周杰 陳祥燕 韓彬 余小平

GSK-3是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，最初是在小鼠骨骼肌細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)[1]，主要作用是使糖原合成酶發(fā)生磷酸化而失活，糖原合成酶是糖原合成過程中的最后一個(gè)作用酶。GSK-3通過與PI 3K/PTEN/AKT/mTOR、Wnt/β-catenin、Notch、Ras/Raf/ERK等多個(gè)信號(hào)通路發(fā)生相互作用[2]，參與調(diào)節(jié)代謝、胚胎發(fā)育、細(xì)胞分化遷移凋亡等生理過程。在一些代謝性疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病、癌癥中存在GSK-3的異常表達(dá)[3-6]。而上述這些信號(hào)通路在白血病等疾病中通常呈異常調(diào)節(jié)[7]，提示GSK-3是白血病等疾病的一個(gè)有效治療靶點(diǎn)。而且，有研究表明，抑制GSK-3的表達(dá)能增加耐藥細(xì)胞對(duì)一些藥物和小分子抑制劑的敏感性[6-7]。

1 GSK-3 家族

GSK-3基因家族包括GSK-3 α和 GSK-3 β，GSK-3 α 蛋白分子量為 51 kDa，GSK-3 β 為 47 kDa，GSK-3 α和GSK-3 β在結(jié)構(gòu)上非常相似，功能各有不同。GSK-3 α+/GSK-3 β-小鼠在胚胎發(fā)育16 d出現(xiàn)死亡，主要是由肝細(xì)胞凋亡導(dǎo)致。GSK-3 α-/GSK-3 β+小鼠出現(xiàn)血糖增加和脂肪減少，代謝和神經(jīng)發(fā)育異常。

2 GSK-3 調(diào)節(jié)分子

GSK-3 α和 GSK-3 β在細(xì)胞中廣泛表達(dá)，GSK-3 β能使40多種蛋白質(zhì)發(fā)生磷酸化，包括20多種轉(zhuǎn)錄因子[8]。GSK-3 α和 GSK-3 β在正常細(xì)胞中保持活性狀態(tài)，當(dāng)在多種刺激和信號(hào)傳導(dǎo)作用下，分別通過S 21和S 9位點(diǎn)磷酸化而失去活性。許多酶能引起GSK-3 β的磷酸化，例如蛋白酶A、Akt、p 90 Rsk（p 90 核糖體 S 6 蛋白激酶）、P 70 S 6K（P 70 核糖體S 6蛋白激酶）。GSK-3 α和 GSK-3 β磷酸化主要有以下方式：（1）胰島素引起Akt激活；（2）上皮生長因子、血小板衍化生長因子以及其他生長因子引起Ras/Raf/ERK/ p 90 Rsk 1激活；（3）其他信號(hào)分子：p 90 Rsk、P 70 S 6K。除了 S 21 和 S 9 位點(diǎn)發(fā)生磷酸化外，研究顯示Y 279和Y 216位點(diǎn)能自我磷酸化（antophosphorylation）[9]。凋亡刺激能引起GSK-3 β在Y 216位點(diǎn)磷酸化水平升高，提示GSK-3 β在細(xì)胞凋亡中起著一定作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸富集的酪氨酸激酶（proline-rich tyrosine kinase,PYK 2）能在Y 216和Y 270位點(diǎn)引起GSK-3的磷酸化。細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase,ERK）能在T 43位點(diǎn)引起GSK-3 β磷酸化，通過構(gòu)象改變而引起GSK-3 β活性變化[8]。

