AKT/GSK—3β—Wnt/β—catenin信號通路調(diào)控糖尿病血管鈣化的研究新進(jìn)展

許凱強(qiáng)+劉勇

【摘要】 在全世界范圍內(nèi)，糖尿病的發(fā)病率越來越高，而血管鈣化作為糖尿病的并發(fā)癥之一，在2型糖尿病患者的疾病發(fā)生、發(fā)展過程中占據(jù)著越來越重要的地位。血管鈣化是一個與炎癥相關(guān)的類似于骨組織中的成骨分化形式的大型的主動調(diào)控的過程。有研究表明，在糖尿病血管鈣化中，PI3K/AKT信號通路能通過直接或者間接的方式激活wnt/β-catenin信號通路，從而促進(jìn)了血管平滑肌細(xì)胞的成骨分化。本文分別從AKT、GSK-3β、Wnt/β-catenin等三個方面闡述其與血管鈣化之間的聯(lián)系。

【關(guān)鍵詞】 血管鈣化； AGEs； AKT； GSK-3β； Wnt/β-catenin

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2017.10.087 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6805（2017）10-0162-03

血管鈣化大多數(shù)是在血管壁中以羥磷灰石的形式存在的礦物硫酸鈣的沉積。血管鈣化是許多疾病一個共同的顯著特點(diǎn)，這些疾病包括動脈粥樣硬化，糖尿病，慢性腎臟疾病等，在越來越多的國家，血管鈣化逐漸成為心腦血管疾病發(fā)病率和致死率的一個強(qiáng)有力的預(yù)測指標(biāo)[1]。血管鈣化過去一度被認(rèn)為僅僅是一個被動的細(xì)胞凋亡和死亡的過程，但越來越多研究結(jié)果證明，血管鈣化是一個與炎癥相關(guān)的類似于骨組織中的成骨分化的主動調(diào)控過程。Proudfoot等[2]研究發(fā)現(xiàn)，血管平滑肌細(xì)胞目前被認(rèn)為是主要負(fù)責(zé)血管鈣化的細(xì)胞，來自平滑肌細(xì)胞的凋亡小體能作為鈣晶體形成的成核結(jié)構(gòu)來啟動血管鈣化。Ox-LDL已經(jīng)被揭示具有能在在動物體內(nèi)和體外誘導(dǎo)血管平滑肌鈣化的能力[3]。此外，Trion等[4]研究發(fā)現(xiàn)，血管平滑肌細(xì)胞（Vascular smooth muscle cells，VSMCs）可以向成骨細(xì)胞分化和表達(dá)成骨關(guān)鍵轉(zhuǎn)錄因子-Runx2和其他骨形成相關(guān)蛋白，如Ⅰ型膠原蛋白（ColⅠ），堿性磷酸酶（ALP）、骨鈣素等，這些蛋白導(dǎo)致磷酸鈣在細(xì)胞外基質(zhì)沉積。而這些成骨相關(guān)蛋白均受AKT/GSK-3β-Wnt/β-catenin信號通路的調(diào)控。只有少數(shù)學(xué)者闡述了Wnt/β-catenin信號通路的一些目標(biāo)點(diǎn)之間的關(guān)系，如LRP5和血管平滑肌鈣化之間的關(guān)系。在Rajamannan 等[3]的研究中，證明了血管平滑肌的鈣化發(fā)生常伴隨GSK-3β和β-catenin蛋白表達(dá)的上調(diào)，而兩者均是Wnt/β-catenin信號通路的關(guān)鍵目標(biāo)點(diǎn)。本文即是對該信號通路的最新研究進(jìn)展作一綜述。

1 AGEs與血管鈣化

晚期糖基化終末產(chǎn)物（advanced glycation end products ，AGEs）是在蛋白質(zhì)和糖殘基的非酶反應(yīng)期間形成的分子異源基團(tuán)。AGEs通過細(xì)胞外基質(zhì)蛋白及細(xì)胞內(nèi)信號分子的結(jié)構(gòu)修飾和功能改變而引發(fā)糖尿病性微血管和大血管并發(fā)癥。AGEs與糖尿病血管并發(fā)癥關(guān)系復(fù)雜，迄今都未能完全闡明其相互關(guān)系，但是，AGEs的增加介導(dǎo)了糖尿病血管并發(fā)癥的發(fā)生已經(jīng)得到大多數(shù)學(xué)者的公認(rèn)。此外，糖尿病血管并發(fā)癥與內(nèi)皮細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞關(guān)系密切。

