本文的主要作者包括Alexia Pearah、Balamurugan Ramatchandirin、Ting Liu等，通讯作者为Ling He（联系邮箱：heling@jhmi.edu）。研究单位包括Johns Hopkins University School of Medicine和Rutgers-Robert Wood Johnson Medical School等机构。本文发表于国际期刊《Cell Chemical Biology》第30卷（2023年12月21日），文章DOI为10.1016/j.chembiol.2023.09.017。
作者研究的核心领域是线粒体（mitochondria）动力学、衰老相关疾病及代谢疾病（包括肥胖及2型糖尿病）的分子机制。线粒体在维持细胞代谢、能量生成（如ATP生产）以及调控细胞凋亡中起到关键作用。线粒体功能障碍是衰老及多种代谢疾病的重要病理特点，已知其伴随活性氧（ROS）水平升高、细胞代谢能力下降和细胞器状态恶化等。现有研究表明，线粒体经历融合和分裂的动态过程来维持健康的稳态，但在衰老和肥胖患者中，这一动态能力严重受损。
AMPK（AMP-activated protein kinase）作为关键的能量感应激酶，其活性对线粒体裂变动力学的调控尤为重要。然而，AMPK的功能在高胰岛素和升高胰高血糖素水平下被发现受到抑制。本研究旨在揭示高胰岛素或胰高血糖素如何通过AMPKα亚基在S496位点的磷酸化来影响线粒体动力学，并研究这一过程中是否存在新的治疗靶标。
该研究使用了多种模型，包括： - 各年龄段小鼠（8周至90周龄）。 - 高脂饮食（HFD）喂养的小鼠。 - 基因工程动物模型，如db/db小鼠和ob/ob小鼠。 - 人类原代肝细胞样本，包括来自51岁肥胖患者的样本。
通过一系列复杂实验流程，研究分为以下几部分进行：
(1) 病理性线粒体动力学研究：
- 通过免疫荧光和共聚焦成像技术检测了小鼠肝细胞及人类原代肝细胞中的线粒体形态及大小。 - Seahorse仪器用于检测线粒体的耗氧速率（OCR），评估其呼吸活性。
(2) 血浆激素水平的监测： - 测量db/db小鼠血浆胰岛素和胰高血糖素水平，以确定其在肥胖背景下的升高趋势。
(3) AMPK信号通路与磷酸化研究：
- 针对S496位点上的AMPKα1磷酸化，设计了一种特异性抗体，检测这一位点的磷酸化状态。通过免疫印迹法（Western Blot）和免疫荧光染色，结合RNA和蛋白表达定量分析，明确了AMPK激酶活性的调控机制。
(4) 特异性阻断肽设计：
- 本研究设计了两种AMPK靶向短肽——PA496M（小鼠）和PA496H（人类），分别用于阻断AMPKα1的S496位点磷酸化。这些短肽搭载Tat穿膜序列以促进细胞内递送。 - 阻断剂的筛选经体外磷酸化反应及酶动力学测试验证其抑制效力。
(5) 线粒体健康和动力学影响分析：
- 引入mt-Keima荧光指标蛋白检测线粒体自噬（mitophagy）水平。 - 使用活性氧（ROS）检测实验，观察新设计肽对氧化应激的影响。
(6) 血糖水平与葡萄糖代谢研究： - 在db/db小鼠及HFD小鼠用肽类药物治疗后，通过葡萄糖耐量测试（GTT）、胰岛素耐量测试（ITT）及丙酮酸挑战实验评估肝脏葡萄糖生成的抑制效果。
研究结论：
本文阐明了胰岛素或胰高血糖素通过AMPKα1（S496位点）的磷酸化阻碍AMPK活性，导致线粒体动力学损伤及活性下降的机制。通过设计靶向短肽成功阻断这一过程，重新激活AMPK并改善线粒体健康，同时在肥胖模型和患者样本中展示了线粒体功能及血糖控制的显著恢复效果。
科学与应用价值：
研究为衰老及代谢性疾病中的线粒体重塑提供了全新的治疗策略，证实以AMPK为靶标开发药物的潜力。这些特异性阻断短肽有望成为未来抗肥胖及抗糖尿病的新一类治疗剂。