Vita | 高大明/张翱团队揭示LKB1-AMPK通路感知糖代谢的新机制

在哺乳动物细胞的代谢调控网络中，mTORC1（雷帕霉素机制靶标复合物1）与 AMPK （AMP活化蛋白激酶） 如同两个相互制衡的开关。在营养充足时，mTORC1可经由小G蛋白介导的氨基酸感知机制招募到溶酶体外膜并激活，进而启动合成代谢与生长。而微环境中葡萄糖水平下降时，L KB1介导的 A MPK-T172位点的磷酸化迅速上调并激活 A MPK激酶活性，启动一系列分解代谢程序以维持细胞稳态【1】。但 LKB1-AMPK信号轴感知葡萄糖代谢信号的具体机制，尚未得到完全阐明。厦门大学林圣彩教授团队曾发现 糖酵解中间产物果糖-1,6-二磷酸（FBP）可通过与醛缩酶（Aldolase）结合，影响LKB1在溶酶体上的定位及 对AMPK的激活，从而形成 溶酶体介导的糖代谢感知机制【2】。该信号感知过程依赖LKB1 与A XIN的相互作用，而 A XIN突变或缺失的细胞中 A MPK通路仍可能响应糖代谢信号，因此可能存在其他的糖代谢感知信号机制。

2026年 8 月 18 日，中国科学院分子细胞科学卓越创新中心高大明研究员与上海交通大学药学院张翱教授及合作团队 在Vita期刊发表了题为Glycolytic metabolites directly bind and inhibit LKB1 to sense glucose and regulate AMPK的研究论文。该研究揭示了一种LKB1-AMPK通路感知糖代谢信号的新机制：糖酵解通路中的三种小分子代谢物（3-磷酸甘油酸、2-磷酸甘油酸和丙酮酸）可与LKB1激酶复合物直接结合，从而抑制LKB1的激酶活性及对AMPK的激活。这一发现，为进一步理解细胞感知糖代谢的机理提供了新的视角。

研究团队偶然发现，敲低糖酵解途径中催化ATP生成的关键酶 - 磷酸甘油酸激酶1（PGK1），可导致细胞内AMPK磷酸化水平的显著上调，而该条件下依赖溶酶体途径抑制LKB1-AMPK通路 的 代谢物 F BP的水平是显著增加的，且 P GK1敲减引起的 A MPK激活在 A XIN (介导 LKB1溶酶体定位的核心衔接蛋白) 敲除细胞中依然存在。这些结果提示可能存在一条独立于已知 F BP / ALDOA-AXIN-LKB1途径的糖代谢感知新机制。进一步实验发现外源添加位于糖酵解代谢途径中 P GK1下游的三种三碳 代谢物—— 3-磷酸甘油酸（3PG）、2-磷酸甘油酸（2PG）和丙酮酸（PYR），均可有效逆转 P GK1敲减所引起的 A MPK磷酸化上调。更为重要的是，在利用体外纯化的 L KB1激酶复合物和 A MPK 蛋白开展的 体外激酶实验中，添加生理剂量的 3 PG/2PG/PYR即可显著抑制 L KB1介导的 A MPK磷酸化，而其他糖酵解通路代谢物（如 F BP、磷酸烯醇式丙酮酸、乳酸等）均没有该效果。值得注意的是，这三种代谢物对 C AMKK2介导的 A MPK磷酸化没有抑制效果。基于以上结果，研究团队提出糖酵解代谢物 3 PG/2PG/PYR可特异性地直接抑制 L KB1激酶复合物，介导 L KB1-AMPK感知糖代谢的新模型。

那么这些代谢物抑制L KB1激酶的具体分子原理是什么？为了回答这一深层次的科学问题，研究团队进一步开展了基于已发表的 L KB1激酶复合物晶体结构【3】的分子动力学模拟。分析结果显示， 上述代谢物的结合位点位于 LKB1激酶结构域，系由多个碱性氨基酸残基（包括K62、K64、K81、K83、R87、K122、K124等）所构成的正电荷口袋。其中，暴露于 L KB1蛋白外侧的K83与R87残基可能发挥“识别天线”的功能，率先捕获代谢物分子，继而将其传递至更深层的结合口袋。该结合诱导LKB1活化环（activation loop）发生构象偏移，以别构方式抑制其激酶活性，但并不破坏LKB1 – STRAD – MO25复合物的整体完整性。根据此作用模型，研究团队设计并纯化制备了 分别 含有 L KB1-K83A/R87A与 L KB1-K64E/K81E突变体的 L KB1激酶复合物，并发现了三种代谢物体外结合 突变型L KB1复合物的亲和力显著降低：三种代谢物结合野生型LKB1复合物的 解离常数为约 15–25 μM，而结合突变型LKB1复合物的 解离常数为2 50 – 800 μM。且生理剂量的 三种代谢物均 不能有效抑制 突变型 LKB1复合物介导的 A MPK磷酸化。细胞实验进一步证实，LKB1-K83A/R87A与LKB1-K64E/K81E突变体保留了AXIN介导的溶酶体定位能力——即这些突变体选择性地解除了三碳代谢物施加的直接“刹车”，却依然保留了对溶酶体依赖调控信号的响应能力。为在活体水平上进一步验证上述抑制机制的生理意义，研究团队通过基因编辑技术分别构建了表达LKB1-K83A/R87A与LKB1-K64E/K81E突变体的小鼠，发现在高脂饮食诱导下，携带上述突变的杂合子小鼠（ Lkb1 K83AR87A/+ 及 Lkb1 K64EK81E/+ ）相较于野生型小鼠表现出肝脏、骨骼肌及脂肪组织中AMPK通路的显著增强，且其产热、耗氧量明显增加，并在肥胖、脂肪肝、胰岛素抵抗等代谢紊乱表型上明显弱于野生型小鼠。