RAGE與AGEs的結(jié)合引起細(xì)胞內(nèi)活性氧（ROS）生成，隨后活化有絲分裂原活化蛋白激酶（MAPK）和核因子κ-B（NF-κB）信號，隨后產(chǎn)生幾種炎癥和促纖維化因子，如細(xì)胞間粘附分子-1（ICAM-1），血管細(xì)胞粘附分子-1（VCAM-1），單核細(xì)胞趨化蛋白-1（MCP-1）和纖溶酶原激活物抑制劑-1（PAI-1）等來促進(jìn)動脈血管粥樣硬化的進(jìn)展。

2 AKT與血管鈣化

PI3K/AKT信號通路廣泛存在于各種細(xì)胞中，是參與細(xì)胞增殖、分化和生長的重要信號傳導(dǎo)通路。AKT是PI3K的下游效應(yīng)子，PI3K激活A(yù)KT后使AKT的Ser473和Thr308位點(diǎn)磷酸化，從而激活A(yù)KT。而活化的AKT，進(jìn)一步激活其下游因子，如bcl-2家族、糖原合成酶 3（GSK3）和S6 蛋白激酶等，對細(xì)胞周期、凋亡等產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用。有研究表明，晚期糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）能激活PI3K/AKT信號通路，從而使活化的磷酸化AKT在血管平滑肌細(xì)胞中的表達(dá)量明顯升高，而AKT的活化又能抑制下游GSK的活性，從而促進(jìn)細(xì)胞的凋亡。多信號分子可以調(diào)節(jié)GSK-3活性。其中一個最好研究的GSK-3的調(diào)節(jié)劑是AKT，其位于PI3K/PTEN/AKT/mTORC1通路5。AKT是一種S/T激酶，描述了參與細(xì)胞生長調(diào)節(jié)的許多關(guān)鍵蛋白凋亡配體激活生長因子（GF）時，PI3K/PTEN/AKT/mTORC1，Ras/Raf/MEK/ERK和其他途徑同時也被激活[4-6]。AKT活化可作用于磷酸化GSK-3導(dǎo)致其失活。由此可見，在糖尿病血管鈣化中，PI3K/AKT信號通路能通過直接或者間接的方式激活wnt/β-catenin信號通路，從而促進(jìn)了血管平滑肌細(xì)胞的成骨分化。

3 GSK-3β與血管鈣化

糖原合酶激酶-3（GSK-3）是一種參與一系列關(guān)鍵細(xì)胞過程的絲氨酸/蘇氨酸激酶。主要由GSK-3α（51kDa）和GSK-3β（47kDa）組成。雖然這兩個GSK-3家庭成員有許多保守的生化功能，但其在神經(jīng)和血管及其他組織中也有著獨(dú)特的活性和發(fā)揮著不同的生物學(xué)功能[7]。GSK-3還涉及許多信號通路，其不僅調(diào)節(jié)代謝，而且還參加包括細(xì)胞周期進(jìn)程、細(xì)胞更新、分化、細(xì)胞凋亡、胚胎發(fā)生、遷移、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)、干細(xì)胞生物學(xué)等一系列過程。

GSK-3是一種可以磷酸化絲氨酸（S）和蘇氨酸（T）殘基上許多底物的激酶。許多底物首先被酪蛋白激酶Ⅰ（CKI）和其他有著特定底物蛋白的激酶磷酸化，其他激酶也可以通過磷酸化GSK-3以調(diào)節(jié)其活性。這些激酶包括促分裂原活化激酶[aka胞外調(diào)節(jié)激酶1，2（ERK1，2）]，p38 MAPK，蛋白激酶A。此外，GSK-3還可以通過酪氨酸（Y）激酶如Src，蛋白酪氨酸激酶2β（PYK2）來調(diào)節(jié)其活性。GSK-3也可以通過蛋白磷酸酶脫磷酸化來調(diào)節(jié)其活性，這些蛋白磷酸酶包括：蛋白磷酸酶2A（PP2A）和PP1[8]。此外GSK-3也可以自身磷酸化。

