AMP依赖的蛋白激酶（AMPK）是一个进化上高度保守的能量感受器,由α催化亚基,β亚基和γ调节亚基组成异源三聚体。在哺乳动物中,每个亚基可由多个基因编码（αl,α2,β1,β2,γ1,γ2,γ3）,从而理论上形成12种可变组合。AMPK的激活依赖于LKB1或CaMKK β对其Thr172的磷酸化,而AMP或ADP与γ调节亚基的结合可通过构象改变进一步的提高AMPK的激酶活性,因而在细胞缺血、缺氧、饥饿等能量应激条件下,细胞内升高的ADP/ATP或AMP/ATP比率会不同程度的激活AMPK,激活的AMPK通过促进分解代谢生成ATP同时关闭合成代谢以恢复机体能量平衡。基于其在维持细胞生长和能量平衡中不可替代的角色,AMPK对机体代谢调节尤其是糖脂代谢已得到广泛的研究,而以AMPK为靶点的小分子化合物也成为治疗代谢性疾病如糖尿病和肥胖的研究热点。然而在近十年的研究中AMPK的调控领域已出现了多个非传统代谢性领域如细胞迁移,极性维持以及细胞分裂。本论文中,为了深入理解AMPK的生理调控功能,我们在第二章首先通过基于质谱的定量磷酸化蛋白质组学以及生物信息学分析鉴定出20个潜在的AMPK新型底物及其磷酸化位点,而其中8个底物均与细胞骨架维持和细胞分裂功能相关。于是在本论文第三章我们对AMPK在细胞分裂中的生理功能进行了系统研究,发现AMPK的确功能性参与调控细胞有丝分裂过程,包括分裂前期、后期以及胞质分裂。结合质谱鉴定结果我们证实KIF4A的确是AMPK的直接磷酸化底物,并进一步揭示出AMPK如何通过与有丝分裂激酶Aurora B竞争性磷酸化调控KIF4A实现细胞有丝分裂后期纺锤体中间区大小的精确调控。由于AMPK的活性改变直接影响其与Aurora B的竞争能力,我们也首次将细胞能量应激与有丝分裂后期纺锤体中间区大小的调控联系到一起。基于细胞骨架标记的活细胞分裂显微成像追踪是细胞有丝分裂研究中常用的实验手段,目前为止实验人员只能借助特定蛋白融合表达荧光蛋白实现成像需求,因而对于不易于表达外源基因的细胞的研究则十分受限,而目前可用的微管荧光探针设计也都基于紫杉烷,因其破坏微管的聚合稳态而不能应用于有丝分裂的研究。在本文第四章,我们利用纳米材料氧化石墨烯初步实现了基于可特异性识别微管的微管结合蛋白基序设计的多肽探针对细胞骨架的标记和细胞有丝分裂的示踪,为新型细胞骨架标记探针的研究提供了重要理论与实验依据。