徐詠，王浩，張繼國(guó)

(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(xué)藥學(xué)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(xué)作用主要通過(guò)磷酸化調(diào)節(jié)、細(xì)胞內(nèi)定位調(diào)節(jié)及結(jié)合蛋白的調(diào)節(jié)3種方式，其作用底物多達(dá)50多種，主要包括各種結(jié)構(gòu)蛋白、調(diào)控代謝蛋白酶類以及轉(zhuǎn)錄因子，最常見(jiàn)的有微管相關(guān)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(diǎn)(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(diǎn)抑制其活性；而酪氨酸位點(diǎn)(Thr216)磷酸化后可增強(qiáng)其活性[3]。中樞神經(jīng)系統(tǒng)富集GSK-3β，其通過(guò)磷酸化代謝酶、信號(hào)蛋白、結(jié)構(gòu)蛋白和轉(zhuǎn)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(guān)，如阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)[4]。研究發(fā)現(xiàn)，GSK-3β可通過(guò)調(diào)控多條信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，參與與AD發(fā)生發(fā)展密切相關(guān)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(xì)胞的凋亡及炎癥反應(yīng)等病理過(guò)程，本文對(duì)此進(jìn)行綜述。

1 GSK-3β與AD

AD是癡呆的常見(jiàn)類型，隨著人口老齡化，發(fā)病率逐年升高，越來(lái)越受到人們的關(guān)注。AD典型的神經(jīng)病理學(xué)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(guò)度磷酸化形成的神經(jīng)原纖維纏結(jié)(neurofibrillary tangles，NFTs)，神經(jīng)元凋亡以及一系列的炎癥反應(yīng)。早在1997年研究發(fā)現(xiàn)，AD患者大腦中GSK-3β高表達(dá)，說(shuō)明GSK-3β可能參與了AD的發(fā)病過(guò)程，其后人們對(duì)GSK-3β在AD中的作用及機(jī)制展開(kāi)了深入的研究[5]。在動(dòng)物及細(xì)胞實(shí)驗(yàn)中觀察到了與AD患者相同的結(jié)果，也證實(shí)GSK-3β 的異常激活可以引起 Aβ生成增多、 tau 蛋白的過(guò)度磷酸化、誘導(dǎo)凋亡及參與炎癥反應(yīng)等，而其上述作用的發(fā)揮與其調(diào)控多條信號(hào)通路有關(guān)[6-8]。

2 GSK-3β通過(guò)調(diào)控信號(hào)通路參與AD

2.1PI3K/AKT/GSK-3β信號(hào)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(gè)信號(hào)分子組成。正常情況下，活化的PI3K會(huì)在細(xì)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(jié)構(gòu)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(diǎn)的磷酸化，進(jìn)而活化AKT。GSK-3β可與活化的AKT結(jié)合，誘導(dǎo)GSK-3β向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)位，及GSK-3β氨基端的Ser9位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，使之失活。

GSK-3β與活化的AKT結(jié)合后失活，進(jìn)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(dá)。有研究證明GSK-3β通過(guò)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(shí)，AD病理改變與腦組織內(nèi)胰島素表達(dá)水平異常、胰島素信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路異常有關(guān)，而胰島素信號(hào)通路異常與胰島素抵抗導(dǎo)致的PI3K蛋白活性下降、GSK-3β蛋白活性增高密切相關(guān)[11]。

2.2Wnt信號(hào)通路 Wnt信號(hào)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(xì)胞因子/淋巴樣增強(qiáng)因子(Tc/fLef)及其他一些基因的表達(dá)產(chǎn)物共同構(gòu)成[12]。β-catenin在Wnt信號(hào)通路活動(dòng)完成過(guò)程中起關(guān)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(jié)構(gòu)域(cysteine rich domain，CRD)結(jié)合，這一作用可抑制DSH對(duì)β-catenin的降解，從而使β-catenin在細(xì)胞質(zhì)中積累，而β-catenin可進(jìn)入細(xì)胞核影響轉(zhuǎn)錄因子TCF/LEF，進(jìn)而調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)。GSK-3β在β-catenin的降解中起關(guān)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，可增加GSK-3β的活性，從而降低β-catenin的水平，并通過(guò)下調(diào)Bcl-2和上調(diào)Bax的表達(dá)促進(jìn)細(xì)胞的凋亡。GSK-3β是Wnt信號(hào)通路的一個(gè)重要負(fù)調(diào)控因子，用鋰抑制GSK-3β活性后，β-catenin的水平會(huì)增高激活Wnt信號(hào)通路來(lái)保護(hù)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(yù)防Tau蛋白過(guò)度磷酸化和纖維纏結(jié)的形成[15]。

2.3BDNF信號(hào)通路 在哺乳動(dòng)物腦中神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(brain-derived neurotropic factor，BDNF)表達(dá)最高的是海馬，海馬是大腦中與空間學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)的結(jié)構(gòu)[16]。BDNF的表達(dá)受環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)的調(diào)控。有研究證明，激活GSK-3β能夠?qū)е翪REB靶向基因表達(dá)的下調(diào)(如BDNF)，而抑制GSK-3β能夠改善認(rèn)知功能受損[17]。由上述研究可知GSK-3β可能會(huì)通過(guò)影響CREB進(jìn)而影響B(tài)DNF參與AD的發(fā)生與發(fā)展。