3 GSK-3 對(duì)細(xì)胞增殖凋亡的調(diào)節(jié)作用

GSK-3通過改變P 70 S 6K、細(xì)胞周期蛋白和細(xì)胞周期蛋白依賴激酶復(fù)合物（cyclin-Cdk complex）的活性，影響細(xì)胞增殖和分裂[10-11]。通過對(duì)GSK-3抑制能阻止細(xì)胞周期蛋白D 1（Cyclin D 1）和細(xì)胞周期蛋白E（Cyclin E）磷酸化，阻止它們的核輸出以及降解。GSK-3能調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的活性，這使其在細(xì)胞增殖中發(fā)揮著重要作用[12]。GSK-3 β通過p 53調(diào)節(jié)生長抑制和DNA損傷誘導(dǎo)劑45（growth arrest and DNA damageinducible 45，GADD 45）和 GADD 153，從而抑制細(xì)胞周期進(jìn)程和腫瘤基因表達(dá)。GSK-3 β還能通過c-Myc調(diào)節(jié)GADD 45和GADD 153基因以及控制CDC 25（cell division cycle 25 A）的表達(dá)，CDC 25是一種重要的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)劑。GSK-3 β也能控制轉(zhuǎn)錄因子NF-kB的活性[12]，與NF-kB一起調(diào)節(jié)粘著斑激酶的表達(dá)[13]。

GSK-3 β在凋亡和抗凋亡家族成員的表達(dá)調(diào)節(jié)中發(fā)揮作用，研究表明GSK-3能調(diào)節(jié)抗凋亡因子Mcl-1(myeloid cell leukemia sequence 1)的表達(dá)，使抗凋亡因子Bcl-2（B-cell lymphoma 2）家族成員在白血病細(xì)胞中穩(wěn)定表達(dá)，GSK-3 β也能通過c-Myb (myeloblastosis transcription factor)調(diào)節(jié)Bcl-2的轉(zhuǎn)錄。c-Myb與淋巴樣增強(qiáng)子結(jié)合因子1（lymphoid enhancer-binding factor 1，LEF-1）連接后與 Bcl-2和BIRC 5基因的啟動(dòng)區(qū)結(jié)合從而阻止白血病細(xì)胞凋亡[14]，抑制GSK-3 β能使c-Myb表達(dá)下調(diào)。

4 GSK-3 在維持造血干細(xì)胞穩(wěn)態(tài)中的作用

造血干細(xì)胞(hematopoietic stem cells,HSC)在一定情況下既要維持原有自我更新細(xì)胞的數(shù)量，也要定向分化出子代細(xì)胞去補(bǔ)給成熟血細(xì)胞的生理損耗，GSK-3在維持HSC的穩(wěn)態(tài)中起著重要作用。GSK-3失活會(huì)引起HSC消耗，而mTORC 1抑制劑能阻止這種消耗，表明GSK-3失活后是通過mTORC 1激活引起HSC消耗，該研究還表明GSK-3通過Wnt/β-catenin信號(hào)通路調(diào)節(jié)HSC的自我更新，GSK-3是一個(gè)調(diào)節(jié)開關(guān)，可以通過mTORC 1和Wnt/β-catenin信號(hào)通路控制HSC的自我更新和分化[15]。

GSK-3磷酸化TSC 2抑制Rheb和mTORC 1的活性，而Wnt能抑制GSK-3對(duì)mTORC 1的抑制作用，表明經(jīng)典Wnt信號(hào)通路和GSK-3激活相反的信號(hào)通路，它們的作用方式正好相反，這些通路的激活使HSC選擇自我更新或者分化。在GSK-3 α和 GSK-3 β敲除小鼠模型上觀察到HSC開始是增加的，接著會(huì)逐漸減少，表明GSK-3對(duì)HSC維持穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用，同樣PTEN和TSC 1敲除小鼠也會(huì)表現(xiàn)出類似現(xiàn)象，PTEN是GSK-3的上游分子，對(duì)Akt的表達(dá)起著負(fù)調(diào)節(jié)作用，Akt又對(duì)GSK-3的表達(dá)起著負(fù)調(diào)節(jié)作用。

Klein等[16]的研究表明，在沒有外源性細(xì)胞因子存在情況下，使用mTORC 1抑制劑rapamycin阻斷mTOR信號(hào)通路以及使用GSK-3抑制劑激活Wnt/β-catenin信號(hào)通路，能使人和小鼠的HSC在體外保持正常生存狀態(tài)。另有體內(nèi)研究發(fā)現(xiàn)，rapamycin和GSK-3抑制劑CHIR 99021能增加多能干細(xì)胞（long-term HSCs）數(shù)量[17]。上述研究表明，GSK-3既能抑制Wnt/β-catenin，也能抑制 mTORC 1，Wnt/β-catenin主要控制HSC的自我更新，而mTOR的激活有利于HSC的分化。有實(shí)驗(yàn)表明，抑制GSK-3能使小鼠的胚胎干細(xì)胞（embryonic stem cells,ESCs)保持其多能性，而且缺少GSK-3的ECSs即使在誘導(dǎo)分化培養(yǎng)條件下，也能維持干細(xì)胞多能性特征。

