GSK-3β信号通路在阿尔茨海默病中的作用及其生物学意义*

徐咏，王浩，张继国

(1.泰安市中心医院静脉用药调配中心，泰安 271000；2.山东第一医科大学药学院，泰安 271016)

糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)为丝氨酸/苏氨酸激酶，因磷酸化糖原合成酶而得名[1]。GSK-3β发挥生物学作用主要通过磷酸化调节、细胞内定位调节及结合蛋白的调节3种方式，其作用底物多达50多种，主要包括各种结构蛋白、调控代谢蛋白酶类以及转录因子，最常见的有微管相关蛋白Tau、β-连环蛋白(β-catenin)和环磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)等[2]。GSK-3β的活性也受磷酸化调控，其氨基端的丝氨酸位点(Ser9)磷酸化后其活性受抑，蛋白激酶C(PKC)、蛋白激酶A(PKA)可磷酸化此位点抑制其活性；而酪氨酸位点(Thr216)磷酸化后可增强其活性[3]。中枢神经系统富集GSK-3β，其通过磷酸化代谢酶、信号蛋白、结构蛋白和转录因子参与各种神经元功能，与多种中枢神经系统疾病相关，如阿尔茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)[4]。研究发现，GSK-3β可通过调控多条信号转导通路，参与与AD发生发展密切相关的β-淀粉样蛋白(amyloid protein β，Aβ)的生成、Tau 蛋白的磷酸化、神经元细胞的凋亡及炎症反应等病理过程，本文对此进行综述。

1 GSK-3β与AD

AD是痴呆的常见类型，随着人口老龄化，发病率逐年升高，越来越受到人们的关注。AD典型的神经病理学改变是：Aβ在脑内的沉积所形成的老年斑(senile plaques，SPs)，Tau蛋白的过度磷酸化形成的神经原纤维缠结(neurofibrillary tangles，NFTs)，神经元凋亡以及一系列的炎症反应。早在1997年研究发现，AD患者大脑中GSK-3β高表达，说明GSK-3β可能参与了AD的发病过程，其后人们对GSK-3β在AD中的作用及机制展开了深入的研究[5]。在动物及细胞实验中观察到了与AD患者相同的结果，也证实GSK-3β 的异常激活可以引起 Aβ生成增多、 tau 蛋白的过度磷酸化、诱导凋亡及参与炎症反应等，而其上述作用的发挥与其调控多条信号通路有关[6-8]。

2 GSK-3β通过调控信号通路参与AD

2.1PI3K/AKT/GSK-3β信号通路 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三个信号分子组成。正常情况下，活化的PI3K会在细胞膜产生3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol 3，4，5-trisphosphate，PIP3)，即第二信使。PIP3与含有PH结构域(pleckstrin homology domain)的AKT相互作用，使AKT在磷酸肌醇依赖性激酶(phosphoinositi dedependent kinase，PDK)的作用下发生Ser308位点的磷酸化，进而活化AKT。GSK-3β可与活化的AKT结合，诱导GSK-3β向细胞膜转位，及GSK-3β氨基端的Ser9位点发生磷酸化，使之失活。

GSK-3β与活化的AKT结合后失活，进而影响GSK-3β下游底物如核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、胰岛素受体的表达。有研究证明GSK-3β通过PI3K/AKT通路的失活调节Tau蛋白和Aβ 的生成[9]。PLASCHKE等[10]研究证实，AD病理改变与脑组织内胰岛素表达水平异常、胰岛素信号转导通路异常有关，而胰岛素信号通路异常与胰岛素抵抗导致的PI3K蛋白活性下降、GSK-3β蛋白活性增高密切相关[11]。

2.2Wnt信号通路 Wnt信号途径是由Wnt特异性跨膜受体卷曲蛋白(frrizled，Frz)、蓬乱蛋白(dishevelled，DSH)、 GSK-3β、轴蛋白(Axin)、大肠腺瘤样息肉基因(APC)、β-连环蛋白(β-catenin)、T细胞因子/淋巴样增强因子(Tc/fLef)及其他一些基因的表达产物共同构成[12]。β-catenin在Wnt信号通路活动完成过程中起关键作用，Wnt可与其膜受体的 Frz胞外N端具有富含半胱氨酸的结构域(cysteine rich domain，CRD)结合，这一作用可抑制DSH对β-catenin的降解，从而使β-catenin在细胞质中积累，而β-catenin可进入细胞核影响转录因子TCF/LEF，进而调节靶基因的表达。GSK-3β在β-catenin的降解中起关键作用，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信号通路的重要分子。

