糖原合酶激酶3信號通路的細胞保護作用機制

朱江蘭(綜述)，石 蓓(審校)

(遵義醫學院附屬醫院心血管內科,貴州 遵義 563003)

糖尿病主要以小血管損傷引起器官功能障礙，因此修復血管內皮、抑制血管損傷是治療的主要手段。缺血性視網膜病變的發病機制為新生血管的異常增殖，故抑制異常血管新生、修復血管結構及功能可治療該疾病。腫瘤是一種組織、細胞異常大量增生的疾病，促進異常增生組織、細胞的凋亡是主要的治療措施。目前對于這些疾病所涉及的信號機制不是很清楚，在臨床治療上沒有很大的突破。糖原合酶激酶3(glycogen synthase kinase 3,GSK-3)是一個功能強大的信號調節劑，可使40多種蛋白底物磷酸化，在多種不同的信號通路中都發揮調節作用。因此可能與這些疾病的發生、發展緊密相關。

1 GSK-3

1980年，Embi等[1]在兔骨骼肌上發現了GSK-3，它是一種多功能的蛋白激酶B(protein kinase B，PKB/Akt)。GSK-3是多種信號通路的交匯點，可調節細胞凋亡及存活、細胞周期循環以及細胞遷移等[2]。GSK-3調節異常與多種疾病相關，如糖尿病、缺血性視網膜病、心肌肥厚及腫瘤等。GSK-3有兩種亞型，即α(相對分子質量為51×103)和 β(相對分子質量為47×103)，由不同的基因編碼，在它們的激酶域有98%的同源序列，而在第76位末端殘基只有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發生磷酸化，負性調節其活性。GSK-3α在絲氨酸(Serine，Ser)21處發生磷酸化，而GSK-3β在Ser9處發生磷酸化[3]。

敲除GSK-3α基因后，通過增加糖耐受及胰島素的敏感性，可降低脂肪堆積以及促進糖原在肝臟的儲存[4]。組織特異性地敲除GSK-3β基因可促進胰島素引起的肌肉組織中糖原合酶活化及糖原儲存，但這種作用并不表現在肝臟組織中[5]。研究發現，GSK-3α Ser21A基因敲除鼠及GSK-3β Ser9A基因敲除鼠在心臟壓力負荷過重時表現的作用不同，GSK-3β Ser9A的磷酸化可能調節病理性的心臟肥大，而GSK-3α Ser21A的磷酸化可能與代償性激活心臟中細胞增殖有關[6]。但也有研究表明，只有GSK-3β參與了心臟的病理生理變化，而GSK-3α沒有。如基因沉默H9C2心肌細胞中的GSK-3β后可增強心肌細胞抵抗H2O2誘導的細胞死亡，而基因沉默GSK-3α不會產生這種作用[7]。

1.2調節GSK-3的主要信號通路 GSK-3對器官、組織的保護作用主要是通過發生磷酸化使自身失活而實現。GSK-3活性的抑制機制由激動劑介導，如神經營養因子及生長因子，這些因子可激活對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，通過使GSK-3β C端域的Ser389和蘇氨酸(Threonine，Thr)390磷酸化使GSK-3β失活[11]。胞外信號調節激酶可能通過GSK-3β的Ser43磷酸化使其活性受到抑制[12]。

2 GSK-3與疾病的關系

2.1GSK-3與心臟疾病 體內研究發現，磷脂酰肌醇3激酶(phosphatidylinositol 3 kinase，PI3K)/Akt信號通路的活化可抑制缺血/再灌注誘導的鼠心臟損傷[13]。GSK-3β是Akt信號的下游，PI3K/Akt通路的活化可增加GSK-3β的磷酸化，使GSK-3β活性受到抑制從而發揮心肌細胞保護作用[14]。抑制成熟心臟上GSK-3β的表達可抑制心臟重構以及促進心肌及血管再生[15]。所以，Akt促心血管新生作用部分是依賴于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，故推測細胞保護作用是依賴于Akt/GSK-3β/caspase-3信號通路的作用[17]。GSK-3β抑制心肌細胞凋亡、保護心臟還可通過其他的信號分子。p53的線粒體易位及細胞色素C的釋放是引起細胞死亡的關鍵，而通過使用GSK-3藥物抑制劑可顯著減弱這一反應，抑制細胞死亡[18]。Bcl-2是一個抗凋亡蛋白，通過下調Ser70、Ser87或Thr69的磷酸化發揮功能，而這些又都是GSK-3β的主要靶點，故可以將這一作用看作是激活信號，從而在多種細胞中發揮抗凋亡作用。另有研究發現，GSK-3β的磷酸化或失活可使線粒體通透轉運孔道開放，以及控制線粒體腺嘌呤核苷酸從線粒體膜上轉運出去，發揮心肌細胞保護作用[19]。

