糖原合酶激酶3信號(hào)通路的細(xì)胞保護(hù)作用機(jī)制

朱江蘭(綜述)，石 蓓(審校)

(遵義醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科,貴州 遵義 563003)

糖尿病主要以小血管損傷引起器官功能障礙，因此修復(fù)血管內(nèi)皮、抑制血管損傷是治療的主要手段。缺血性視網(wǎng)膜病變的發(fā)病機(jī)制為新生血管的異常增殖，故抑制異常血管新生、修復(fù)血管結(jié)構(gòu)及功能可治療該疾病。腫瘤是一種組織、細(xì)胞異常大量增生的疾病，促進(jìn)異常增生組織、細(xì)胞的凋亡是主要的治療措施。目前對(duì)于這些疾病所涉及的信號(hào)機(jī)制不是很清楚，在臨床治療上沒有很大的突破。糖原合酶激酶3(glycogen synthase kinase 3,GSK-3)是一個(gè)功能強(qiáng)大的信號(hào)調(diào)節(jié)劑，可使40多種蛋白底物磷酸化，在多種不同的信號(hào)通路中都發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。因此可能與這些疾病的發(fā)生、發(fā)展緊密相關(guān)。

1 GSK-3

1980年，Embi等[1]在兔骨骼肌上發(fā)現(xiàn)了GSK-3，它是一種多功能的蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)。GSK-3是多種信號(hào)通路的交匯點(diǎn)，可調(diào)節(jié)細(xì)胞凋亡及存活、細(xì)胞周期循環(huán)以及細(xì)胞遷移等[2]。GSK-3調(diào)節(jié)異常與多種疾病相關(guān)，如糖尿病、缺血性視網(wǎng)膜病、心肌肥厚及腫瘤等。GSK-3有兩種亞型，即α(相對(duì)分子質(zhì)量為51×103)和 β(相對(duì)分子質(zhì)量為47×103)，由不同的基因編碼，在它們的激酶域有98%的同源序列，而在第76位末端殘基只有36%同源序列。

1.1GSK-3的作用 GSK-3是Akt的主要下游之一，Akt的活化使GSK-3發(fā)生磷酸化，負(fù)性調(diào)節(jié)其活性。GSK-3α在絲氨酸(Serine，Ser)21處發(fā)生磷酸化，而GSK-3β在Ser9處發(fā)生磷酸化[3]。

敲除GSK-3α基因后，通過增加糖耐受及胰島素的敏感性，可降低脂肪堆積以及促進(jìn)糖原在肝臟的儲(chǔ)存[4]。組織特異性地敲除GSK-3β基因可促進(jìn)胰島素引起的肌肉組織中糖原合酶活化及糖原儲(chǔ)存，但這種作用并不表現(xiàn)在肝臟組織中[5]。研究發(fā)現(xiàn)，GSK-3α Ser21A基因敲除鼠及GSK-3β Ser9A基因敲除鼠在心臟壓力負(fù)荷過重時(shí)表現(xiàn)的作用不同，GSK-3β Ser9A的磷酸化可能調(diào)節(jié)病理性的心臟肥大，而GSK-3α Ser21A的磷酸化可能與代償性激活心臟中細(xì)胞增殖有關(guān)[6]。但也有研究表明，只有GSK-3β參與了心臟的病理生理變化，而GSK-3α沒有。如基因沉默H9C2心肌細(xì)胞中的GSK-3β后可增強(qiáng)心肌細(xì)胞抵抗H2O2誘導(dǎo)的細(xì)胞死亡，而基因沉默GSK-3α不會(huì)產(chǎn)生這種作用[7]。

1.2調(diào)節(jié)GSK-3的主要信號(hào)通路 GSK-3對(duì)器官、組織的保護(hù)作用主要是通過發(fā)生磷酸化使自身失活而實(shí)現(xiàn)。GSK-3活性的抑制機(jī)制由激動(dòng)劑介導(dǎo)，如神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子及生長(zhǎng)因子，這些因子可激活對(duì)GSK-3 N端域起作用的蛋白激酶，如蛋白激酶A[8]、Akt/蛋白激酶B[9]、蛋白激酶C[10]、p38分裂原活化蛋白激酶，通過使GSK-3β C端域的Ser389和蘇氨酸(Threonine，Thr)390磷酸化使GSK-3β失活[11]。胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶可能通過GSK-3β的Ser43磷酸化使其活性受到抑制[12]。

