GSK-3β信號通路在阿爾茨海默病中的作用及其生物學意義*

徐詠，王浩，張繼國

(1.泰安市中心醫(yī)院靜脈用藥調(diào)配中心，泰安 271000；2.山東第一醫(yī)科大學藥學院，泰安 271016)

糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)為絲氨酸/蘇氨酸激酶，因磷酸化糖原合成酶而得名[1]。GSK-3β發(fā)揮生物學作用主要通過磷酸化調(diào)節(jié)、細胞內(nèi)定位調(diào)節(jié)及結合蛋白的調(diào)節(jié)3種方式，其作用底物多達50多種，主要包括各種結構蛋白、調(diào)控代謝蛋白酶類以及轉錄因子，最常見的有微管相關蛋白Tau、β-連環(huán)蛋白(β-catenin)和環(huán)磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)等[2]。GSK-3β的活性也受磷酸化調(diào)控，其氨基端的絲氨酸位點(Ser9)磷酸化后其活性受抑，蛋白激酶C(PKC)、蛋白激酶A(PKA)可磷酸化此位點抑制其活性；而酪氨酸位點(Thr216)磷酸化后可增強其活性[3]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)富集GSK-3β，其通過磷酸化代謝酶、信號蛋白、結構蛋白和轉錄因子參與各種神經(jīng)元功能，與多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關，如阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)[4]。研究發(fā)現(xiàn)，GSK-3β可通過調(diào)控多條信號轉導通路，參與與AD發(fā)生發(fā)展密切相關的β-淀粉樣蛋白(amyloid protein β，Aβ)的生成、Tau 蛋白的磷酸化、神經(jīng)元細胞的凋亡及炎癥反應等病理過程，本文對此進行綜述。

1 GSK-3β與AD

AD是癡呆的常見類型，隨著人口老齡化，發(fā)病率逐年升高，越來越受到人們的關注。AD典型的神經(jīng)病理學改變是：Aβ在腦內(nèi)的沉積所形成的老年斑(senile plaques，SPs)，Tau蛋白的過度磷酸化形成的神經(jīng)原纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFTs)，神經(jīng)元凋亡以及一系列的炎癥反應。早在1997年研究發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦中GSK-3β高表達，說明GSK-3β可能參與了AD的發(fā)病過程，其后人們對GSK-3β在AD中的作用及機制展開了深入的研究[5]。在動物及細胞實驗中觀察到了與AD患者相同的結果，也證實GSK-3β 的異常激活可以引起 Aβ生成增多、 tau 蛋白的過度磷酸化、誘導凋亡及參與炎癥反應等，而其上述作用的發(fā)揮與其調(diào)控多條信號通路有關[6-8]。

2 GSK-3β通過調(diào)控信號通路參與AD

2.1PI3K/AKT/GSK-3β信號通路 PI3K/AKT/GSK-3β 由磷脂酰肌醇3-激酶(phoshoinositide 3-kinase，PI3K)、蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，AKT)，GSK-3β三個信號分子組成。正常情況下，活化的PI3K會在細胞膜產(chǎn)生3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol 3，4，5-trisphosphate，PIP3)，即第二信使。PIP3與含有PH結構域(pleckstrin homology domain)的AKT相互作用，使AKT在磷酸肌醇依賴性激酶(phosphoinositi dedependent kinase，PDK)的作用下發(fā)生Ser308位點的磷酸化，進而活化AKT。GSK-3β可與活化的AKT結合，誘導GSK-3β向細胞膜轉位，及GSK-3β氨基端的Ser9位點發(fā)生磷酸化，使之失活。

GSK-3β與活化的AKT結合后失活，進而影響GSK-3β下游底物如核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、胰島素受體的表達。有研究證明GSK-3β通過PI3K/AKT通路的失活調(diào)節(jié)Tau蛋白和Aβ 的生成[9]。PLASCHKE等[10]研究證實，AD病理改變與腦組織內(nèi)胰島素表達水平異常、胰島素信號轉導通路異常有關，而胰島素信號通路異常與胰島素抵抗導致的PI3K蛋白活性下降、GSK-3β蛋白活性增高密切相關[11]。

2.2Wnt信號通路 Wnt信號途徑是由Wnt特異性跨膜受體卷曲蛋白(frrizled，F(xiàn)rz)、蓬亂蛋白(dishevelled，DSH)、 GSK-3β、軸蛋白(Axin)、大腸腺瘤樣息肉基因(APC)、β-連環(huán)蛋白(β-catenin)、T細胞因子/淋巴樣增強因子(Tc/fLef)及其他一些基因的表達產(chǎn)物共同構成[12]。β-catenin在Wnt信號通路活動完成過程中起關鍵作用，Wnt可與其膜受體的 Frz胞外N端具有富含半胱氨酸的結構域(cysteine rich domain，CRD)結合，這一作用可抑制DSH對β-catenin的降解，從而使β-catenin在細胞質(zhì)中積累，而β-catenin可進入細胞核影響轉錄因子TCF/LEF，進而調(diào)節(jié)靶基因的表達。GSK-3β在β-catenin的降解中起關鍵作用，GSK-3β是DSH的下游分子，DSH激活可抑制GSK-3β的活化，而GSK-3β的失活可抑制β-catenin的磷酸化，保留其活性，因此GSK-3β是Wnt信號通路的重要分子。