雖然大部分研究表明GSK-3磷酸化發揮正性調節作用，但是相反的研究發現，過表達間充質干細胞上的GSK-3β也能發揮心臟保護作用，將GSK-3β過表達的間充質干細胞注入結扎冠狀動脈后的鼠心臟，12周后左心室的功能顯著改善；心肌梗死面積及左心室重構減小；毛細血管密度增加[20]。因此可以認為，過表達GSK-3β可提高間充質干細胞治療心肌梗死的療效。但是，GSK-3β對心臟會出現自相矛盾的調節作用的原因還需進一步研究。

2.2GSK-3與糖尿病 糖尿病主要通過累及全身小血管，使得血管功能障礙而引起心、腎、腦等重要靶器官的損傷。延緩或治療靶器官損傷的最主要措施是改善血管功能，抑制血管損傷。研究發現，糖尿病患者與非糖尿病患者相比，前者的GSK-3β活性是后者的2倍，活化的GSK-3β促進胰島素受體底物磷酸化，抑制心肌胰島素信號轉導以及糖的利用，加重糖尿病引起的缺血性心肌病[21-22]。反之，胰島素可降低血糖，增加胰島素信號可使GSK-3β失活，從而抑制糖尿病心臟病的發展。

Wnt1廣泛表達于內皮細胞，能抑制高糖引起的內皮細胞凋亡，活化Wnt1抑制糖尿病引起的內皮細胞凋亡。研究證實，這一發生機制依賴于GSK-3β的磷酸化，因為GSK-3β可磷酸化β聯蛋白，使其被泛素蛋白酶降解，從而阻斷Wnt信號通路的作用，GSK-3β磷酸化使其自身失活，從而抑制β聯蛋白被降解，得以進行核轉錄啟動抗凋亡基因的表達[23-25]。

2.3GSK-3與缺血性視網膜病 缺血性視網膜病會造成視網膜低灌注，組織缺血、缺氧加重。低氧可誘導低氧誘導因子調節血管內皮生長因子表達，促使視網膜形成大量的新生血管，這些新生血管的結構及功能均有缺陷，其結構的不完整加重血管滲出、出血及低血流灌注[26]。新生的血管功能有缺陷，持續的血流低灌注不能減輕低氧，導致更多的病理性新生血管形成，加重視網膜損傷，形成惡性循環，最終導致失明。GSK-3β調節細胞骨架動力學及β聯蛋白，對內皮細胞的細胞細胞連接及核轉錄調節均很重要[27]。建立缺血性視網膜病模型后，予適當劑量的GSK-3β抑制劑處理增殖期的缺血性視網膜新生血管，可顯著地降低異常血管的形成，減弱異常血管壁滲出，提高有效血管的面積及灌注，且伴隨著視網膜低氧的顯著改善，這主要與GSK-3β抑制劑恢復β聯蛋白的核內水平，改善細胞細胞連接，促進三維空間膠原蛋白基質上毛細血管的形成有關[26]。因此，抑制GSK-3β糾正缺血引起的新生血管缺陷可作為一種減輕視網膜低氧的有效手段。

2.4GSK-3與腫瘤 GSK-3β能調節各種致癌基因轉錄因子的穩定性，這些因子中許多都是GSK-3β的生理性靶點，在磷酸化作用下可被蛋白酶體降解，促進腫瘤細胞的凋亡，發揮抗瘤治療作用。GSK-3β通過使細胞周期蛋白D1的Thr286殘基磷酸化，使得細胞核被蛋白酶體降解，抑制腫瘤細胞的增殖。去氨木香內酯是一種抗腫瘤藥物，它通過活化GSK-3β使細胞周期蛋白D1表達下調，使得腫瘤血管內皮細胞周期靜止在G0/G1期[28]。在腫瘤復發的研究中也可得到相同的結論，放療使Akt被激活，活化的Akt使GSK-3β磷酸化，失活的GSK-3β抑制β聯蛋白磷酸化，促進周期蛋白D1表達增加，抑制腫瘤細胞凋亡[29]。抑制GSK-3磷酸化可抑制核因子κB的活性，促使細胞周期靜止在G2/M期，導致神經母細胞瘤細胞凋亡增加[30]。因此，對于腫瘤的治療，促進GSK-3活化使腫瘤細胞周期靜止是關鍵。

