糖原合酶激酶-3β与轻度认知障碍的相关性研究进展

赵 腾综述, 周春奎审校

最近大量研究表明[1,2],糖原合酶激酶-3β(GSK-3β)在MCI及AD疾病过程中不仅参与 β淀粉样蛋白(Aβ)的产生,而且与 tau蛋白的过度磷酸化密切相关。Aβ、tau蛋白又直接参与老年斑(SP)及神经元纤维缠结(NFT)的形成,因此研究 GSK-3β与MCI的相关性有重要的基础和临床价值。

1 糖原合酶激酶 3β的功能

糖原合成酶激酶 3(GSK-3)是一个多功能的丝氨酸/苏氨酸类激酶,在真核细胞生物中普遍存在。最初认为,GSK-3的功能仅仅是使肝糖原合成酶(glycogen synthase,GS)磷酸化,并使之失活,后来研究表明它有多种生物学功能,如参与了胚胎发育、细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡和胰岛素反应等诸多方面[3,4]。在哺乳动物中包括两个亚型,即 GSK-3α和GSK-3β,分子量分别为 51kD和 47kD。磷酸化GSK-3α的第21位丝氨酸和 GSK-3β的第 9位丝氨酸可以抑制 GSK-3的活性。GSK-3β在体内调节机制很复杂,主要的调节方式除磷酸化调节外,还包括蛋白复合体形成、细胞内分布和一些抑制剂调节,其调节的底物有酶、结构蛋白和转录因子等。人类多种疾病如糖尿病、肿瘤、神经退行性疾病、情感障碍和炎症等疾病的发生都与GSK-3β活性调节异常有关。其中糖原合酶激酶-3β在脑组织含量尤其丰富[5],参与脑细胞的结构、脑细胞存活及凋亡的调节等多种生理功能,是脑组织中最主要的激酶之一。

2 MCI的病理及生化改变

AD在病理上以脑神经元大量出现纤维缠结(NFT)和老年斑(SP)为特征。近年病理研究发现AD最早期的改变不在海马而在颞叶内嗅区皮质。江文宇等[6]利用磁共振质子波谱(1H-MRS)研究发现,从正常到 MCI再到 AD,脑内颞叶内嗅区存在肌醇(m I)的进展性增高,而m I的升高又与NFT的数目成正相关。Morris等[7]对 25例 MCI进行病理检查时发现,其中 24例具有AD的神经病理改变。因此,目前考虑MCI患者也存在类似 AD的 SP和 NFT病理改变。

Diniz等[8]研究了 MCI患者的脑脊液(CSF)中 Aβ1-42,总 Tau蛋白(T-Tau),磷酸化-Tau蛋白(P-Tau)的水平,结果发现与对照组相比,CSF中 Aβ1-42水平降低,T-Tau,P-Tau明显升高,而这种变化与AD患者 CSF中的变化非常相似。

Aβ是老年斑(SP)的主要蛋白组分,由淀粉样前体蛋白(amyloid precursor protein,APP)水解后产生,Aβ沉积后形成老年斑。Aβ蛋白以 Aβ1-40和 Aβ1-42两种形式存在,后者在脑内含量较少,但是与 AD及 MCI的发病密切相关.Strozyk等[9]通过尸解研究发现,脑室中 Aβ1-42降低与新皮质和海马中斑块沉积显著相关,Fagan等[10]也发现 Aβ沉积越多,CSF中 Aβ浓度越低。因此,MCI患者 CSF中Aβ1-42降低可以部分归因于 Aβ在斑块中的沉积。而实际上,在MCI及早期痴呆患者的血清中 Aβ的含量较正常人是增多的。Mayeux等[11]对早期及亚临床AD患者进行前瞻性研究发现,血清中的 Aβ1-42明显高于对照组。

tau蛋白即微管结合蛋白,微管位于神经元轴突中,tau结合于微管上,在微管的装配和稳定性方面起重要作用。在正常成年人的脑内,tau蛋白呈适度磷酸化状态,磷酸化和去磷酸化的平衡调控了神经元细胞骨架的稳定性和轴突的形态。MCI及痴呆患者中,过度磷酸化的tau蛋白形成双股螺旋神经丝(paired helical filaments,PHFs)。PHFs为不溶性的细胞骨架成分并且具有高度的自我聚集活性,它们聚集形成了神经元纤维缠结,并且参与老年斑的形成。而 MCI患者CSF中tau蛋白的变化也证实了 tau蛋白的过度磷酸化与MCI及痴呆的发病相关。

