糖原合酶激酶-3β與輕度認(rèn)知障礙的相關(guān)性研究進(jìn)展

趙 騰綜述, 周春奎審校

最近大量研究表明[1,2],糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)在MCI及AD疾病過(guò)程中不僅參與 β淀粉樣蛋白(Aβ)的產(chǎn)生,而且與 tau蛋白的過(guò)度磷酸化密切相關(guān)。Aβ、tau蛋白又直接參與老年斑(SP)及神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFT)的形成,因此研究 GSK-3β與MCI的相關(guān)性有重要的基礎(chǔ)和臨床價(jià)值。

1 糖原合酶激酶 3β的功能

糖原合成酶激酶 3(GSK-3)是一個(gè)多功能的絲氨酸/蘇氨酸類激酶,在真核細(xì)胞生物中普遍存在。最初認(rèn)為,GSK-3的功能僅僅是使肝糖原合成酶(glycogen synthase,GS)磷酸化,并使之失活,后來(lái)研究表明它有多種生物學(xué)功能,如參與了胚胎發(fā)育、細(xì)胞增殖、細(xì)胞分化、細(xì)胞凋亡和胰島素反應(yīng)等諸多方面[3,4]。在哺乳動(dòng)物中包括兩個(gè)亞型,即 GSK-3α和GSK-3β,分子量分別為 51kD和 47kD。磷酸化GSK-3α的第21位絲氨酸和 GSK-3β的第 9位絲氨酸可以抑制 GSK-3的活性。GSK-3β在體內(nèi)調(diào)節(jié)機(jī)制很復(fù)雜,主要的調(diào)節(jié)方式除磷酸化調(diào)節(jié)外,還包括蛋白復(fù)合體形成、細(xì)胞內(nèi)分布和一些抑制劑調(diào)節(jié),其調(diào)節(jié)的底物有酶、結(jié)構(gòu)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子等。人類多種疾病如糖尿病、腫瘤、神經(jīng)退行性疾病、情感障礙和炎癥等疾病的發(fā)生都與GSK-3β活性調(diào)節(jié)異常有關(guān)。其中糖原合酶激酶-3β在腦組織含量尤其豐富[5],參與腦細(xì)胞的結(jié)構(gòu)、腦細(xì)胞存活及凋亡的調(diào)節(jié)等多種生理功能,是腦組織中最主要的激酶之一。

2 MCI的病理及生化改變

AD在病理上以腦神經(jīng)元大量出現(xiàn)纖維纏結(jié)(NFT)和老年斑(SP)為特征。近年病理研究發(fā)現(xiàn)AD最早期的改變不在海馬而在顳葉內(nèi)嗅區(qū)皮質(zhì)。江文宇等[6]利用磁共振質(zhì)子波譜(1H-MRS)研究發(fā)現(xiàn),從正常到 MCI再到 AD,腦內(nèi)顳葉內(nèi)嗅區(qū)存在肌醇(m I)的進(jìn)展性增高,而m I的升高又與NFT的數(shù)目成正相關(guān)。Morris等[7]對(duì) 25例 MCI進(jìn)行病理檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),其中 24例具有AD的神經(jīng)病理改變。因此,目前考慮MCI患者也存在類似 AD的 SP和 NFT病理改變。

Diniz等[8]研究了 MCI患者的腦脊液(CSF)中 Aβ1-42,總 Tau蛋白(T-Tau),磷酸化-Tau蛋白(P-Tau)的水平,結(jié)果發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比,CSF中 Aβ1-42水平降低,T-Tau,P-Tau明顯升高,而這種變化與AD患者 CSF中的變化非常相似。