2 GSK-3與疾病的關(guān)系

2.1GSK-3與心臟疾病 體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K)/Akt信號(hào)通路的活化可抑制缺血/再灌注誘導(dǎo)的鼠心臟損傷[13]。GSK-3β是Akt信號(hào)的下游，PI3K/Akt通路的活化可增加GSK-3β的磷酸化，使GSK-3β活性受到抑制從而發(fā)揮心肌細(xì)胞保護(hù)作用[14]。抑制成熟心臟上GSK-3β的表達(dá)可抑制心臟重構(gòu)以及促進(jìn)心肌及血管再生[15]。所以，Akt促心血管新生作用部分是依賴于GSK-3β的磷酸化。

在人卵巢癌中，GSK-3β水平的增加可使胱天蛋白酶(caspase)活化，反之GSK-3β的磷酸化可抑制caspase活化[16]，PI3K/Akt活化可抑制caspase-3活化，故推測(cè)細(xì)胞保護(hù)作用是依賴于Akt/GSK-3β/caspase-3信號(hào)通路的作用[17]。GSK-3β抑制心肌細(xì)胞凋亡、保護(hù)心臟還可通過其他的信號(hào)分子。p53的線粒體易位及細(xì)胞色素C的釋放是引起細(xì)胞死亡的關(guān)鍵，而通過使用GSK-3藥物抑制劑可顯著減弱這一反應(yīng)，抑制細(xì)胞死亡[18]。Bcl-2是一個(gè)抗凋亡蛋白，通過下調(diào)Ser70、Ser87或Thr69的磷酸化發(fā)揮功能，而這些又都是GSK-3β的主要靶點(diǎn)，故可以將這一作用看作是激活信號(hào)，從而在多種細(xì)胞中發(fā)揮抗凋亡作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，GSK-3β的磷酸化或失活可使線粒體通透轉(zhuǎn)運(yùn)孔道開放，以及控制線粒體腺嘌呤核苷酸從線粒體膜上轉(zhuǎn)運(yùn)出去，發(fā)揮心肌細(xì)胞保護(hù)作用[19]。

雖然大部分研究表明GSK-3磷酸化發(fā)揮正性調(diào)節(jié)作用，但是相反的研究發(fā)現(xiàn)，過表達(dá)間充質(zhì)干細(xì)胞上的GSK-3β也能發(fā)揮心臟保護(hù)作用，將GSK-3β過表達(dá)的間充質(zhì)干細(xì)胞注入結(jié)扎冠狀動(dòng)脈后的鼠心臟，12周后左心室的功能顯著改善；心肌梗死面積及左心室重構(gòu)減小；毛細(xì)血管密度增加[20]。因此可以認(rèn)為，過表達(dá)GSK-3β可提高間充質(zhì)干細(xì)胞治療心肌梗死的療效。但是，GSK-3β對(duì)心臟會(huì)出現(xiàn)自相矛盾的調(diào)節(jié)作用的原因還需進(jìn)一步研究。

2.2GSK-3與糖尿病 糖尿病主要通過累及全身小血管，使得血管功能障礙而引起心、腎、腦等重要靶器官的損傷。延緩或治療靶器官損傷的最主要措施是改善血管功能，抑制血管損傷。研究發(fā)現(xiàn)，糖尿病患者與非糖尿病患者相比，前者的GSK-3β活性是后者的2倍，活化的GSK-3β促進(jìn)胰島素受體底物磷酸化，抑制心肌胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及糖的利用，加重糖尿病引起的缺血性心肌病[21-22]。反之，胰島素可降低血糖，增加胰島素信號(hào)可使GSK-3β失活，從而抑制糖尿病心臟病的發(fā)展。

Wnt1廣泛表達(dá)于內(nèi)皮細(xì)胞，能抑制高糖引起的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡，活化Wnt1抑制糖尿病引起的內(nèi)皮細(xì)胞凋亡。研究證實(shí)，這一發(fā)生機(jī)制依賴于GSK-3β的磷酸化，因?yàn)镚SK-3β可磷酸化β聯(lián)蛋白，使其被泛素蛋白酶降解，從而阻斷Wnt信號(hào)通路的作用，GSK-3β磷酸化使其自身失活，從而抑制β聯(lián)蛋白被降解，得以進(jìn)行核轉(zhuǎn)錄啟動(dòng)抗凋亡基因的表達(dá)[23-25]。

