糖原合成酶激酶3在阿爾茨海默病發病機制中的作用

盛建華 李春波

糖原合成酶激酶3在阿爾茨海默病發病機制中的作用

盛建華 李春波

大量研究報告顯示，糖原合成酶激酶-3（glycogen synthase kinase 3，GSK3）在阿爾茨海默?。ˋlzheimer's disease，AD）發病機制中起著重要的作用。AD患者存在GSK3活性的增強和水平的提高。細胞培養、無脊椎動物和哺乳類動物模型研究發現，GSK3活性增強導致tau的過度磷酸化、Aβ產生的增加、學習和記憶能力的缺損，同時伴有神經退行性變。GSK3抑制劑能防止AD轉基因動物tau的過度磷酸化，使得GSK3抑制劑有望用于預防和治療AD。

糖原合成酶激酶3 阿爾茨海默病 tau蛋白質類 β-淀粉樣蛋白

阿爾茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是神經系統退行性疾病，臨床上以進行性記憶障礙和后天獲得的知識喪失，直至最后喪失生活能力為特征，其主要病理改變為胞內神經纖維纏結和胞外與活化的小膠質細胞相關的β淀粉樣蛋白（beta amyloid protein，Aβ）沉積形成的老年斑。神經纖維纏結由胞內異常過度磷酸化的tau蛋白形成，而Aβ是淀粉樣蛋白前體（β-amyloid precursor protein，APP）在一些裂解酶的作用下裂解產生的胞外片斷［1］。已有大量研究發現，糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase 3，GSK3）在AD的發病中起著至關重要的作用，GSK3與學習和記憶能力的損害、過度磷酸化tau蛋白、增加APP裂解成Aβ、大腦局部的炎癥反應等有關。本文回顧了GSK3在AD發病機制中的作用。檢索策略與選擇標準：主題詞為GSK3和AD，檢索近20年Pubmed上收錄的論文。

1 GSK3與細胞信號通路

GSK3包含2個同工異構體，糖原合成酶激酶3α（GSK3α，19號染色體編碼）和糖原合成酶激酶3β（GSK3β，3號染色體編碼），是兩個不同基因的表達產物，但兩者氨基酸序列有85%的相似性，特別是催化區域的相同程序高達98%，二者主要區別是GSK3α有個富含甘氨酸的N末端［2］。研究發現磷酸化GSK3α的第21位絲氨酸和GSK3β的第9位絲氨酸可以抑制GSK3α和GSK3β的活性［3］。近年來報道GSK3β上游存在多種絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶可以催化GSK3β的第9位絲氨酸磷酸化，如P70S6激酶、P90Rsk、Akt/蛋白激酶B、蛋白激酶C的某些亞型、蛋白激酶A等。這種磷酸化抑制又可被蛋白磷酸酯酶2A去磷酸化而恢復活性。

GSK3是一種廣泛分布的、結構活性的、比咯氨酸導向的絲氨酸/蘇氨酸類激酶，參與多種細胞加工過程，包括葡萄糖代謝、基因轉錄、細胞凋亡、微管的穩定性等。對老鼠動物模型的研究發現，GSK3同工酶具有組織相關特異性生理功能，GSK3β基因敲除鼠在胚胎時期即死亡，而GSK3α基因敲除鼠表現為糖耐量的增加、肝糖原儲存增加和胰島素敏感［4］。