SCALI等[13]在體外大鼠皮質(zhì)神經(jīng)元中的研究發(fā)現(xiàn)，抑制Wnt/β-catenin信號轉導途徑，可增加GSK-3β的活性，從而降低β-catenin的水平，并通過下調(diào)Bcl-2和上調(diào)Bax的表達促進細胞的凋亡。GSK-3β是Wnt信號通路的一個重要負調(diào)控因子，用鋰抑制GSK-3β活性后，β-catenin的水平會增高激活Wnt信號通路來保護大鼠的海馬神經(jīng)元免受Aβ引起的損傷[14]；而且用鋰處理后可以預防Tau蛋白過度磷酸化和纖維纏結的形成[15]。

2.3BDNF信號通路 在哺乳動物腦中神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain-derived neurotropic factor，BDNF)表達最高的是海馬，海馬是大腦中與空間學習和記憶相關的結構[16]。BDNF的表達受環(huán)磷酸腺苷反應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)的調(diào)控。有研究證明，激活GSK-3β能夠導致CREB靶向基因表達的下調(diào)(如BDNF)，而抑制GSK-3β能夠改善認知功能受損[17]。由上述研究可知GSK-3β可能會通過影響CREB進而影響B(tài)DNF參與AD的發(fā)生與發(fā)展。

3 GSK-3β信號通路參與AD的發(fā)生發(fā)展

3.1GSK-3β信號通路調(diào)控Aβ的生成 Aβ級聯(lián)假說認為Aβ是AD發(fā)病的關鍵分子，GSK-3β的活性增加可以促進Aβ的形成和異常聚集，而異常聚集的Aβ反過來也可以通過增加GSK-3β的活性，引起N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDA)的興奮毒性明顯增強，進而加劇AD的病理發(fā)生、發(fā)展[18]。

Aβ由β-淀粉樣蛋白前體蛋白(β-amyloid precursor protein，APP)水解而來，APP水解包括非淀粉樣蛋白水解途徑和淀粉樣蛋白水解途徑，其分解的關鍵酶分別為α，β和γ分泌酶。GSK-3β對APP及其分解過程的關鍵酶均具有調(diào)控作用。APP是GSK-3β的底物，其分解代謝受GSK-3β的調(diào)控，GSK-3β可使其分解更傾向于淀粉樣蛋白水解途徑，最終大量生成Aβ[19]。研究發(fā)現(xiàn)，GSK-3β還可以調(diào)控APP的表達水平，如GSK-3β與一種新的肽脯氨酰異構酶Pin1(protein interaction with NIMA1)結合并相互作用，抑制其生物活性后，可降低APP的表達水平[20]。在非淀粉樣蛋白水解途徑中，APP被α和γ分泌酶依次水解。GSK-3β可通過抑制金屬蛋白酶(ADAM)的活性來下調(diào)α分泌酶復合物的活性，抑制APP的非淀粉樣蛋白水解[21]。在淀粉樣蛋白生成途徑中，APP首先被β分泌酶切割，隨后在γ分泌酶的作用下釋放出Aβ40或Aβ42。β分泌酶是一種天冬氨酸酰蛋白酶，又名BACE1(β-site APP cleaving enzyme 1)，其活性位點位于膜的內(nèi)側。抑制GSK-3β可通過NF-κB信號傳導機制減少BACE1介導的APP剪切。Ly及其同事的研究結果表明抑制GSK-3β的活性可有效降低BACE1介導的APP蛋白的淀粉樣蛋白水解途徑作用，從而減少Aβ的生成、沉積以及神經(jīng)炎性斑塊的數(shù)量，最終可以增強轉基因小鼠的學習和記憶能力[22]。γ分泌酶復合物由APH1(前咽缺陷蛋白-1)、PEN2(早老蛋白增強子-2)及Nicastrin(NCT)外，Presenilin蛋白(PS1和PS2)是催化的核心組成成分，而PS1是GSK-3β的底物，GSK-3β可通過PS1調(diào)控γ分泌酶的活性，從而促進Aβ的生成過程[23]。