5 GSK-3 與白血病

GSK-3在白血病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要調(diào)節(jié)作用，近年來，諸多研究者把GSK-3看作治療白血病的一個(gè)關(guān)鍵靶點(diǎn)。GSK-3能調(diào)節(jié)β-catenin的活性，β-catenin在白血病中通常表現(xiàn)為激活狀態(tài)，β-catenin激活能增強(qiáng)細(xì)胞耐藥和促進(jìn)白血病干細(xì)胞(leukemia stem cells,LSCs)的產(chǎn)生[18]。然而，正常 HSC 自我穩(wěn)態(tài)的維持不需要β-catenin的參與。研究發(fā)現(xiàn)在GSK-3 α活性丟失的AML細(xì)胞中，其形態(tài)學(xué)改變、表面標(biāo)志物和基因表達(dá)變化與髓樣分化吻合，表明GSK-3 α失活能誘導(dǎo)AML細(xì)胞的分化[19]，抑制GSK-3 α引起c-Myc及其相關(guān)基因表達(dá)下調(diào)，或許是GSK-3 α失活從而引起AML分化的機(jī)制。

GSK-3 α除了影響細(xì)胞分化外，還能抑制細(xì)胞生長增殖，誘導(dǎo)凋亡。GSK-3抑制劑也具有一定的抗腫瘤效應(yīng)，但是也會(huì)促進(jìn)某些腫瘤的生長。GSK-3還能通過與視黃酸受體（retinoic acid recepter,RAR）相互作用從而減少AML的分化[20]。RAR在急性早幼粒細(xì)胞性白血?。╝cute promyelocytic leukemia,APL）中因?yàn)橹嘏攀艿狡茐模琑AR的配體全反式維甲酸（all-trans retinoic acid）的使用能增加APL的分化能力。GSK-3能使RAR發(fā)生磷酸化而失活，抑制GSK-3能提高全反式維甲酸引起的分化潛能。

血液循環(huán)中，HOX蛋白調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞的自我更新，HOX基因突變及其上游調(diào)節(jié)基因MLL和CDX 2突變和錯(cuò)誤表達(dá)都會(huì)導(dǎo)致HOX蛋白調(diào)節(jié)功能的異常，導(dǎo)致急性白血病中常見的造血干細(xì)胞自我更新紊亂。研究顯示，CREB Ser 129位點(diǎn)磷酸化誘導(dǎo)CREB與MEISI結(jié)合，它們的結(jié)合促進(jìn)HOX介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄，最終維持MLL白血病干細(xì)胞的轉(zhuǎn)錄功能，而CREB Ser 129位點(diǎn)正好是GSK-3的作用位點(diǎn)，GSK-3抑制劑作用于MLL白血病細(xì)胞會(huì)抑制其增殖功能[21]。這表明GSK-3可以通過CREB/MEISI/HOX調(diào)節(jié)白血病細(xì)胞增殖，使其成為MLL白血病的一個(gè)有效治療靶點(diǎn)。GSK-3抑制劑雖然能抑制MLL白血病細(xì)胞增殖，但經(jīng)典Wnt信號(hào)通路的超活化卻能阻礙抑制劑對(duì)GSK-3的抑制作用，β-catenin抑制劑能增加MLL白血病干細(xì)胞對(duì)GSK-3抑制劑的敏感性，從而達(dá)到抑制細(xì)胞增殖的效應(yīng)[22]。

然而，在Bcr-Abl酪氨酸激酶誘發(fā)的慢性粒細(xì)胞白血病（chronic myeloid leukemia，CML）中，GSK-3 的活性狀態(tài)卻對(duì)CML白血病細(xì)胞起著抑制增殖、促進(jìn)凋亡的作用[23]。CML中存在大量GSK-3失活狀態(tài)，內(nèi)源性神經(jīng)酰胺再活化GSK-3會(huì)抑制CML細(xì)胞增殖，抑制Bcl-Abl表達(dá)從而促進(jìn)凋亡，這表明GSK-3活化對(duì)于CML起著抑制作用，GSK-3活化還能改善CML白血病細(xì)胞對(duì)Bcl-Abl抑制劑的耐藥效應(yīng)。