至少有兩條細胞信號通路調節GSK3的活性，為胰島素和Wnt信號通路，兩者都對GSK3的活性產生負調節。①GSK3的磷酯酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3-K）信號通路：胰島素作用于靶細胞，激活下游的PI3-K，PI3-K活化Akt/蛋白激酶B，后者磷酸化GSK3α的第21位絲氨酸和GSK3β的第9位絲氨酸，從而抑制GSK3的活性［5］。②GSK3是Wnt信號通路中的關鍵環節：Wnt信號通路最終導致由T細胞因子/淋巴增強因子（TCF/LEF）家族引起的基因轉錄。在細胞水平，Wnt調節細胞增殖、細胞形態、運動和凋亡。當沒有上游的Wnt信號時，活化的GSK3與β-連環蛋白、APC（adenomatous polyposis coli，APC）蛋白形成一個復雜的多蛋白復合物，從而降解β-連環蛋白。當細胞接收到Wnt信號后，GSK3即失活，β-連環蛋白去磷酸化從而不被降解。去磷酸化的β-連環蛋白在胞質中聚集并被運輸到細胞核內，從而引起TCF/LEF調控的下游蛋白轉錄表達［6］。

2 GSK3與AD

大量研究證實，GSK3在AD發病中起著關鍵性的作用。無論家族性還是散發性的AD，GSK3與疾病的標志性病理變化密切相關，GSK3直接參與了Tau蛋白的過度磷酸化、記憶損害、Aβ過量產生和炎性反應。GSK3還減少了乙酰膽堿的合成，與AD患者的膽堿能缺陷相一致。而且，GSK3是一個調節細胞凋亡的關鍵因子，因此可能直接導致了AD患者的神經元的丟失。

一些研究發現GSK3存在于營養不良的軸突和神經纖維纏結中，活化的GSK3存在于纖維發生纏結前的神經細胞中。Leroy等［7］通過免疫印跡法，測得AD額葉皮質的GSK3的213位點酪氨酸被磷酸化，表明GSK3活性增加。Blalock等［8］報道AD患者海馬區GSK3表達上調，Pei等［2］報道AD大腦的突觸小體上清液中GSK3水平增加但未發現活性增強。Hye等［9］報道，在AD和輕度認知功能損害（mild cognitive impairment，MCI）患者的外周淋巴細胞中，GSK3表達上調。Forlenza等［10］報道，在AD及MCI患者的血小板中，絲氨酸-9磷酸化的GSK3β量減少，與GSK3β總量的比值降低，說明GSK3β活性增強。Mateo等［11］提出，GSK3啟動子的多態性是晚發AD的危險因素，與GSK3的表達改變有關。上述報道提示，AD中存在GSK3的表達增高和活性增強。

遺傳和流行病學研究發現，在AD中，可通過改變上游Wnt信號和胰島素信號通路的中間產物去除對GSK3活性的抑制。低密度脂蛋白相關受體（LRP6）是一個Wnt信號的共受體，目前被認為是ApoE4陰性的晚發AD患者的危險基因，提示混亂的Wnt信號在AD的病理中起了作用。另外，Biessels等［12］報道AD與糖尿病和胰島素抵抗有關，有兩篇報道發現胰島素信號的一些基因位于AD的易感位點。

3 GSK3和記憶［13］

抑制Wnt或PI3-K信號可損害長時程增強，強烈提示GSK3與學習和記憶有關。GSK3為Wnt和PI3-K信號通路負調節，抑制野生型鼠的GSK3β可誘導長時程增強，提示GSK3β可能調節Wnt或PI3-K信號通路對于長時程增強的作用。相一致的報道有，過度表達GSK3β的老鼠可阻住誘導長時程增強并引起空間學習能力的損害。GSK3β抑制劑可阻斷長時程抑制，而在長時程抑制期間GSK3β的活性是增高的。因此，可以認為GSK3β在記憶的形成過程中起著關鍵的作用。

許多GSK3下游底物與突觸重塑有關，而突觸重塑是記憶形成中建立適當聯系的關鍵過程。GSK3可促進肌動蛋白和微管蛋白的裝配，這一過程是記憶形成過程中突觸重組所需要的?？梢酝茢啵贏D，GSK3活性增強，抑制長時程增強同時伴有神經元的丟失，造成記憶損害并促進疾病的發展。