3.2GSK-3β參與Tau蛋白的磷酸化 NFTs是AD的另一個病理學特征，由過度磷酸化的Tau蛋白形成。正常生理狀態(tài)下，Tau蛋白在蛋白激酶和蛋白磷酸化酶的共同調(diào)解下，處于磷酸化水平的動態(tài)平衡狀態(tài)，從而維持正常的生理功能。在病理狀態(tài)下，Tau蛋白的動態(tài)平衡被打破，導致Tau過度磷酸化，Tau過度磷酸化導致其從微管分離，聚合形成雙螺旋纖維(paried helical filaments，PHF)最終形成NFTs。目前為止，已知的功能相關的磷酸化位點有絲氨酸和蘇氨酸，這些位點的磷酸化與去磷酸化在AD中扮演了重要的角色。作為Tau蛋白高度磷酸化的上游信號分子，GSK-3β被認為是AD發(fā)生過程中Tau高度磷酸化的關鍵激酶[24]，它可催化Tau蛋白上多個絲氨酸或蘇氨酸位點的磷酸化[25]。研究發(fā)現(xiàn)在AD轉基因小鼠實驗中，在腦組織的NFTs中可以檢測出較高的GSK-3β蛋白表達[26]。另有研究發(fā)現(xiàn)，Ⅰ型鈣蛋白酶(Calpain Ⅰ)可以水解GSK-3β的C末端結構，導致GSK-3β的活性增強，從而引起Tau的過度磷酸化和AD的發(fā)生[27]。

3.3GSK-3β與凋亡 細胞凋亡是AD腦內(nèi)神經(jīng)元的重要病理改變，有研究發(fā)現(xiàn)AD患者腦組織內(nèi)存在較多TUNEL染色陽性的凋亡神經(jīng)細胞，且主要為神經(jīng)元細胞。GSK-3β可通過Wnt信號通路而調(diào)控神經(jīng)細胞凋亡[28]。PI3K/AKT信號通路是細胞存活的重要通路之一，其中AKT/PKB、環(huán)磷酸腺苷反應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)、NF-κB等是 PI3K/AKT信號通路中的重要分子，它們通過調(diào)節(jié)凋亡相關蛋白，如Bcl-2，Bax等因子的表達水平，實現(xiàn)對細胞生存的調(diào)節(jié)，其中磷酸化的AKT通過促進絲氨酸/蘇氨酸殘基底物磷酸化而發(fā)揮抗凋亡的作用。GSK-3β是PI3K/AKT信號通路的下游分子，通過Bcl-2家族抗凋亡蛋白Mcl-1(myeloid cell leukemia-1)磷酸化來誘導凋亡[29]。GSK-3β可以抑制促存活轉錄因子如熱休克因子(heat shock factor 1，HSF1)、熱休克蛋白70(heat shock protein，HSP70)、CREB及Bax凋亡基因，最后引起細胞凋亡[30]。由此可見，GSK-3β定在凋亡的信號轉導途徑中起著不可或缺的作用。

3.4GSK-3β與炎癥 小膠質(zhì)細胞激活所誘導的炎癥反應是各種慢性中樞神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機制之一。許多體內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)GSK-3β通過作用NF-κB，CREB等下游底物來調(diào)節(jié)部分炎癥介質(zhì)的生成，如白細胞介素-6(IL-6)，IL-1β和腫瘤壞死因子(TNF-α)[31]。同時GSK-3β還能降低抗炎細胞因子IL-10的產(chǎn)生。而GSK-3β抑制劑可以顯著抑制小膠質(zhì)細胞增殖、遷移，發(fā)揮神經(jīng)保護作用[32]。

4 GSK-3β抑制劑與AD

GSK-3β通過多條信號通路參與AD的發(fā)生與發(fā)展，因此將GSK-3β作為靶點來防治AD的研究越來越多，尤其是對GSK-3β抑制劑的研究。目前，已知的GSK-3β抑制劑主要有：靛玉紅、鋰、TDZD-8、SB415286、AR-A014418、L803-mts等。在APP轉基因小鼠給予靛玉紅和AR-A014418后，水迷宮實驗表明二者可明顯緩解APP轉基因AD小鼠的記憶障礙，并且下調(diào)Tau蛋白的磷酸化[33]。而AD小鼠給與L803-mts和鋰也得到了同樣的結果[34-35]。氯化鋰作為GSK-3β的抑制劑可以抑制IL-1β和TNF-α的釋放，減輕炎癥反應而保護AD[36]。細胞實驗發(fā)現(xiàn)，迷迭香酸及其衍生物可通過作于 Akt/GSK-3β/Fyn通路減輕Aβ誘導的細胞氧化應激損傷[37-38]。

綜上所述，GSK-3β通過多條信號通路調(diào)控Aβ的生成、Tau的磷酸化、細胞凋亡及炎癥等而參與AD的病理學過程，而GSK-3β抑制劑能夠逆轉AD轉基因動物的認知及病理變化，說明GSK-3β在AD發(fā)生發(fā)展中起著關鍵性的作用，因此以GSK-3β為靶點開發(fā)防治AD的藥物具有重要的臨床意義。