在細(xì)胞應(yīng)激期間，糖原合成酶激酶3β（GSK-3β）可以通過絲氨酸-1235磷酸化來抑制AKT與mTORC2的結(jié)合。在沒有功能的雷帕霉素靶蛋白C2（mammalian target of rapamycin， mTORC2）作用下，AKT沒有被完全激活。因此，雖然AKT可以負(fù)面調(diào)節(jié)GSK-3活性，但GSK-3依然可以在一定的環(huán)境下促進(jìn)或抑制AKT的激活。通過雷帕霉素抑制Wnt介導(dǎo)的mTORC1的活化抑制Wnt介導(dǎo)的細(xì)胞增殖。同樣，通過二甲雙胍激活A(yù)MPK也可抑制Wnt介導(dǎo)的細(xì)胞增殖[9]。除了GSK-3，其他Wnt信號組分，如DKK 1，Dvl和Axin都可以調(diào)節(jié)Wnt對mTORC1和細(xì)胞增殖的影響。

GSK-3β是腺瘤性大腸桿菌/axin/GSK-3β復(fù)合物的組分部分，參與β-catenin的泛素化和蛋白酶體的降解，而β-catenin是Wnt/β-catenin信號通路的關(guān)鍵分子[10]。TWS119是GSK-3β的抑制劑。因此，TWS119通過抑制GSK-3β來抑制β-catenin的降解，理論上激活Wnt/β-catenin信號通路，從而引起糖尿病血管中膜的鈣化。

4 Wnt/β-catenin與血管鈣化

Wnt信號通路作為一種在進(jìn)化中高度保守的信號通路，在生長、發(fā)育、代謝和干細(xì)胞維持等多種生物學(xué)過程中發(fā)揮重要作用。Wnt/β-catenin信號傳導(dǎo)通路在正常生長和發(fā)育中發(fā)揮著重要的作用，若該通路失調(diào)，則有可能引起癌癥和其它疾病的發(fā)生[11]。Wnt通路的過度激活與多種癌癥（包括結(jié)腸癌、胃癌、乳腺癌等）的發(fā)生緊密相關(guān)，這已經(jīng)也得到了大多數(shù)學(xué)者的認(rèn)可。然而，目前關(guān)于其通路對血管鈣化的影響的研究卻為數(shù)不多。Schans等[12]最新研究表明，Wnt信號被認(rèn)為能在血管發(fā)育的不同方面起作用，包括血管內(nèi)皮和血管平滑肌細(xì)胞的增殖等。許多研究都聚焦在了經(jīng)典Wnt通路也就是Wnt /β-catenin信號通路上面。Wnt信號在成骨細(xì)胞分化中扮演著多重角色，包括成骨細(xì)胞譜系分化，調(diào)節(jié)各個方面骨穩(wěn)態(tài)和破骨細(xì)胞形成的衰減等[13]。

Wnt蛋白是生長因子大家族中的一員，Wnt蛋白家族由至少19個成員組成，它對于體內(nèi)多種細(xì)胞發(fā)揮生物學(xué)功能起著重要的作用[14]。一些Wnt蛋白，如Wnt1、Wnt3a、Wnt4、Wnt5、Wnt10b和Wnt13等，都可以通過激活兩條主要的信號通路來調(diào)控成骨細(xì)胞的形成[15]。在經(jīng)典的Wnt/β-catenin途徑中，Wnt蛋白通過結(jié)合低密度脂蛋白受體相關(guān)pro-TIN5/6（LRP5/6）共受體和膜卷曲G蛋白偶聯(lián)受體的受體復(fù)合物（FGRs）來發(fā)揮作用。這種結(jié)合可以誘導(dǎo)腺瘤性息肉病大腸桿菌、軸突復(fù)合物和糖原合酶激酶（GSK）-3β等的解離，導(dǎo)致胞質(zhì)的積累和β-catenin的核易位[16]。Wnt通路也激活轉(zhuǎn)錄因子T細(xì)胞因子（TCF）和淋巴細(xì)胞增強(qiáng)因子（LEF）并與β-catenin一起來控制體軸的形成、成骨細(xì)胞的分化、存活以及增殖。在非經(jīng)典Wnt途徑，G-蛋白介導(dǎo)的Wnt-β-catenin，Wnt/cAMP，和零星介導(dǎo)的c-Jun N末端激酶信號組件是重要的組成部分[17]。