3 GSK-3β信號(hào)通路參與AD的發(fā)生發(fā)展

3.1GSK-3β信號(hào)通路調(diào)控Aβ的生成 Aβ級(jí)聯(lián)假說(shuō)認(rèn)為Aβ是AD發(fā)病的關(guān)鍵分子，GSK-3β的活性增加可以促進(jìn)Aβ的形成和異常聚集，而異常聚集的Aβ反過(guò)來(lái)也可以通過(guò)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(qiáng)，進(jìn)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(lái)，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(guān)鍵酶分別為α，β和γ分泌酶。GSK-3β對(duì)APP及其分解過(guò)程的關(guān)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(dá)水平，如GSK-3β與一種新的肽脯氨酰異構(gòu)酶Pin1(protein interaction with NIMA1)結(jié)合并相互作用，抑制其生物活性后，可降低APP的表達(dá)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(guò)抑制金屬蛋白酶(ADAM)的活性來(lái)下調(diào)α分泌酶復(fù)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(diǎn)位于膜的內(nèi)側(cè)。抑制GSK-3β可通過(guò)NF-κB信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制減少BACE1介導(dǎo)的APP剪切。Ly及其同事的研究結(jié)果表明抑制GSK-3β的活性可有效降低BACE1介導(dǎo)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(qiáng)轉(zhuǎn)基因小鼠的學(xué)習(xí)和記憶能力[22]。γ分泌酶復(fù)合物由APH1(前咽缺陷蛋白-1)、PEN2(早老蛋白增強(qiáng)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(guò)PS1調(diào)控γ分泌酶的活性，從而促進(jìn)Aβ的生成過(guò)程[23]。

3.2GSK-3β參與Tau蛋白的磷酸化 NFTs是AD的另一個(gè)病理學(xué)特征，由過(guò)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(dòng)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(dòng)態(tài)平衡被打破，導(dǎo)致Tau過(guò)度磷酸化，Tau過(guò)度磷酸化導(dǎo)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(guān)的磷酸化位點(diǎn)有絲氨酸和蘇氨酸，這些位點(diǎn)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(hào)分子，GSK-3β被認(rèn)為是AD發(fā)生過(guò)程中Tau高度磷酸化的關(guān)鍵激酶[24]，它可催化Tau蛋白上多個(gè)絲氨酸或蘇氨酸位點(diǎn)的磷酸化[25]。研究發(fā)現(xiàn)在AD轉(zhuǎn)基因小鼠實(shí)驗(yàn)中，在腦組織的NFTs中可以檢測(cè)出較高的GSK-3β蛋白表達(dá)[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(jié)構(gòu)，導(dǎo)致GSK-3β的活性增強(qiáng)，從而引起Tau的過(guò)度磷酸化和AD的發(fā)生[27]。

3.3GSK-3β與凋亡 細(xì)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(yáng)性的凋亡神經(jīng)細(xì)胞，且主要為神經(jīng)元細(xì)胞。GSK-3β可通過(guò)Wnt信號(hào)通路而調(diào)控神經(jīng)細(xì)胞凋亡[28]。PI3K/AKT信號(hào)通路是細(xì)胞存活的重要通路之一，其中AKT/PKB、環(huán)磷酸腺苷反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)、NF-κB等是 PI3K/AKT信號(hào)通路中的重要分子，它們通過(guò)調(diào)節(jié)凋亡相關(guān)蛋白，如Bcl-2，Bax等因子的表達(dá)水平，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞生存的調(diào)節(jié)，其中磷酸化的AKT通過(guò)促進(jìn)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(hào)通路的下游分子，通過(guò)Bcl-2家族抗凋亡蛋白Mcl-1(myeloid cell leukemia-1)磷酸化來(lái)誘導(dǎo)凋亡[29]。GSK-3β可以抑制促存活轉(zhuǎn)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(xì)胞凋亡[30]。由此可見(jiàn)，GSK-3β定在凋亡的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中起著不可或缺的作用。

3.4GSK-3β與炎癥 小膠質(zhì)細(xì)胞激活所誘導(dǎo)的炎癥反應(yīng)是各種慢性中樞神經(jīng)退行性疾病的發(fā)病機(jī)制之一。許多體內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)GSK-3β通過(guò)作用NF-κB，CREB等下游底物來(lái)調(diào)節(jié)部分炎癥介質(zhì)的生成，如白細(xì)胞介素-6(IL-6)，IL-1β和腫瘤壞死因子(TNF-α)[31]。同時(shí)GSK-3β還能降低抗炎細(xì)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(xì)胞增殖、遷移，發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用[32]。

4 GSK-3β抑制劑與AD

GSK-3β通過(guò)多條信號(hào)通路參與AD的發(fā)生與發(fā)展，因此將GSK-3β作為靶點(diǎn)來(lái)防治AD的研究越來(lái)越多，尤其是對(duì)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(zhuǎn)基因小鼠給予靛玉紅和AR-A014418后，水迷宮實(shí)驗(yàn)表明二者可明顯緩解APP轉(zhuǎn)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(jié)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(yīng)而保護(hù)AD[36]。細(xì)胞實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，迷迭香酸及其衍生物可通過(guò)作于 Akt/GSK-3β/Fyn通路減輕Aβ誘導(dǎo)的細(xì)胞氧化應(yīng)激損傷[37-38]。

綜上所述，GSK-3β通過(guò)多條信號(hào)通路調(diào)控Aβ的生成、Tau的磷酸化、細(xì)胞凋亡及炎癥等而參與AD的病理學(xué)過(guò)程，而GSK-3β抑制劑能夠逆轉(zhuǎn)AD轉(zhuǎn)基因動(dòng)物的認(rèn)知及病理變化，說(shuō)明GSK-3β在AD發(fā)生發(fā)展中起著關(guān)鍵性的作用，因此以GSK-3β為靶點(diǎn)開(kāi)發(fā)防治AD的藥物具有重要的臨床意義。