综上所述,Aβ的生成增多、沉积以及tau蛋白的过度磷酸化是 MCI病理形成的基础,与 MCI的发生密切相关。

3 GSK-3β与 Aβ及 tau蛋白的相关性

3.1 GSK-3β与 Aβ GSK-3β与 Aβ的相关性表现在两个方面。首先 GSK-3β可以促进 Aβ的形成。Aβ是 APP在β、γ分泌酶的共同参与下水解产生的多肽,其中尤以 γ分泌酶为重要。目前认为 γ分泌酶是由几种蛋白组成的一个大的复合物[12],其中早老蛋白-1(Presenilin-1,PS1)是 γ分泌酶的活性组分。研究发现,GSK-3和早老蛋白 1结合形成复合物,提示 GSK-3β也可能参与调节 γ分泌酶[13]。Phiel等[14]研究证实,GSK-3β通过针对γ分泌酶特异性底物或接近其复合物的底物来调节γ分泌酶的活性,促使Aβ生成。无论是在细胞水平还是转基因大鼠脑中,GSK-3β都促使Aβ含量的异常增加,用GSK-3的选择性抑制剂LiC1则可以减少GSK-3蛋白的表达,降低这些模型中Aβ的产量。另外有研究证实,在转染 GSK-3β的鼠脑中,APP的含量明显增加,说明 GSK-3β也参与了 APP代谢过程的调节[15]。Ryan等[16]也证实了 GSK-3可以间接增加细胞内成熟的 APP,GSK-3的抑制剂锂盐可以减少APP转染细胞中Aβ的生成量[17]。以上均说明 GSK-3β可以促进Aβ的产量增加。另一方面,Aβ又可反过来增加 GSK-3β的活性。Aβ可使细胞中瞬间 Ca2+内流增加,从而引起 GSK-3β去磷酸化,致 GSK-3β激活[18]。在体外培养的细胞中和在海马中注射了 Aβ蛋白的老鼠模型中,都可观察到 Aβ蛋白增多导致 GSK-3β活性增加。GSK-3β的激活又可引起Aβ处理的PC12细胞上的 tau蛋白高度磷酸化和细胞凋亡[19,20]。随着 Aβ的迅速聚集,高度磷酸化的 tau蛋白的量也迅速增加,并引起微管系统的破坏,导致细胞形态改变。可见,GSK-3β与 Aβ相互作用加速了Aβ的生成及沉积,同时还影响到tau蛋白的磷酸化。

3.2 GSK-3β与 tau蛋白 Baum等[21]对 COS-1,B103细胞的研究证实,糖原合酶激酶 3β能有效引起 tau蛋白磷酸化。Tau蛋白可在一个或多个异常位点被多种蛋白激酶磷酸化,包括 GSK-3,细胞外信号蛋白-1,2,P38激酶,c-JUN等,其中最重要的是 GSK-3和CDK 5[22]。大量研究证实,无论在体内外,GSK-3均可导致Tau磷酸化,并且磷酸化位点与 AD患者 PHF中磷酸化位点相同。Amitabha等[23]也研究证实 GSK-3α可以磷酸化 Tau蛋白 Ser262位点,GSK-3β和CDK 5则可磷酸化 Tau蛋白 Thr231位点,上述位点的磷酸化可以抑制 Tau蛋白结合到微管上[24～26]。Cruz等[27,28]也证实在转基因小鼠中 GSK-3β也可导致 Tau蛋白异常过度磷酸化和神经纤维元变性。糖原合酶激酶3β与异常过度磷酸化的tau蛋白共存于退变的神经细胞中。因此,糖原合酶激酶 3β亦被称为tau蛋白激酶 I。tau蛋白异常过度磷酸化后,不仅使其丧失催化微管装配和稳定微管结构的正常生物活性,而且获得毒性作用引起微管解聚。微管破坏影响物质在胞体和轴突树突之间的运输,从而导致始于神经元突起末端的神经元退行性病变,最终导致神经元死亡和痴呆。当APP的轴突运输障碍时,会导致 Aβ的聚集和老年斑的形成[29,30],进一步加速 MCI及痴呆的病理形成。另一方面,Tau蛋白过度磷酸化后导致其构象变化和 Tau蛋白被截短[31,32],截短与磷酸化的Tau蛋白失去正常功能,在神经细胞中累积,导致神经元细胞变性和神经元纤维缠结形成。

4 GSK-3β与 MCI的相关性

GSK-3β与 β淀粉样蛋白(Aβ)及 Tau蛋白相互作用促进老年斑(SP)和神经元纤维缠结(NFT)的形成,而 SP和NFT为 MCI发病的病理基础,因此间接证明了 GSK-3β的活性与 MCI的发病呈正相关。目前,对于 GSK-3β与 MCI的直接相关性研究较少。Hye等[33]证实在 AD及 MCI患者外周血白细胞中 GSK-3的表达升高,而具体 GSK-3亚型的变化及活性报道较少。因此对 MCI患者外周血中与 MCI形成关系更密切的 GSK-3β亚型的活性变化进行具体研究有重要的科研及临床意义。

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