新近研究顯示，F(xiàn)orkhead box O 3(FOXO 3)水平的升高有助于白血病起始細(xì)胞(leukemia-initiating cells,LICs)維持其功能和不成熟狀態(tài)，Akt的表達(dá)水平和FOXO 3的水平之間存在復(fù)雜的相互作用[24]。在耐藥白血病細(xì)胞（resistant leukemia cells）中，JNK/c-Jun激活水平升高與FOXO水平降低存在關(guān)聯(lián)，JNK抑制劑能增強(qiáng)Akt的活化，使FOXO 3的損耗增加，從而誘導(dǎo)AML LICs的分化。該研究作者認(rèn)為mTORC 1和GSK-3 β在Akt和FOXO 3之間的信號(hào)傳導(dǎo)中起著重要作用，消除FOXO的抑制效應(yīng)。在淋巴細(xì)胞性白血?。˙-CLL）中，抑制GSK-3能導(dǎo)致NF-κB靶基因的表觀遺傳沉默，誘導(dǎo)凋亡，抑制細(xì)胞的增殖。

6 結(jié)語

綜上所述，GSK-3 α和GSK-3 β是參與調(diào)節(jié)很多生化過程的重要酶。胰島素引起的Akt激活，上皮生長因子、血小板衍化生長因子等引起的Ras/Raf/ERK/p 90 Rsk 1激活以及 p 90 Rsk、P 70 S 6K均能引起 GSK-3 α和 GSK-3 β磷酸化使其失去活性。GSK-3具有多種生物學(xué)功能，既能通過P 70 S 6K和細(xì)胞周期蛋白等影響細(xì)胞增殖和分裂，又能通過調(diào)節(jié)抗凋亡基因影響細(xì)胞凋亡。GSK-3通過與mTOR和Wnt/β-catenin信號(hào)通路的相互作用調(diào)節(jié)造血干細(xì)胞的分化和自我更新，從而維持造血干細(xì)胞數(shù)量和功能的相對(duì)恒定。GSK-3既能促進(jìn)MLL白血病細(xì)胞的增殖，又能對(duì)CML白血病細(xì)胞發(fā)揮抑制作用，這可能是各類白血病發(fā)生發(fā)展所涉及優(yōu)勢(shì)信號(hào)通路不同造成GSK-3這種相互矛盾的作用，進(jìn)一步對(duì)GSK-3的深入研究，分析其在不同類型白血病中發(fā)揮的作用有助于篩選白血病的最佳治療方案。

[1] Hemmings BA,Cohen P.Glycogen synthase kinase-3 from rabbit skeletal muscle[J].Methods Enzymol,1983,99:337-345.

[2] Welham MJ,Kinghan E,Sanchez-ripoll Y,et al.Controlling embryonic stem cell proliferation and pluripotency:the role of PI 3K and GSK-3-dependent signaling[J].Biochem Soc Trans,2011,39(2):674-678.

[3] Gao C,Holscher C,Liu Y,et al.GSK 3:a key target for the development of novel treatments for type 2 diabetes mellitus and Alzheimer disease[J].Rev Neurosci,2012,23(1):1-11.

[4] Shimura T.Acquired radioresistance of cancer and the AKT/GSK 3beta/cyclin D 1 overexpression cycle[J].J Radiat Res,2011,52(5):539-544.

[5] Fu Y,Hu D,Qiu J,Xie X,et al.Overexpression of glycogen synthase kinase-3 in ovarian carcinoma cells with acquired paclitaxel resistance[J].Int J Gynecol Cancer,2011,21(3):439-444.

[6] Kawazoe H,Bilim VN,Ugolkov AV,et al.GSK-3 inhibition in vitro and in vivo enhances antitumor effect of sorafenib in renal cell carcinoma(RCC)[J].Biochem Biophys Res Commun,2012,423(3):490-495.

