AMP活性化プロテインキナーゼ活性化が筋肉のグリコーゲンの蓄積を促進する分子メカニズム

目的：エネルギーストレス中、AMP活性化プロテインキナーゼ（AMPK）は、ATP産生のためのグルコース輸送と解糖を促進しますが、筋肉のエネルギーバランスを維持するためのグリコーゲンシンターゼ（GS）の活性を抑制することにより、同化グリコーゲン合成を阻害すると考えられています。逆説的に、AMPKの慢性活性化は、骨格筋および心筋のグリコーゲン蓄積の増加を引き起こし、場合によっては心機能障害に関連しています。この研究の目的は、AMPKの活性化が筋肉グリコーゲンの蓄積を促進する分子メカニズムを解明することでした。 研究の設計と方法：最近、野生型筋肉GSがグルコース-6-リン酸（G6P）で活性化できなかったが、完全な触媒活性を持ち、まだ完全な触媒活性を有していて、まだ変異体（Arg582ALA）に置き換えられたノックインマウスを最近生成しました。脱リン酸化により正常に活性化されます。キナーゼ死（KD）AMPKを過剰発現するGSノックインまたはトランスジェニックマウスの筋肉を、グルコーストレーサーとAMPK活性化化合物5-アミノイミダゾール-4-カルボキサミドリボヌクレオシド（AICAR）Ex Vivoとインキュベートしました。GS活性とグルコースの取り込みと利用（解糖とグリコーゲン合成）を評価しました。 結果：AICARはGSの適度な不活性化を引き起こしましたが、グルコース輸送と細胞内の増加を伴う筋肉グリコーゲン合成を刺激しました[G6P]。AICARのこれらの効果には、AMPKの触媒活性が必要でした。驚くべきことに、AICAR誘発性のグリコーゲン合成は、G6Pに感染しないGSノックインマウスで完全に廃止されましたが、AICAR刺激AMPKの活性化、グルコース輸送、および総グルコースの利用は正常でした。 結論：AMPKの活性化が、グルコース取り込みの増加とその後の細胞の上昇を通じてGSのアロステリック活性化により筋肉グリコーゲンの蓄積を促進するという遺伝的証拠を提供します[G6P]。

OBJECTIVE: During energy stress, AMP-activated protein kinase (AMPK) promotes glucose transport and glycolysis for ATP production, while it is thought to inhibit anabolic glycogen synthesis by suppressing the activity of glycogen synthase (GS) to maintain the energy balance in muscle. Paradoxically, chronic activation of AMPK causes an increase in glycogen accumulation in skeletal and cardiac muscles, which in some cases is associated with cardiac dysfunction. The aim of this study was to elucidate the molecular mechanism by which AMPK activation promotes muscle glycogen accumulation. RESEARCH DESIGN AND METHODS: We recently generated knock-in mice in which wild-type muscle GS was replaced by a mutant (Arg582Ala) that could not be activated by glucose-6-phosphate (G6P), but possessed full catalytic activity and could still be activated normally by dephosphorylation. Muscles from GS knock-in or transgenic mice overexpressing a kinase dead (KD) AMPK were incubated with glucose tracers and the AMPK-activating compound 5-aminoimidazole-4-carboxamide ribonucleoside (AICAR) ex vivo. GS activity and glucose uptake and utilization (glycolysis and glycogen synthesis) were assessed. RESULTS: Even though AICAR caused a modest inactivation of GS, it stimulated muscle glycogen synthesis that was accompanied by increases in glucose transport and intracellular [G6P]. These effects of AICAR required the catalytic activity of AMPK. Strikingly, AICAR-induced glycogen synthesis was completely abolished in G6P-insensitive GS knock-in mice, although AICAR-stimulated AMPK activation, glucose transport, and total glucose utilization were normal. CONCLUSIONS: We provide genetic evidence that AMPK activation promotes muscle glycogen accumulation by allosteric activation of GS through an increase in glucose uptake and subsequent rise in cellular [G6P].