能量代謝相關傳訊

(一) AMP-activated protein kinase (AMPK)

AMPK是一個異三聚體(Heterotrimeric)蛋白質，含有催化部位α和調節部位 β和γ(127-129)。在α(α1和α2) 和β(β1和β2)皆由兩個基因所組成，而γ則由三個基 因組成(γ1、γ2和γ3)。AMPK會被細胞中AMP/ATP的比例增加所活化，是做為 細胞能量狀態的感應者。AMP異位活化AMPK是藉由上游腫瘤抑制因子LKB1 磷酸化α subunit Thr-172這個位點，進而活化AMPK(127, 128, 130)。AMP的結 合會抑制去磷酸酶蛋白質對Thr-172的去磷酸化作用，而高濃度的ATP狀態會抑 制AMPK的活化。而最近研究發現Calmodulin-dependent protein kinase kinase (CaMKK)為AMPK另一個上游的kinase，CaMKK活化AMPK主要是受細胞內鈣 離子濃度增加所導致的，並非細胞內AMP/ATP的比例改變(131)(如圖1-3)。

CaMKK主要是表現在CNS，在其他組織如肝臟和肌肉其表現很低，推測AMPK 的路徑會有不同組織特異性(132)。5-aminoimidazole-4-carboxamide riboside (AICAR)是一種人工合成的的AMPK活化劑，結構類似AMP。

圖 2-3 Structure and regulation of AMPK 資料來源：Long 等人., 2006 (133)

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活化 AMPK 會走向生成 ATP 的路徑，並且關閉消耗 ATP 的路徑，在肌肉 細胞，急性活化 AMPK 會增加葡萄糖的汲取和脂肪酸的氧化，而長期活化 AMPK 則與粒線體的生合成有關。在肝臟活化 AMPK 會抑制葡萄糖和脂質的合 成，但會增加脂肪酸的氧化(133)。在白色脂肪組織，利用 AMPK 的活化劑 AICAR 處理初代脂肪細胞，發現急性活化 AMPK 對脂肪細胞葡萄糖汲取、脂 質生合成和脂肪酸的氧化均降低，而脂肪酸氧化減少是因為 AICAR 誘導的 AMPK 活化減少了細胞對脂肪酸的汲取(134)，而 AMPK 長期活化不但減少葡 萄糖汲取，葡萄糖轉變為脂肪酸、胞外脂肪酸的汲取外，並增加脂肪酸的氧化 (135)。總而言之 ，在肌肉、肝臟和脂肪組織中 AMPK 的活化可使體內有良好 的代謝環境，並且可預防或治療第二型糖尿病，包括可降低葡糖糖的循環、減 少血脂質和不正常的脂質堆積，進而改善胰島素的敏感性或有降體脂功能。

在台灣，周等(126)利用 TNF-造成 FL83B 肝細胞與 C2C12 肌細胞胰島素 阻抗，觀察投予物對細胞葡萄糖汲取改善能力，利用此平台篩選苦瓜莖分離物，

找 出 三 種 triterpene 化 合 物 (23E)cucurbita-5,23,25-triene-3,7-diol 、 3,25-dihydrox-7-methoxycucurbita-5,23(E)-diene 及 3,7,25-trihydroxycucurbita-5,23(E)-diene-19-al，在 5-25 g/mL 劑量下可促進 葡萄糖汲取能力，並在肝細胞促進 IRS-1 的酪胺酸磷酸化(如 insulin)及 AMPK 磷酸化。這三個化合物過去也曾經從苦瓜分離出並鑑定有抗糖尿病功效(136, 137)，但活化 AMPK 角色直到最近才被注意。目前並不知道苦瓜籽油中是含有 這些三萜類化合物或具有活化 AMPK 作用。

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(二) Protein kinase A / cAMP-dependent protein kinase (PKA)

PKA是一個 serine–threonine kinase，當腎上腺素 (Epinephrine) 刺激細胞 膜進而提高cAMP的濃度就會活化 PKA (138, 139)。在PKA路徑， G-protein receptor 為一個穿膜七次的蛋白質，參與很多細胞內的傳訊，當細胞外的荷爾 蒙結合至G-protein receptor，會使構型改變而活化G-protein heterotrimeric。當 G-protein活化會使G-protein的subunit Gsα活化 adenylyl cyclases (ACs)，ACs 就會將ATP轉換成cAMP。 當cAMP與PKA結合，會分開不活化的holoenzyme 並且磷酸化下游目標基因(140) (如圖1-4)。

已知PKA holoenzyme 有四個 subunit，分別為兩個催化活性部位 (PKAC subunits)，另外兩個為調控酵素活性部位 (PKAR subunits) 。當結合在一起時 為不活化的Heterotrimeric enzyme。而當細胞膜的訊號來時，細胞內cAMP的濃 度會上升，則cAMP就會結合至調節部位，而釋放催化活性部位PKAC，使之自 由。

圖 2-4 General overview of protein kinase A signaling 資料來源：Kirschner 等人., 2009 (141)

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PKA的活化與β-adrenergic刺激有關，其結果在脂肪組織除了促進脂解(如前 述)外，可能也會促進生熱(如圖1-5)。β-adrenergic刺激會誘發cAMP依賴路徑，