[7] Bolzoni M,Donofrio G,Storti P,et al.Myeloma cells inhibit noncanonical wnt co-receptor ror 2 expression in human bone marrow osteoprogenitor cells:effect of wnt 5a/ror 2 pathway activation on the osteogenic differentiation impairment induced by myeloma cells[J].Leukemia,2013,27(2):451-463.

[8] Sutherland C.What are the bona fide GSK 3 substrates?[A].Int J Alzheimers Dis，2011,2011:23.

[9] Cole A,Frame S,Cohen P.Further evidence that the tyrosine phosphorylation of glycogen synthase kinase-3(GSK 3) in mammalian cells is an autophosphorylation event[J].Biochem J,2004,377(pt 1):249-255.

[10] Shin S,Wolgamott L,Yu Y,et al.Glycogen synthase kinase(GSK)-3 promotes p 70 ribosomal protein S 6 kinase(p 70 S 6K) activity and cell proliferation[J].Proc Natl Acad Sci USA,2011,108(47):E 1204-1213.

[11] McQueen J,van Dyk D,Young B,et al.The Mck 1 GSK-3 kinase inhibits the activity of Clb 2-Cdk 1 post-nuclear division[J].Cell Cycle,2012,11(18):3421-3432.

[12] Mishra R.Glycogen synthase kinase 3 beta:can it be a target for oral cancer?[J].Mol Cancer,2010,9:144.

[13] Bianchi M,De Lucchini S,Marin O,et al.Regulation of FAK Ser-722 phosphorylation and kinase activity by GSK 3 and PP 1 during cell spreading and migration[J].Biochem J,2005,391(pt 2):359-370.

[14] Zhou F,Zhang L,van Laar T,et al.GSK 3β inactivation induces apoptosis of leukemia cells by repressing the function of c-Myb[J].Mol Biol Cell,2011,22(18):3533-3540.

[15] Huang J,Zhang Y,Bersenev A,et al.Pivotal role for glycogen synthase kinase-3 in hematopoietic stem cell homeostasis in mice[J].J Clin Invest,2009,119(12):3519-3529.

[16] Gurumurthy S,Xie SZ,Alagesan B,et al.The Lkb 1 metabolic sensor maintains haematopoietic stem cell survival[J].Nature,2010,468(7324):659-663.

[17] Huang J,Nguyen-McCarty M,Hexner EO,et al.Maintenance of hematopoietic stem cells through regulation of Wnt and mTOR pathways[J].Nat Med,2012,18(12):1778-1785.

[18] Yeung J,Esposito MT,Gandillet A,et al.β-catenin mediates the establishment and drug resistance of MLL leukemic stem cells[J].Cancer Cell,2010,18(6):606-618.

[19] Banerji V,Frumm SM,Ross KN,et al.The intersection of genetic and chemical genomic screens identifies GSK-3 alpha as a target in human acute myeloid leukemia[J].J Clin Invest,2012,122(3):935-947.

[20] Gupta K,Gulen F,Sun L,et al.GSK 3 is a regulator of RAR-mediated differentiation[J].Leukemia,2012,26(6):1277-1285.

[21] Zhong W,Masayuki L,Francesca F,et al.GSK-3 promotes conditional association of CREB and its coactivators with MEIS 1 to facilitate HOX-mediated transcription and oncogenesis[J].Cancer Cell,2010,17(6):597-608.

[22] Tsz KF,Arnaud G,Chi WS.Selective treatment of mixed-lineage leukemia leukemic stem cells through targeting glycogen synthase kinase 3 and the canonical Wnt/β-catenin pathway[J].Curr Opin Hematol,2012,19(4):280-286.

[23] Huang WC,Tsai CC,Chen CL,et al.Glucosylceramide synthase inhibitor PDMP sensitizes chronic myeloid leukemia T 315 I mutant to Bcr-Abl inhibitor and cooperatively induces glycogen synthase kinase-3-regulated apoptosis[J].FASEB J,2011,25(10):3661-3673.

[24] Sykes SM,Lane SW,Bullinger L,et al.AKT/FOXO signaling enforces reversible differentiation blockade in myeloid leukemias[J].Cell,2011,146(5):697-708.