糖原合酶激酶3信号通路的细胞保护作用机制

朱江兰(综述)，石 蓓(审校)

(遵义医学院附属医院心血管内科,贵州 遵义 563003)

糖尿病主要以小血管损伤引起器官功能障碍，因此修复血管内皮、抑制血管损伤是治疗的主要手段。缺血性视网膜病变的发病机制为新生血管的异常增殖，故抑制异常血管新生、修复血管结构及功能可治疗该疾病。肿瘤是一种组织、细胞异常大量增生的疾病，促进异常增生组织、细胞的凋亡是主要的治疗措施。目前对于这些疾病所涉及的信号机制不是很清楚，在临床治疗上没有很大的突破。糖原合酶激酶3(glycogen synthase kinase 3,GSK-3)是一个功能强大的信号调节剂，可使40多种蛋白底物磷酸化，在多种不同的信号通路中都发挥调节作用。因此可能与这些疾病的发生、发展紧密相关。

1 GSK-3

1980年，Embi等[1]在兔骨骼肌上发现了GSK-3，它是一种多功能的蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)。GSK-3是多种信号通路的交汇点，可调节细胞凋亡及存活、细胞周期循环以及细胞迁移等[2]。GSK-3调节异常与多种疾病相关，如糖尿病、缺血性视网膜病、心肌肥厚及肿瘤等。GSK-3有两种亚型，即α(相对分子质量为51×103)和 β(相对分子质量为47×103)，由不同的基因编码，在它们的激酶域有98%的同源序列，而在第76位末端残基只有36%同源序列。

1.1GSK-3的作用 GSK-3是Akt的主要下游之一，Akt的活化使GSK-3发生磷酸化，负性调节其活性。GSK-3α在丝氨酸(Serine，Ser)21处发生磷酸化，而GSK-3β在Ser9处发生磷酸化[3]。

敲除GSK-3α基因后，通过增加糖耐受及胰岛素的敏感性，可降低脂肪堆积以及促进糖原在肝脏的储存[4]。组织特异性地敲除GSK-3β基因可促进胰岛素引起的肌肉组织中糖原合酶活化及糖原储存，但这种作用并不表现在肝脏组织中[5]。研究发现，GSK-3α Ser21A基因敲除鼠及GSK-3β Ser9A基因敲除鼠在心脏压力负荷过重时表现的作用不同，GSK-3β Ser9A的磷酸化可能调节病理性的心脏肥大，而GSK-3α Ser21A的磷酸化可能与代偿性激活心脏中细胞增殖有关[6]。但也有研究表明，只有GSK-3β参与了心脏的病理生理变化，而GSK-3α没有。如基因沉默H9C2心肌细胞中的GSK-3β后可增强心肌细胞抵抗H2O2诱导的细胞死亡，而基因沉默GSK-3α不会产生这种作用[7]。

1.2调节GSK-3的主要信号通路 GSK-3对器官、组织的保护作用主要是通过发生磷酸化使自身失活而实现。GSK-3活性的抑制机制由激动剂介导，如神经营养因子及生长因子，这些因子可激活对GSK-3 N端域起作用的蛋白激酶，如蛋白激酶A[8]、Akt/蛋白激酶B[9]、蛋白激酶C[10]、p38分裂原活化蛋白激酶，通过使GSK-3β C端域的Ser389和苏氨酸(Threonine，Thr)390磷酸化使GSK-3β失活[11]。胞外信号调节激酶可能通过GSK-3β的Ser43磷酸化使其活性受到抑制[12]。

2 GSK-3与疾病的关系

2.1GSK-3与心脏疾病 体内研究发现，磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K)/Akt信号通路的活化可抑制缺血/再灌注诱导的鼠心脏损伤[13]。GSK-3β是Akt信号的下游，PI3K/Akt通路的活化可增加GSK-3β的磷酸化，使GSK-3β活性受到抑制从而发挥心肌细胞保护作用[14]。抑制成熟心脏上GSK-3β的表达可抑制心脏重构以及促进心肌及血管再生[15]。所以，Akt促心血管新生作用部分是依赖于GSK-3β的磷酸化。

在人卵巢癌中，GSK-3β水平的增加可使胱天蛋白酶(caspase)活化，反之GSK-3β的磷酸化可抑制caspase活化[16]，PI3K/Akt活化可抑制caspase-3活化，故推测细胞保护作用是依赖于Akt/GSK-3β/caspase-3信号通路的作用[17]。GSK-3β抑制心肌细胞凋亡、保护心脏还可通过其他的信号分子。p53的线粒体易位及细胞色素C的释放是引起细胞死亡的关键，而通过使用GSK-3药物抑制剂可显著减弱这一反应，抑制细胞死亡[18]。Bcl-2是一个抗凋亡蛋白，通过下调Ser70、Ser87或Thr69的磷酸化发挥功能，而这些又都是GSK-3β的主要靶点，故可以将这一作用看作是激活信号，从而在多种细胞中发挥抗凋亡作用。另有研究发现，GSK-3β的磷酸化或失活可使线粒体通透转运孔道开放，以及控制线粒体腺嘌呤核苷酸从线粒体膜上转运出去，发挥心肌细胞保护作用[19]。