Aβ是老年斑(SP)的主要蛋白組分,由淀粉樣前體蛋白(amyloid precursor protein,APP)水解后產(chǎn)生,Aβ沉積后形成老年斑。Aβ蛋白以 Aβ1-40和 Aβ1-42兩種形式存在,后者在腦內(nèi)含量較少,但是與 AD及 MCI的發(fā)病密切相關(guān).Strozyk等[9]通過(guò)尸解研究發(fā)現(xiàn),腦室中 Aβ1-42降低與新皮質(zhì)和海馬中斑塊沉積顯著相關(guān),Fagan等[10]也發(fā)現(xiàn) Aβ沉積越多,CSF中 Aβ濃度越低。因此,MCI患者 CSF中Aβ1-42降低可以部分歸因于 Aβ在斑塊中的沉積。而實(shí)際上,在MCI及早期癡呆患者的血清中 Aβ的含量較正常人是增多的。Mayeux等[11]對(duì)早期及亞臨床AD患者進(jìn)行前瞻性研究發(fā)現(xiàn),血清中的 Aβ1-42明顯高于對(duì)照組。

tau蛋白即微管結(jié)合蛋白,微管位于神經(jīng)元軸突中,tau結(jié)合于微管上,在微管的裝配和穩(wěn)定性方面起重要作用。在正常成年人的腦內(nèi),tau蛋白呈適度磷酸化狀態(tài),磷酸化和去磷酸化的平衡調(diào)控了神經(jīng)元細(xì)胞骨架的穩(wěn)定性和軸突的形態(tài)。MCI及癡呆患者中,過(guò)度磷酸化的tau蛋白形成雙股螺旋神經(jīng)絲(paired helical filaments,PHFs)。PHFs為不溶性的細(xì)胞骨架成分并且具有高度的自我聚集活性,它們聚集形成了神經(jīng)元纖維纏結(jié),并且參與老年斑的形成。而 MCI患者CSF中tau蛋白的變化也證實(shí)了 tau蛋白的過(guò)度磷酸化與MCI及癡呆的發(fā)病相關(guān)。

綜上所述,Aβ的生成增多、沉積以及tau蛋白的過(guò)度磷酸化是 MCI病理形成的基礎(chǔ),與 MCI的發(fā)生密切相關(guān)。

3 GSK-3β與 Aβ及 tau蛋白的相關(guān)性

3.1 GSK-3β與 Aβ GSK-3β與 Aβ的相關(guān)性表現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先 GSK-3β可以促進(jìn) Aβ的形成。Aβ是 APP在β、γ分泌酶的共同參與下水解產(chǎn)生的多肽,其中尤以 γ分泌酶為重要。目前認(rèn)為 γ分泌酶是由幾種蛋白組成的一個(gè)大的復(fù)合物[12],其中早老蛋白-1(Presenilin-1,PS1)是 γ分泌酶的活性組分。研究發(fā)現(xiàn),GSK-3和早老蛋白 1結(jié)合形成復(fù)合物,提示 GSK-3β也可能參與調(diào)節(jié) γ分泌酶[13]。Phiel等[14]研究證實(shí),GSK-3β通過(guò)針對(duì)γ分泌酶特異性底物或接近其復(fù)合物的底物來(lái)調(diào)節(jié)γ分泌酶的活性,促使Aβ生成。無(wú)論是在細(xì)胞水平還是轉(zhuǎn)基因大鼠腦中,GSK-3β都促使Aβ含量的異常增加,用GSK-3的選擇性抑制劑LiC1則可以減少GSK-3蛋白的表達(dá),降低這些模型中Aβ的產(chǎn)量。另外有研究證實(shí),在轉(zhuǎn)染 GSK-3β的鼠腦中,APP的含量明顯增加,說(shuō)明 GSK-3β也參與了 APP代謝過(guò)程的調(diào)節(jié)[15]。Ryan等[16]也證實(shí)了 GSK-3可以間接增加細(xì)胞內(nèi)成熟的 APP,GSK-3的抑制劑鋰鹽可以減少APP轉(zhuǎn)染細(xì)胞中Aβ的生成量[17]。以上均說(shuō)明 GSK-3β可以促進(jìn)Aβ的產(chǎn)量增加。另一方面,Aβ又可反過(guò)來(lái)增加 GSK-3β的活性。Aβ可使細(xì)胞中瞬間 Ca2+內(nèi)流增加,從而引起 GSK-3β去磷酸化,致 GSK-3β激活[18]。在體外培養(yǎng)的細(xì)胞中和在海馬中注射了 Aβ蛋白的老鼠模型中,都可觀察到 Aβ蛋白增多導(dǎo)致 GSK-3β活性增加。GSK-3β的激活又可引起Aβ處理的PC12細(xì)胞上的 tau蛋白高度磷酸化和細(xì)胞凋亡[19,20]。隨著 Aβ的迅速聚集,高度磷酸化的 tau蛋白的量也迅速增加,并引起微管系統(tǒng)的破壞,導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)改變?？梢?jiàn),GSK-3β與 Aβ相互作用加速了Aβ的生成及沉積,同時(shí)還影響到tau蛋白的磷酸化。