有研究表明，Wnt/β-catenin 與平滑肌細(xì)胞的成骨分化密切相關(guān)，Kook等[18]研究發(fā)現(xiàn)，Wnt1刺激人主動脈平滑肌細(xì)胞（Human aortic smooth muscle cells，HASMC）的分化常常伴隨著糖原合酶激酶（GSK）-3β的磷酸化表達(dá)的增強(qiáng)，以及骨特異性因子（Runx2），Osterix2（Osx2），ALP，Ⅰ型膠原，骨橋蛋白和骨鈣蛋白等蛋白的表達(dá)增加，表明Wnt1刺激HASMC的成骨分化和鈣化，主要通過激活經(jīng)典Wnt /β-catenin途徑，其中Runx2是關(guān)鍵的下游調(diào)節(jié)劑。

Runt相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子2（Runx2）是軟骨細(xì)胞的成熟和成骨細(xì)胞的分化必不可少的關(guān)鍵因子[19]，Wnt信號通過刺激Runx2來誘導(dǎo)成骨細(xì)胞分化。直接將Runx2啟動子與TCF或LEF/b-連環(huán)蛋白相結(jié)合被認(rèn)為是Wnt配體刺激Runx2蛋白表達(dá)的主要機(jī)制之一[20]。Wnt10b的過表達(dá)可以抑制骨丟失并驅(qū)動間充質(zhì)干細(xì)胞通過上調(diào)Runx2向成骨細(xì)胞譜系分化[21]。

在Wnt的存在下，β-catenin的磷酸化被CK1和GSK-3所抑制，并且β-catenin可以與各種轉(zhuǎn)錄因子（例如TCF/LEF）相結(jié)合形成復(fù)合物，從而誘導(dǎo)許多基因的轉(zhuǎn)錄。同時，在Wnt的存在下，CK1和GSK-3可以磷酸化低密度脂蛋白受體相關(guān)蛋白（LRP5/6），促進(jìn)黑素細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)。在不存在Wnt受體卷曲（Fz）的配體的情況下，CK1只磷酸化β-catenin。這用作GSK-3在S41，S37和S33中使β-catenin磷酸化。磷酸化可以導(dǎo)致β-catenin的失穩(wěn)和泛素化以及隨后的蛋白酶體降解。如果β-catenin在調(diào)節(jié)性殘基（S45，S41，S37和S33）處突變，則其可能不被CK1和GSK-3磷酸化[22]。

血管動脈中膜鈣化與糖尿病患者主要心血管并發(fā)癥及死亡率升高密切相關(guān)。血管鈣化逐漸成為心腦血管及周圍血管疾病發(fā)病率和致死率的一個強(qiáng)有力的預(yù)測指標(biāo)。在眾多的糖尿病血管病變的發(fā)病機(jī)制中，AGEs異常激活Wnt/β-catenin信號通路與糖尿病血管鈣化存在著密切的聯(lián)系，這一點(diǎn)已經(jīng)被眾多的學(xué)者所認(rèn)可。但是在糖尿病血管病變中，晚期糖基化終末產(chǎn)物（AGEs）是通過何種機(jī)制去激活A(yù)KT/GSK-3β-Wnt/β-catenin信號通路仍不是很清楚，在未來的實(shí)驗(yàn)研究中，定會進(jìn)一步明確兩者之間的關(guān)系，為我們預(yù)防糖尿病血管鈣化及其周圍血管并發(fā)癥提供新的治療指導(dǎo)。

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（收稿日期：2016-12-16）

基金項(xiàng)目：2012年度國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目

（項(xiàng)目編號：81270358）

①西南醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院 四川 瀘州 646000