来维持细胞的能量稳态。此外，还有12个蛋白激酶在进化上与AMPK密切相关（AMPK-RK），它们在细胞极性、细胞周期、神经发育、癌症发生等多个领域发挥了重要作用。AMPK和AMPK-RK共同组成了AMPK蛋白激酶家族，是代谢综合征、癌症等疾病药物研发的重要靶标。本项目主要运用结构生物学方法，研究AMPK家族蛋白激酶的空间结构，并结合酶促动力学方法，研究其活力调控的分子机制。在项目实施期间，我们对AMPK感知细胞内AMP/ATP浓度比的分子基础、AMPK的α亚基受其他亚基别构调控的分子机制、UBA结构域在AMPK家族激酶不同成员中的调控作用、以及多个AMPK家族成员分子的活力调控机制方面进行了细致的研究，取得了多项重要进展。通过解析AMPK核心结构域在不同核苷酸结合状态下的晶体结构，我们揭示了AMPK γ亚基上感知细胞内AMP/ATP浓度比的关键位点；综合结构信息和生化实验的结果，我们进一步确认了AMPK α亚基上的自抑制区域（AID，即UBA结构域）的保守调控作用，同时也指认了α亚基上两个关键保守调控元件α-RIM1和α-RIM2，并提出了AMPK别构调控的分子模型；我们解析了不同AMPK家族成员的KD-UBA片段的晶体结构，这些UBA结构域都形成了保守的三螺旋束结构，但与激酶结构域的相互作用却采取了至少三种不同的模式，而且在AMPK家族各个成员的活力调控中发挥着不同的作用；我们解析了MELK蛋白激酶的KD-UBA片段的晶体结构，揭示了氧化还原状态调控MELK激酶活力的结构基础；我们发现SAD-A蛋白激酶具有两个负调控区域（UBA和AIS），协同调控SAD-A的激酶活力，并解析了SAD-A两个不同片段的晶体结构，揭示了UBA和AIS的负调控机制，此外还发现SAD-A的C端KA1结构域能够结合特定脂类，进而提出了与膜定位密切相关的SAD-A蛋白激酶激活模型。这些研究成果大大促进了人们对AMPK家族蛋白激酶的活力调控机制的认识，揭示了蛋白家族内保守结构域在不同成员中执行特异性功能的分子机制，也为相关药物的设计研发提供了崭新的思路和坚实的理论基础。