虽然大部分研究表明GSK-3磷酸化发挥正性调节作用，但是相反的研究发现，过表达间充质干细胞上的GSK-3β也能发挥心脏保护作用，将GSK-3β过表达的间充质干细胞注入结扎冠状动脉后的鼠心脏，12周后左心室的功能显著改善；心肌梗死面积及左心室重构减小；毛细血管密度增加[20]。因此可以认为，过表达GSK-3β可提高间充质干细胞治疗心肌梗死的疗效。但是，GSK-3β对心脏会出现自相矛盾的调节作用的原因还需进一步研究。

2.2GSK-3与糖尿病 糖尿病主要通过累及全身小血管，使得血管功能障碍而引起心、肾、脑等重要靶器官的损伤。延缓或治疗靶器官损伤的最主要措施是改善血管功能，抑制血管损伤。研究发现，糖尿病患者与非糖尿病患者相比，前者的GSK-3β活性是后者的2倍，活化的GSK-3β促进胰岛素受体底物磷酸化，抑制心肌胰岛素信号转导以及糖的利用，加重糖尿病引起的缺血性心肌病[21-22]。反之，胰岛素可降低血糖，增加胰岛素信号可使GSK-3β失活，从而抑制糖尿病心脏病的发展。

Wnt1广泛表达于内皮细胞，能抑制高糖引起的内皮细胞凋亡，活化Wnt1抑制糖尿病引起的内皮细胞凋亡。研究证实，这一发生机制依赖于GSK-3β的磷酸化，因为GSK-3β可磷酸化β联蛋白，使其被泛素蛋白酶降解，从而阻断Wnt信号通路的作用，GSK-3β磷酸化使其自身失活，从而抑制β联蛋白被降解，得以进行核转录启动抗凋亡基因的表达[23-25]。

2.3GSK-3与缺血性视网膜病 缺血性视网膜病会造成视网膜低灌注，组织缺血、缺氧加重。低氧可诱导低氧诱导因子调节血管内皮生长因子表达，促使视网膜形成大量的新生血管，这些新生血管的结构及功能均有缺陷，其结构的不完整加重血管渗出、出血及低血流灌注[26]。新生的血管功能有缺陷，持续的血流低灌注不能减轻低氧，导致更多的病理性新生血管形成，加重视网膜损伤，形成恶性循环，最终导致失明。GSK-3β调节细胞骨架动力学及β联蛋白，对内皮细胞的细胞细胞连接及核转录调节均很重要[27]。建立缺血性视网膜病模型后，予适当剂量的GSK-3β抑制剂处理增殖期的缺血性视网膜新生血管，可显著地降低异常血管的形成，减弱异常血管壁渗出，提高有效血管的面积及灌注，且伴随着视网膜低氧的显著改善，这主要与GSK-3β抑制剂恢复β联蛋白的核内水平，改善细胞细胞连接，促进三维空间胶原蛋白基质上毛细血管的形成有关[26]。因此，抑制GSK-3β纠正缺血引起的新生血管缺陷可作为一种减轻视网膜低氧的有效手段。

2.4GSK-3与肿瘤 GSK-3β能调节各种致癌基因转录因子的稳定性，这些因子中许多都是GSK-3β的生理性靶点，在磷酸化作用下可被蛋白酶体降解，促进肿瘤细胞的凋亡，发挥抗瘤治疗作用。GSK-3β通过使细胞周期蛋白D1的Thr286残基磷酸化，使得细胞核被蛋白酶体降解，抑制肿瘤细胞的增殖。去氨木香内酯是一种抗肿瘤药物，它通过活化GSK-3β使细胞周期蛋白D1表达下调，使得肿瘤血管内皮细胞周期静止在G0/G1期[28]。在肿瘤复发的研究中也可得到相同的结论，放疗使Akt被激活，活化的Akt使GSK-3β磷酸化，失活的GSK-3β抑制β联蛋白磷酸化，促进周期蛋白D1表达增加，抑制肿瘤细胞凋亡[29]。抑制GSK-3磷酸化可抑制核因子κB的活性，促使细胞周期静止在G2/M期，导致神经母细胞瘤细胞凋亡增加[30]。因此，对于肿瘤的治疗，促进GSK-3活化使肿瘤细胞周期静止是关键。

3 小 结

GSK-3具有强大的细胞保护作用，在各种组织细胞中促进其发生磷酸化而抑制其活化，可使下游的促存活及促细胞周期转录因子表达增加，最终促进细胞的存活，抑制凋亡。但是也有相反的研究报告，过表达GSK-3发挥正向促细胞生长作用，所以关于GSK-3的作用机制仍需进一步研究，以便能更好的调控GSK-3的磷酸化或失磷酸化。心肌梗死后心肌再生治疗中，GSK-3的磷酸化可促进心肌细胞的再生，抑制凋亡，但亦可引起心肌肥厚，如何有效地促进心肌细胞再生而避免心肌肥厚是治疗心肌梗死的关键。这为多种临床疾病的治疗带来了曙光，通过药物抑制剂或是基因技术控制GSK-3的磷酸化而治疗各种疾病。

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