3.2 GSK-3β與 tau蛋白 Baum等[21]對(duì) COS-1,B103細(xì)胞的研究證實(shí),糖原合酶激酶 3β能有效引起 tau蛋白磷酸化。Tau蛋白可在一個(gè)或多個(gè)異常位點(diǎn)被多種蛋白激酶磷酸化,包括 GSK-3,細(xì)胞外信號(hào)蛋白-1,2,P38激酶,c-JUN等,其中最重要的是 GSK-3和CDK 5[22]。大量研究證實(shí),無(wú)論在體內(nèi)外,GSK-3均可導(dǎo)致Tau磷酸化,并且磷酸化位點(diǎn)與 AD患者 PHF中磷酸化位點(diǎn)相同。Amitabha等[23]也研究證實(shí) GSK-3α可以磷酸化 Tau蛋白 Ser262位點(diǎn),GSK-3β和CDK 5則可磷酸化 Tau蛋白 Thr231位點(diǎn),上述位點(diǎn)的磷酸化可以抑制 Tau蛋白結(jié)合到微管上[24～26]。Cruz等[27,28]也證實(shí)在轉(zhuǎn)基因小鼠中 GSK-3β也可導(dǎo)致 Tau蛋白異常過(guò)度磷酸化和神經(jīng)纖維元變性。糖原合酶激酶3β與異常過(guò)度磷酸化的tau蛋白共存于退變的神經(jīng)細(xì)胞中。因此,糖原合酶激酶 3β亦被稱為tau蛋白激酶 I。tau蛋白異常過(guò)度磷酸化后,不僅使其喪失催化微管裝配和穩(wěn)定微管結(jié)構(gòu)的正常生物活性,而且獲得毒性作用引起微管解聚。微管破壞影響物質(zhì)在胞體和軸突樹(shù)突之間的運(yùn)輸,從而導(dǎo)致始于神經(jīng)元突起末端的神經(jīng)元退行性病變,最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡和癡呆。當(dāng)APP的軸突運(yùn)輸障礙時(shí),會(huì)導(dǎo)致 Aβ的聚集和老年斑的形成[29,30],進(jìn)一步加速 MCI及癡呆的病理形成。另一方面,Tau蛋白過(guò)度磷酸化后導(dǎo)致其構(gòu)象變化和 Tau蛋白被截短[31,32],截短與磷酸化的Tau蛋白失去正常功能,在神經(jīng)細(xì)胞中累積,導(dǎo)致神經(jīng)元細(xì)胞變性和神經(jīng)元纖維纏結(jié)形成。

4 GSK-3β與 MCI的相關(guān)性

GSK-3β與 β淀粉樣蛋白(Aβ)及 Tau蛋白相互作用促進(jìn)老年斑(SP)和神經(jīng)元纖維纏結(jié)(NFT)的形成,而 SP和NFT為 MCI發(fā)病的病理基礎(chǔ),因此間接證明了 GSK-3β的活性與 MCI的發(fā)病呈正相關(guān)。目前,對(duì)于 GSK-3β與 MCI的直接相關(guān)性研究較少。Hye等[33]證實(shí)在 AD及 MCI患者外周血白細(xì)胞中 GSK-3的表達(dá)升高,而具體 GSK-3亞型的變化及活性報(bào)道較少。因此對(duì) MCI患者外周血中與 MCI形成關(guān)系更密切的 GSK-3β亞型的活性變化進(jìn)行具體研究有重要的科研及臨床意義。

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