既然下游代谢物充当了LKB1的直接抑制信号，那么控制上述代谢物生成的上游代谢酶PGK1的活性，就可能通过调整代谢物的含量，起到干预 L KB1- A MPK通路的效果，并调控机体相关代谢表型。为检验该设想，研究团队开展了双向功能验证。一方面，在表达酶活性增强的PGK1-K323Q突变体【4】的小鼠（ Pgk1 K323Q/Y ）中肝脏3PG/2PG/PYR水平升高，AMPK活性受到抑制，且在正常饮食条件下即呈现出体重快速增加及肝脏脂肪累积等代谢异常表型。另一方面，研究团队通过结构指导的化合物设计，开发了一种PGK1小分子抑制剂MCB-330。该小分子在体外可直接结合 P GK1（解离常数为 1 1.8 nM） 且 高效抑制 P GK1的酶活。更为重要的是，该抑制剂在培养细胞及小鼠肝脏组织中均可有效降低3PG/2PG/PYR水平，解除对LKB1的抑制，进而增强AMPK磷酸化。为了进一步评估靶向 P GK1的潜在应用价值，研究团队使用该小分子开展了对经典代谢疾病模型ob/ob小鼠的治疗实验。结果显示，使用低剂量MCB-330（10 mg/kg/天）两周的口服给药即可实现血糖、血清胰岛素及甘油三酯水平的显著降低及胰岛素耐受表型的改善，其药效特征与高剂量二甲双胍（100 mg/kg/天）的高度相似。尽管上述研究尚处于概念验证阶段，远未达到可临床转化的标准，但这些结果提示靶向PGK1以调控LKB1-AMPK信号通路，是一条可行的代谢干预新策略。

综上，本研究从PGK1敲低引发的AMPK激活现象出发，通过层层递进的实验设计与验证，最终阐明了一条全新的葡萄糖代谢信号感知通路：在高糖状态下，丰富的糖酵解三碳代谢物（3PG/2PG/PYR）直接结合并抑制LKB1激酶活性，将AMPK维持在低活性水平；当葡萄糖匮乏时，上述代谢物水平下降，LKB1所受抑制得以解除，进而磷酸化激活AMPK并启动相应代谢调控程序。值得注意的是，研究团队发现该代谢感知机制不仅调控 A MPK通路，还可以通过对 L KB1复合物激酶活性的抑制影响 A MPK相关激酶（ S IK、 B RSK等）的活化，从而产生复杂广泛的生物学效应。该新机制完善了细胞感知糖代谢的原理模型，也为开发以PGK1为靶标的代谢调节药物奠定了一定的理论基础，其转化应用价值尚待进一步探索。

中国科学院分子细胞科学卓越创新中心高大明研究员与上海交通大学药学院张翱教授为本论文的共同通讯作者。中国科学院分子细胞科学卓越创新中心博士后王凯华、博士生邹云昊、上海交通大学药学院丁春勇教授、博士生孙传策、上海交通大学医学院李庆研究员为本论文的共同第一作者。本研究还得到了上海交通大学药学院马步勇教授、中国科学院分子细胞科学卓越创新中心李劲松研究员、中国科学院上海药物研究所周虎研究员、中国科学院上海有机化学研究所/生物与化学交叉中心朱正江研究员等的大力支持。

https://www.vita-journal.com/vita/EN/10.15302/vita.2026.07.0056

制版人： 十一

参考文献

1 . Gonzalez, A., Hall, M. N., Lin, S. C. & Hardie, D. G. AMPK and TOR: The Yin and Yang of Cellular Nutrient Sensing and Growth Control.Cell Metab31, 472-492, doi:10.1016/j.cmet.2020.01.015 (2020).

2 . Zhang, C. S. et al. Fructose-1,6-bisphosphate and aldolase mediate glucose sensing by AMPK.Nature548, 112-116, doi:10.1038/nature23275 (2017).

3. Zeqiraj, E., Filippi, B. M., Deak, M., Alessi, D. R. & van Aalten, D. M. Structure of the LKB1-STRAD-MO25 complex reveals an allosteric mechanism of kinase activation.Science326, 1707-1711, doi:10.1126/science.1178377 (2009).

4 . Hu, H. et al. Acetylation of PGK1 promotes liver cancer cell proliferation and tumorigenesis.Hepatology65, 515-528, doi:10.1002/hep.28887 (2017).

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