SCALI等[13]在体外大鼠皮质神经元中的研究发现，抑制Wnt/β-catenin信号转导途径，可增加GSK-3β的活性，从而降低β-catenin的水平，并通过下调Bcl-2和上调Bax的表达促进细胞的凋亡。GSK-3β是Wnt信号通路的一个重要负调控因子，用锂抑制GSK-3β活性后，β-catenin的水平会增高激活Wnt信号通路来保护大鼠的海马神经元免受Aβ引起的损伤[14]；而且用锂处理后可以预防Tau蛋白过度磷酸化和纤维缠结的形成[15]。

2.3BDNF信号通路 在哺乳动物脑中神经营养因子(brain-derived neurotropic factor，BDNF)表达最高的是海马，海马是大脑中与空间学习和记忆相关的结构[16]。BDNF的表达受环磷酸腺苷反应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)的调控。有研究证明，激活GSK-3β能够导致CREB靶向基因表达的下调(如BDNF)，而抑制GSK-3β能够改善认知功能受损[17]。由上述研究可知GSK-3β可能会通过影响CREB进而影响BDNF参与AD的发生与发展。

3 GSK-3β信号通路参与AD的发生发展

3.1GSK-3β信号通路调控Aβ的生成 Aβ级联假说认为Aβ是AD发病的关键分子，GSK-3β的活性增加可以促进Aβ的形成和异常聚集，而异常聚集的Aβ反过来也可以通过增加GSK-3β的活性，引起N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDA)的兴奋毒性明显增强，进而加剧AD的病理发生、发展[18]。

Aβ由β-淀粉样蛋白前体蛋白(β-amyloid precursor protein，APP)水解而来，APP水解包括非淀粉样蛋白水解途径和淀粉样蛋白水解途径，其分解的关键酶分别为α，β和γ分泌酶。GSK-3β对APP及其分解过程的关键酶均具有调控作用。APP是GSK-3β的底物，其分解代谢受GSK-3β的调控，GSK-3β可使其分解更倾向于淀粉样蛋白水解途径，最终大量生成Aβ[19]。研究发现，GSK-3β还可以调控APP的表达水平，如GSK-3β与一种新的肽脯氨酰异构酶Pin1(protein interaction with NIMA1)结合并相互作用，抑制其生物活性后，可降低APP的表达水平[20]。在非淀粉样蛋白水解途径中，APP被α和γ分泌酶依次水解。GSK-3β可通过抑制金属蛋白酶(ADAM)的活性来下调α分泌酶复合物的活性，抑制APP的非淀粉样蛋白水解[21]。在淀粉样蛋白生成途径中，APP首先被β分泌酶切割，随后在γ分泌酶的作用下释放出Aβ40或Aβ42。β分泌酶是一种天冬氨酸酰蛋白酶，又名BACE1(β-site APP cleaving enzyme 1)，其活性位点位于膜的内侧。抑制GSK-3β可通过NF-κB信号传导机制减少BACE1介导的APP剪切。Ly及其同事的研究结果表明抑制GSK-3β的活性可有效降低BACE1介导的APP蛋白的淀粉样蛋白水解途径作用，从而减少Aβ的生成、沉积以及神经炎性斑块的数量，最终可以增强转基因小鼠的学习和记忆能力[22]。γ分泌酶复合物由APH1(前咽缺陷蛋白-1)、PEN2(早老蛋白增强子-2)及Nicastrin(NCT)外，Presenilin蛋白(PS1和PS2)是催化的核心组成成分，而PS1是GSK-3β的底物，GSK-3β可通过PS1调控γ分泌酶的活性，从而促进Aβ的生成过程[23]。