2.3GSK-3與缺血性視網(wǎng)膜病 缺血性視網(wǎng)膜病會(huì)造成視網(wǎng)膜低灌注，組織缺血、缺氧加重。低氧可誘導(dǎo)低氧誘導(dǎo)因子調(diào)節(jié)血管內(nèi)皮生長(zhǎng)因子表達(dá)，促使視網(wǎng)膜形成大量的新生血管，這些新生血管的結(jié)構(gòu)及功能均有缺陷，其結(jié)構(gòu)的不完整加重血管滲出、出血及低血流灌注[26]。新生的血管功能有缺陷，持續(xù)的血流低灌注不能減輕低氧，導(dǎo)致更多的病理性新生血管形成，加重視網(wǎng)膜損傷，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致失明。GSK-3β調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架動(dòng)力學(xué)及β聯(lián)蛋白，對(duì)內(nèi)皮細(xì)胞的細(xì)胞細(xì)胞連接及核轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)均很重要[27]。建立缺血性視網(wǎng)膜病模型后，予適當(dāng)劑量的GSK-3β抑制劑處理增殖期的缺血性視網(wǎng)膜新生血管，可顯著地降低異常血管的形成，減弱異常血管壁滲出，提高有效血管的面積及灌注，且伴隨著視網(wǎng)膜低氧的顯著改善，這主要與GSK-3β抑制劑恢復(fù)β聯(lián)蛋白的核內(nèi)水平，改善細(xì)胞細(xì)胞連接，促進(jìn)三維空間膠原蛋白基質(zhì)上毛細(xì)血管的形成有關(guān)[26]。因此，抑制GSK-3β糾正缺血引起的新生血管缺陷可作為一種減輕視網(wǎng)膜低氧的有效手段。

2.4GSK-3與腫瘤 GSK-3β能調(diào)節(jié)各種致癌基因轉(zhuǎn)錄因子的穩(wěn)定性，這些因子中許多都是GSK-3β的生理性靶點(diǎn)，在磷酸化作用下可被蛋白酶體降解，促進(jìn)腫瘤細(xì)胞的凋亡，發(fā)揮抗瘤治療作用。GSK-3β通過使細(xì)胞周期蛋白D1的Thr286殘基磷酸化，使得細(xì)胞核被蛋白酶體降解，抑制腫瘤細(xì)胞的增殖。去氨木香內(nèi)酯是一種抗腫瘤藥物，它通過活化GSK-3β使細(xì)胞周期蛋白D1表達(dá)下調(diào)，使得腫瘤血管內(nèi)皮細(xì)胞周期靜止在G0/G1期[28]。在腫瘤復(fù)發(fā)的研究中也可得到相同的結(jié)論，放療使Akt被激活，活化的Akt使GSK-3β磷酸化，失活的GSK-3β抑制β聯(lián)蛋白磷酸化，促進(jìn)周期蛋白D1表達(dá)增加，抑制腫瘤細(xì)胞凋亡[29]。抑制GSK-3磷酸化可抑制核因子κB的活性，促使細(xì)胞周期靜止在G2/M期，導(dǎo)致神經(jīng)母細(xì)胞瘤細(xì)胞凋亡增加[30]。因此，對(duì)于腫瘤的治療，促進(jìn)GSK-3活化使腫瘤細(xì)胞周期靜止是關(guān)鍵。

3 小 結(jié)

GSK-3具有強(qiáng)大的細(xì)胞保護(hù)作用，在各種組織細(xì)胞中促進(jìn)其發(fā)生磷酸化而抑制其活化，可使下游的促存活及促細(xì)胞周期轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)增加，最終促進(jìn)細(xì)胞的存活，抑制凋亡。但是也有相反的研究報(bào)告，過表達(dá)GSK-3發(fā)揮正向促細(xì)胞生長(zhǎng)作用，所以關(guān)于GSK-3的作用機(jī)制仍需進(jìn)一步研究，以便能更好的調(diào)控GSK-3的磷酸化或失磷酸化。心肌梗死后心肌再生治療中，GSK-3的磷酸化可促進(jìn)心肌細(xì)胞的再生，抑制凋亡，但亦可引起心肌肥厚，如何有效地促進(jìn)心肌細(xì)胞再生而避免心肌肥厚是治療心肌梗死的關(guān)鍵。這為多種臨床疾病的治療帶來了曙光，通過藥物抑制劑或是基因技術(shù)控制GSK-3的磷酸化而治療各種疾病。

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