在 棕 色 脂 肪 細 胞一 方 面 增 加 脂解 釋 出 脂 肪酸 提 供 氧 化 ， 也會 增 加 粒 線 體 Uncoupling protein 1 (UCP1)活性，去偶和氧化磷酸化反應以促進生熱(142)，在 鼠類增加棕色脂肪組織UCP1表現被認為是對抗飲食誘導肥胖的對策之一。

給予小鼠β-adrenoreceptor的促進劑 CL 316243或將小鼠置於低溫下以增 強β-adrenergic刺激，證明可減少白色脂肪組織量，同時發現白色脂肪組織出現 會表現 UCP1 的multilocular細胞，類似棕色脂肪細胞(143)。雖然這些棕色脂 肪細胞的來源還不清楚，但可確定的是增加β-adrenergic刺激有助降體脂。

圖 2-5 The role of cAMP and insulin in regulation of energy expenditure in brown and brown-like adipocytes

資料來源：Lise 等人., 2010(144)

AMPK 與 PKA 磷酸化蛋白質後可能改變酵素活性或轉錄因子活性而影響 下游基因表現。例如 AMPK 或 PKA 均可磷酸化 acetyl-CoA carboxylase (ACC) 造成酵素失活(如圖 1-6)。在哺乳動物，ACC 有兩種 isoforms，稱為 ACC1(or

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ACC265、ACCα) 和 ACC2(or ACC280、ACCβ)，前者生成的 malonyl-CoA 作 為 Lipogenesis 受質，後者生成的 malonyl-CoA 可抑制 CPT1 因而抑制脂肪酸 β-oxidation。ACCα 主要表現在脂質合成多的組織，如肝臟、白色脂肪組織和乳 腺(145, 146)，而 ACCβ 主要是表現在骨骼肌和心臟(147, 148)。總之活化的 ACC 會促進脂肪酸合成、抑制脂肪酸氧化代謝。

ACCα 有幾個絲胺酸磷酸化位點，在動物體中這些磷酸化位點會被 PKA (Ser 1200)和 AMPK (Ser 79)所磷酸化，進而使 ACC 失活。研究顯示 AMPK 磷 酸化 ACC 可減少 80~90% ACCα 的 Vmax，而 PKA 磷酸化 ACC 頂多只能減少

＜15%的 V_max。在大鼠 AMPK 磷酸化 ACCα 磷酸化位點為 Ser 79，而對 ACCβ 磷酸位點則是 Ser 218，這些磷酸化作用會降低 Vmax，並且增加對 Citrate (activator of ACC )的 Ka(149-153)。

不論 AMPK 或 PKA 也均可磷酸化轉錄因子 cAMP response-element binding protein (CREB) ， 而 使 其 結 合 至 DNA 上 ， 進 而 改 變 下 游 基 因 的 Transcription (154)(如圖 1-6)，已知能量代謝相關 CPT、Cytochrome c 與 PPAR-

coactivator 1- (PGC1)均是 CREB 下游基因。

圖 2-6 Regulation of acetyl-CoA carboxylase by allosteric effectors (green) and protein phosphorylation (red)

資料來源：Saggerson 等人., 2008 (155)

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(三) Leptin signaling

1994年Leptin在基因突變的ob老鼠身上發現，缺乏這種蛋白質是ob/ob老鼠 嚴重肥胖原因(156)。Leptin主要表現於脂肪組織，分泌出Leptin在下視丘降低促 進食慾（orexigenic）及增加抑制食慾的胜肽(anorexigenic peptide)，達到抑制食 慾及減重功效(157)；Leptin調控能量的代謝、增加能量的消耗並且減少能量的 攝取，因此leptin被認為是能量效率的代謝中樞。在肥胖者的身上由於Leptin阻 抗關係，Leptin的表現與分泌會上升，身體脂肪的囤積與血液Leptin濃度有很強 的正相關(158)。目前已知Leptin sensitive neurons位在下視丘，因此下視丘的 Leptin receptors控制飽足感和能量平衡。研究發現Leptin receptors在很多器官 皆有表現，如肝臟、骨骼肌、心臟、腎臟、胰臟與脂肪細胞本身(159-161)。這 些 Receptor屬於calss I細胞激素接受器，有三種Leptin receptors包括：long (ObRb)、short (ObRa、ObRc、ObRd和ObRf) 和 ObRe (162)。ObRb可啟動 Leptin所引發的能量代謝訊息路徑。ObRb dimerizes結合Leptin後形成一個複合 體，可吸引Janus kinase 2 (Jak2)， Jaks2 可磷酸化自己和 Leptin receptor。被 磷 酸 化 的 受 器 會 結 合 至 轉 錄 因 子 Signal transducer and activator of transcription 3 (STAT3)，STAT3 在被 Jak2 磷酸化後轉移至核內，並增加 β-oxidation、uncoupling proteins 和調控食物攝取的基因表現(163)。阻斷 Leptin 的 訊 息 傳 遞 路 徑 可 藉 由 活 化 Protein tyrosine phosphatase-1B (PTP-1B) 或 Suppressor of cytokine signaling 3 (SOCS-3)，二者均可干擾Jak2的磷酸化(164, 165)。在高脂飲食所誘導的肥胖發現 PTP-1B 與 SOCS-3 有大量表現，導致 leptin resistance。Leptin 也會影響 AMPK ，例如 Leptin 活化骨骼肌的AMPK，

促進肌肉的脂肪酸氧化；又如Leptin抑制下視丘的 AMPK ，減少 NPY 和 AGRP 的訊息傳遞路徑，進而減少食物的攝取和增加能量的消耗(166)。