3.2GSK-3β参与Tau蛋白的磷酸化 NFTs是AD的另一个病理学特征，由过度磷酸化的Tau蛋白形成。正常生理状态下，Tau蛋白在蛋白激酶和蛋白磷酸化酶的共同调解下，处于磷酸化水平的动态平衡状态，从而维持正常的生理功能。在病理状态下，Tau蛋白的动态平衡被打破，导致Tau过度磷酸化，Tau过度磷酸化导致其从微管分离，聚合形成双螺旋纤维(paried helical filaments，PHF)最终形成NFTs。目前为止，已知的功能相关的磷酸化位点有丝氨酸和苏氨酸，这些位点的磷酸化与去磷酸化在AD中扮演了重要的角色。作为Tau蛋白高度磷酸化的上游信号分子，GSK-3β被认为是AD发生过程中Tau高度磷酸化的关键激酶[24]，它可催化Tau蛋白上多个丝氨酸或苏氨酸位点的磷酸化[25]。研究发现在AD转基因小鼠实验中，在脑组织的NFTs中可以检测出较高的GSK-3β蛋白表达[26]。另有研究发现，Ⅰ型钙蛋白酶(Calpain Ⅰ)可以水解GSK-3β的C末端结构，导致GSK-3β的活性增强，从而引起Tau的过度磷酸化和AD的发生[27]。

3.3GSK-3β与凋亡 细胞凋亡是AD脑内神经元的重要病理改变，有研究发现AD患者脑组织内存在较多TUNEL染色阳性的凋亡神经细胞，且主要为神经元细胞。GSK-3β可通过Wnt信号通路而调控神经细胞凋亡[28]。PI3K/AKT信号通路是细胞存活的重要通路之一，其中AKT/PKB、环磷酸腺苷反应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)、NF-κB等是 PI3K/AKT信号通路中的重要分子，它们通过调节凋亡相关蛋白，如Bcl-2，Bax等因子的表达水平，实现对细胞生存的调节，其中磷酸化的AKT通过促进丝氨酸/苏氨酸残基底物磷酸化而发挥抗凋亡的作用。GSK-3β是PI3K/AKT信号通路的下游分子，通过Bcl-2家族抗凋亡蛋白Mcl-1(myeloid cell leukemia-1)磷酸化来诱导凋亡[29]。GSK-3β可以抑制促存活转录因子如热休克因子(heat shock factor 1，HSF1)、热休克蛋白70(heat shock protein，HSP70)、CREB及Bax凋亡基因，最后引起细胞凋亡[30]。由此可见，GSK-3β定在凋亡的信号转导途径中起着不可或缺的作用。

3.4GSK-3β与炎症 小胶质细胞激活所诱导的炎症反应是各种慢性中枢神经退行性疾病的发病机制之一。许多体内外研究发现GSK-3β通过作用NF-κB，CREB等下游底物来调节部分炎症介质的生成，如白细胞介素-6(IL-6)，IL-1β和肿瘤坏死因子(TNF-α)[31]。同时GSK-3β还能降低抗炎细胞因子IL-10的产生。而GSK-3β抑制剂可以显著抑制小胶质细胞增殖、迁移，发挥神经保护作用[32]。

4 GSK-3β抑制剂与AD

GSK-3β通过多条信号通路参与AD的发生与发展，因此将GSK-3β作为靶点来防治AD的研究越来越多，尤其是对GSK-3β抑制剂的研究。目前，已知的GSK-3β抑制剂主要有：靛玉红、锂、TDZD-8、SB415286、AR-A014418、L803-mts等。在APP转基因小鼠给予靛玉红和AR-A014418后，水迷宫实验表明二者可明显缓解APP转基因AD小鼠的记忆障碍，并且下调Tau蛋白的磷酸化[33]。而AD小鼠给与L803-mts和锂也得到了同样的结果[34-35]。氯化锂作为GSK-3β的抑制剂可以抑制IL-1β和TNF-α的释放，减轻炎症反应而保护AD[36]。细胞实验发现，迷迭香酸及其衍生物可通过作于 Akt/GSK-3β/Fyn通路减轻Aβ诱导的细胞氧化应激损伤[37-38]。

综上所述，GSK-3β通过多条信号通路调控Aβ的生成、Tau的磷酸化、细胞凋亡及炎症等而参与AD的病理学过程，而GSK-3β抑制剂能够逆转AD转基因动物的认知及病理变化，说明GSK-3β在AD发生发展中起着关键性的作用，因此以GSK-3β为靶点开发防治AD的药物具有重要的临床意义。