4 GSK3和tau的磷酸化

無論tau是否被預磷酸化，在神經退行性變的活體外和細胞培養模型中，都能被GSK3α和GSK3β過度磷酸化，提示GSK3是在活體中形成神經纖維纏結的重要激酶。GSK-3β能在大多數AD相關位點磷酸化tau蛋白，Liu等［14］報道GSK-3β可磷酸化tau（441）的Thr-181、Ser-199、Ser-202、Thr-205、Thr-212、Ser-214、Thr-217、Thr-231、Ser-396、Ser-404等位點。雙基因突變過度表達tau和GSK3的果蠅表現出神經元的損傷和tau的病理變化。敲除了tau基因的GSK3過度表達鼠，其GSK3誘導的海馬退行性變和學習能力受損減輕，提示GSK3的毒性作用減少［15］。

胰島素短暫增加人神經母細胞瘤細胞中的tau磷酸化，但接著表現為tau磷酸化降低，與GSK3的活化和隨后的抑制相聯系。Dickkopf（一種Wnt信號的負調節因子）可通過激活GSK3而促進tau磷酸化和神經退行性變，而Dickkopf在AD中是上調的［16］。突變早老蛋白1（presenilin-1，PS-1）與GSK3β和tau結合在一起，與家族性AD有關的PS-1與GSK3β結合后可有效增加tau的磷酸化。PS-1可通過PI3-K/Akt信號使GSK3失活而阻止tau磷酸化和細胞凋亡。有趣的是，家族性AD的突變PS-1可抑制PS-1依賴的PI3-K/ Akt信號，促進GSK3活性并導致tau過度磷酸化。這是一個潛在的發病機制，即家族性AD突變通過繼發的GSK3活性增強加速疾病的進展。

5 GSK3與Aβ的產生［17］

GSK3α而非GSK3β，可以調節APP的裂解，增加Aβ的產生。將神經元暴露于Aβ，可以通過抑制PI3-K信號而增加GSK3β的活性。在此情況下，盡管GSK3β活性增強不是疾病的始發因素，但無論是家族性AD還是散發性AD，增加GSK3活性可增加Aβ的產生、Tau的過度磷酸化和神經元的退行性變化。胰島素信號可能通過抑制GSK3β活性對APP以及淀粉樣蛋白的加工產生有益的影響。胰島素增加Aβ蛋白酶、胰島素降解酶的表達和增加α分泌酶的分泌，導致α分泌酶裂解APP而不產生淀粉樣蛋白病變。

6 GSK3與炎癥反應

目前認為，炎癥反應也是AD的發病機制之一。在AD病人，老年斑周圍聚集著小膠質細胞，大腦中炎癥調節因子也增加。在外周，調節GSK3活性在炎癥細胞的分化、炎癥細胞的遷移和分泌前炎癥細胞的活化中起著關鍵性的作用。但是，在以小膠質細胞為主要調節的大腦炎癥反應中，人們對GSK3的功能還知之甚少。有人推測，在AD腦中，GSK3調節紊亂，可能影響到大腦炎癥反應，導致小膠質細胞分泌的神經毒性炎癥調節因子增加，從而使周邊神經元受損，加速神經退行性變的過程。但也有人提出，小膠質細胞分泌的炎癥調節因子如TNF-α、TL-6和IL-1β，通過信號級聯放大激活GSK3β、cdk、5ab1激酶，滅活磷酸酶類PP1，導致tau蛋白的過度磷酸化和聚集［18］。

7 GSK3與神經元的凋亡［19］

在AD尸檢中觀察到凋亡通路產生的激活和分離蛋白，說明AD神經元的死亡與凋亡機制有一定的關聯，但具體機制尚不清楚。GSK3有促進神經元凋亡的作用。一些外界刺激，如Aβ、熱休克等可以通過增加GSK3的活性引起細胞凋亡。而GSK3的抑制劑SB-216763以及FART-1（細胞內生型的天然GSK3抑制劑）可以保護由抑制細胞存活因子PI3激酶誘導的細胞死亡。雖然GSK3促進細胞凋亡的機制尚不清楚，但GSK3可能是凋亡前蛋白caspase-3的上游。GSK3還可以通過磷酸化減少轉錄因子CPEB與DNA結合，從而抑制其轉錄活性，而轉錄因子CPEB在長期記憶的形成、細胞凋亡以及突觸重塑方面起著重要的作用?？梢酝茰y，GSK3活性的異常升高誘導的神經元凋亡、神經突觸可塑性損傷等均可能與AD的部分病理機制相關。