3 小 結

GSK-3具有強大的細胞保護作用，在各種組織細胞中促進其發生磷酸化而抑制其活化，可使下游的促存活及促細胞周期轉錄因子表達增加，最終促進細胞的存活，抑制凋亡。但是也有相反的研究報告，過表達GSK-3發揮正向促細胞生長作用，所以關于GSK-3的作用機制仍需進一步研究，以便能更好的調控GSK-3的磷酸化或失磷酸化。心肌梗死后心肌再生治療中，GSK-3的磷酸化可促進心肌細胞的再生，抑制凋亡，但亦可引起心肌肥厚，如何有效地促進心肌細胞再生而避免心肌肥厚是治療心肌梗死的關鍵。這為多種臨床疾病的治療帶來了曙光，通過藥物抑制劑或是基因技術控制GSK-3的磷酸化而治療各種疾病。

[1] Embi N,Rylatt DB,Cohen P.Glycogen synthase kinase-3 from rabbit skeletal muscle.Separation from cyclic-AMP-dependent protein kinase and phosphorylase kinase[J].Eur J Biochem,1980,107(2):519-527.

[2] Miura T,Miki T.GSK-3beta,a therapeutic target for cardiomyocyte protection[J].Circ J,2009,73(7):1184-1192.

[3] Buttrick GJ,Wakefield JG.PI3K and GSK-3:Akt-ing together with microtubules[J].Cell Cycle,2008,7(17):2621-2625.

[4] MacAulay K,Doble BW,Patel S,etal.Glycogen synthase kinase3 α-specific regulation of murine hepatic glycogen metabolism[J].Cell Metab,2007,6(4):329-337.

[5] Kerkela R,Kockeritz L,Macaulay K,etal.Deletion of GSK-3beta in mice leads to hypertrophic cardiomyopathy secondary to cardiomyoblast hyperproliferation[J].J Clin Invest,2008,118(11):3609-3618.

[6] Matsuda T,Zhai P,Maejima Y,etal.Distinct roles of GSK-3alpha and GSK-3beta phosphorylation in the heart under pressure overload[J].Proc Natl Acad Sci USA,2008,105(52):20900-20905.

[7] Ohori K,Miura T,Tanno M,etal.Ser9 phosphorylation of mitochondrial GSK-3beta is a primary mechanism of cardiomyocyte protection by erythropoietin against oxidant-induced apoptosis[J].Am J Physiol Heart Circ Physiol,2008,295(5):H2079-H2086.

[8] Khattak MN,Buchfelder M,Kleindienst A,etal.CRH and SRIF have opposite effects on the Wnt/β-catenin signalling pathway through PKA/GSK-3β in corticotroph pituitary cells[J].Cancer Invest,2010,28(8):797-805.

[9] Venerando A,Girardi C,Ruzzene M,etal.Pyrvinium pamoate does not activate protein kinase CK1,but promotes Akt/PKB down-regulation and GSK3 activation[J].Biochem J,2013,452(1):131-137.

[10] Moore SF,van den Bosch MT,Hunter RW,etal.Dual regulation of glycogen synthase kinase 3(GSK3)α/β by protein kinase C(PKC)α and Akt promotes thrombin-mediated integrin αIIbβ3 activation and granule secretion in platelets[J].J Biol Chem,2013,288(6):3918-3928.

[11] Thornton TM,Pedraza-Alva G,Deng B,etal.Phosphorylation by p38 MAPK as an alternative pathway for GSK-3beta inactivation[J].Science,2008,320(5876):667-670.

[12] Ding Q,Xia W,Liu JC,etal.Erk associates with and primes GSK-3beta for its inactivation resulting in upregulation of beta-catenin[J].Mol Cell,2005,19(2):159-170.

[13] Deng C,Sun Z,Tong G,etal.α-Lipoic acid reduces infarct size and preserves cardiac function in rat myocardial ischemia/reperfusion injury through activation of PI3K/Akt/Nrf2 pathway[J].PLoS One,2013,8(3):e58371.