8 GSK3抑制劑與AD

鑒于GSK3在AD的發病機制中起著重要的作用，目前認為GSK3抑制劑可能是一種極有前景的治療AD的途徑［20］。GSK3抑制劑鋰鹽在這方面已有較多的報道。Engel等［21］報道，對FTDP-17tau和GSK3β過度表達的老鼠予以鋰鹽治療，能阻住tau蛋白過度磷酸化和神經纖維纏結的形成，但不能逆轉已形成的神經纖維纏結。Mendes等［22］報道，鋰鹽能降低老鼠丘腦神經元GSK3β的mRNA水平。一些研究表明鋰離子能通過抑制GSK3的活性來干擾APP的γ裂解進而有效阻止Aβ的積累，GSK3α和GSK3β都會受到鋰的抑制。除了鋰鹽以為，最近還研制了一些新的抑制劑。Sereno等［23］報道，NP12（thiadiazolidinones，TDZD）作為一種非ATP競爭的GSK3β抑制劑，治療過度表達APP和tau的轉基因鼠，可以降低tau的磷酸化水平，減少Aβ的積累和老年斑相關的星形細胞增殖，保護內嗅區皮質和海馬CA1區神經元的死亡，防止記憶缺損。TDZD并未顯示出對其他蛋白激酶PKA、PKC、CK2及CDK等的抑制作用，避免了GSK3抑制劑可能致癌變的不良反應，使其成為最有開發前景的治療AD的新藥之一。

9 小結

現在已有大量證據證實了GSK3在AD發病機制中的作用，細胞生理、流行病學研究、遺傳研究均提示AD患者存在GSK3活性的增強或蛋白水平的提高?？赡艿募僭O是：各種因素直接或間接改變胰島素信號通路、Wnt信號通路或其他通路，從而調節對GSK3絲氨酸和絡氨酸位點的磷酸化，最后使GSK3活性得以增強。

AD的細胞培養、無脊椎動物和哺乳類動物模型研究發現，GSK3活性增強導致tau的過度磷酸化、Aβ產生的增加、學習和記憶能力的缺損，同時伴有神經退行性變。更為重要的是GSK3抑制劑能逆轉AD轉基因動物（過度表達APP和tau的基因突變）的病理變化，使得GSK3抑制劑成為治療AD的一個極有希望的新途徑，這也是目前GSK3在AD中的作用成為研究熱點的原因所在。

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Role of glycogen synthase kinase-3 in the pathogenesis of Alzheimer's disease

Jian Hua SHENG*，Chun Bo LI
Shanghai Mental Health Center，Shanghai Jiao Tong Univerisity School of Medicine，Shanghai 200030，China
*Correspondence：sjh-lyl@263.net

Multiple reports suggest that glycogen synthase kinase-3(GSK3)plays an important role in the pathogenesis of Alzheimer's disease(AD).The level and enzymatic activity of GSK3 is elevated in AD.Cell culture studies and animal model studies with both invertebrates and mammals find that over-activity of GSK3 causes hyper-phosphorylation of the tau protein，increased production of β-amyloid，learning and memory impairments，and associated neurodegeneration.GSK-3β inhibitors prevent tau hyper-phosphorylation in AD transgenic animals so they are of potential use in the prevention and treatment of AD.

Glycogen synthase kinase-3;Alzheimer's disease;tau Proteins;Beta amyloid protein

10.3969/j.issn.1002-0829.2011.04.008

上海交通大學醫學院附屬精神衛生中心200030。通信作者：盛建華，電子信箱sjh-lyl@263.net