[14] Moe IT,Pham TA,Hagelin EM,etal.CCN2 exerts direct cytoprotective actions in adult cardiac myocytes by activation of the PI3-kinase/Akt/GSK-3β signaling pathway[J].J Cell Commun Signal,2013,7(1):31-47.

[15] Woulfe KC,Gao E,Lal H,etal.Glycogen synthase kinase 3beta regulates post myocardial infarction remodeling and stress induced cardiomyocyte proliferation in vivo[J].Circ Res,2010,106(10):1635-1645.

[16] Song YH,Jeong SJ,Kwon HY,etal.Ursolic acid from Oldenlandia diffusa induces apoptosis via activation of caspases and phosphorylation of glycogen synthase kinase 3 beta in SK-OV-3 ovarian cancer cells[J].Biol Pharm Bull,2012,35(7):1022-1028.

[17] Xu C,Lv L,Zheng G,Li B,etal.Neuregulin1β1 protects oligodendrocyte progenitor cells from oxygen glucose deprivation injury induced apoptosis via ErbB4-dependent activation of PI3-kinase/Akt[J].Brain Res,2012,1467:104-112.

[18] Ngok-Ngam P,Watcharasit P,Thiantanawat A,etal.Pharmacological inhibition of GSK3 attenuates DNA damage-induced apoptosis via reduction of p53 mitochondrial translocation and Bax oligomerization in neuroblastoma SH-SY5Y cells[J].Cell Mol Biol Lett,2013,18(1):58-74.

[19] Onishi A,Miyamae M,Kaneda K,etal.Direct evidence for inhibition of mitochondrial permeability transition pore opening by sevoflurane preconditioning in cardiomyocytes:comparison with cyclosporine A[J].Eur J Pharmacol,2012,675(1-3):40-46.

[20] Cho J,Zhai P,Maejima Y,etal.Myocardial injection with GSK-3β-overexpressing bone marrow-derived mesenchymal stem cells attenuates cardiac dysfunction after myocardial infarction[J].Circ Res,2011,108(4):478-489.

[21] Balaraman Y,Limaye AR,Levey AI,etal.Glycogen synthase kinase 3beta and Alzheimer′s disease:pathophysiological and therapeutic significance[J].Cell Mol Life Sci,2006,63(11):1226-1235.

[22] Yin X,Zheng Y,Zhai X,etal.Diabetic inhibition of preconditioning-and postconditioning-mediated myocardial protection against ischemia/reperfusion injury[J].Exp Diabetes Res,2012,2012:198048.

[23] Chong ZZ,Hou J,Shang YC,etal.EPO relies upon novel signaling of Wnt1 that requires Akt1,FoxO3a,GSK-3β,and β-catenin to foster vascular integrity during experimental diabetes[J].Curr Neurovasc Res,2011,8(2):103-120.

[24] Metcalfe C,Bienz M.Inhibition of GSK3 by Wnt signalling-two contrasting models[J].J Cell Sci,2011,124(Pt 21):3537-3544.

[25] Venkatesan B,Prabhu SD,Venkatachalam K,etal.WNT1-inducible signaling pathway protein-1 activates diverse cell survival pathways and blocks doxorubicin-induced cardiomyocyte death[J].Cell Signal,2010,22(5):809-820.

[26] Hoang MV,Smith LE,Senger DR.Moderate GSK-3β inhibition improves neovascular architecture,reduces vascular leakage,and reduces retinal hypoxia in a model of ischemic retinopathy[J].Angiogenesis,2010,13(3):269-277.

[27] Kaga S,Zhan L,Altaf E,etal.Glycogen synthase kinase-3beta/beta-catenin promotes angiogenic and anti-apoptotic signaling through the induction of VEGF,Bcl-2 and survivin expression in rat ischemic preconditioned myocardium[J].J Mol Cell Cardiol,2006,40(1):138-147.

[28] Wang CY,Tsai AC,Peng CY,etal.Dehydrocostuslactone suppresses angiogenesis in vitro and in vivo through inhibition of Akt/GSK-3b and mTOR signaling pathways[J].PLoS One,2012,7(2):e31195.

[29] Shimura T.Acquired radioresistance of cancer and the Akt/GSK-3β/cyclin D1 overexpression cycle[J].J Radiat Res,2011,52(5):539-544.

[30] Dickey A,Schleicher S,Leahy K,etal.GSK-3beta inhibition promotes cell death,apoptosis,and in vivo tumor growth delay in neuroblastoma Neuro-2A cell line[J].J Neurooncol,2011,104(1):145-153.