糖原合成激酶3不同亞型的研究進展及其前景展望

摘要：糖原合成激酶3存在著α和β兩種亞型，人體內各種復雜的生理過程都與糖原合成激酶3密切相關，糖原合成激酶3不僅參與了腫瘤細胞的侵襲、轉移、凋零，其也參與了細胞周期的加速。其多元化的生物學活性調節方式導致其在不同類型的惡性腫瘤中所起的作用并不相同，本文將從糖原合成激酶3不同亞型的結構構成，以及糖原合成激酶3不同亞型的研究進展做一個綜述，并對糖原合成激酶3抑制劑的開開發前景做一個展望。

關鍵詞：糖原合成激酶；細胞周期；惡性腫瘤；靶點

糖原合成激酶3（GSK-3）究其本質來說屬于蘇氨酸類酶類的一種，GSK-3這種酶類在哺乳動物到酵母中都十分的保守，最開始的階段，GSK-3被認為是調節糖代謝的關鍵激酶之一。但是近些年來隨著研究工作的不斷深入發現，GSK-3不僅僅參與了糖類的代謝，還廣泛的參與了人體內其他的生理過程，其中包括人體內蛋白質的合成以及細胞的增殖和分化。GSK-3存在著兩種不同種類的亞型分別為GSK-3α以及GSK-3β[1]。而GSK-3α的主要生理功能是參與了糖原代謝的過程，而GSK-3β則具有較為復雜的生物學功能，其中據相關的研究顯示，其不僅參與了細胞周期的加速，癌細胞基因的轉錄以及參與調節了腫瘤細胞的侵襲、轉移、凋零[2]。據相應的研究顯示，GSK-3β的上游酶還參與了腫瘤的形成。

1 GSK-3α/β的特點

在真核細胞中普遍存在著糖原合成激酶（GSK-3），而在哺乳動物的體內則往往同時存在著GSK-3α以及GSK-3β，GSK-3α以及GSK-3β這兩種亞型在催化區的氨基酸具有極高的同源性，兩者的同源性高達98%，但是在蛋白兩端的同源性卻偏低，僅僅只有36%[2]。GSK-3α以及GSK-3β兩者具有功能性的代償特點，在老鼠模型中對GSK-3β基因進行敲除之后，發現兩者雖然能發生功能性的代償，但是無法完成完全取代，這一實驗在側面證明了兩者在功能及結構上仍然存在著顯著的差異。目前在相應的化學實驗中已經得到了GSK-3β的結構晶體，在該結構晶體中可以明確的是GSK-3β的活性區域主要由C端以及N端構成[3]。在GSK-3的正副調節因子的研究上發現，對于GSK-3α而言，其正向的調節因子為Tyr276，其負向的調節因子為Ser2l，當Tyr276被成功磷酸化后，GSK-3α的苯環會向外進行扭轉使得Ser2l這些被預磷酸化的底物能夠更為輕松地進入活性口袋，促進復合物的形成[4，5]。

2 GSK-3α的研究進展

GSK-3α目前被證實不僅僅與真核細胞內各種真核性底物的磷酸化過程密切相關，這些內源性的底物包括轉錄因子以及細胞結構蛋白等。GSK-3α主要起作用的為對糖原合成的參與，GSK-3α能將糖原合成酶磷酸化[6]。同時GSK-3α還能夠將CAAT以及C-JUN等這些轉錄因子磷酸化，從而能夠有效將這些轉錄因子與DNA的結合，從而能夠達到調節上述這些基因的表達與轉錄的目的。在糖尿病、阿爾茲海默病以及其他類型的神經退行性疾病時都可明顯檢測到GSK-3α的異常升高，同時相應的研究顯示，GSK-3α可能在胰島素的信號調節通路中起著重要的作用[7]。相對于哺乳動物而言，GSK-3α的研究在昆蟲中更為落后，因為在昆蟲體內，參與促進糖原合成的主要激素雖然是胰島素，但是在昆蟲體內糖原的代謝和合成中還有蛻皮激素的參與，昆蟲中發現，GSK-3α的表達受到了蛻皮激素的作用，而與此同時在昆蟲發生蛻皮前GSK-3α的濃度會異常增高[8]，這樣昆蟲體內大量的糖原合成酶被磷酸化，從而導致糖原合成酶失去活性，這樣便會導致昆蟲體內糖原的減少，導致昆蟲不進食，從而順利地進入蛻皮階段。同時在對昆蟲的GSK-3α的相關研究中發現[9]，GSK-3α的保守性較高，家蠶與其他類型的昆蟲的GSK-3α的氨基酸序列也存在高度的一致性，家蠶與果蠅的GSK-3α的氨基酸序列的同源性高達79%，這種調查結果也顯示GSK-3α基因在進化的過程中也是呈現出高度保守的特性[10]。在哺乳動物中發現GSK-3α能夠成功地調節哺乳類動物內的糖皮質激素從而參與哺乳動物體內的細胞凋亡過程。而在昆蟲體內GSK-3α是否參與了細胞的凋亡過程尚待進一步研究。對吸煙的人群的氣道上皮細胞進行免疫細胞熒光法以及免疫組化檢測時發現GSK-3α廣泛表達于這些氣道上皮細胞中，同時在培養的豬的動物模型中以及大鼠的模型中同樣用免疫細胞熒光法以及免疫組化檢測發現GSK-3α廣泛表達于這些動物的氣道上皮細胞中。在對這些GSK-3α進行定位時發現，GSK-3α廣泛表達于上述動物肺組織中的胞漿中，在肺組織中GSK-3α分布的細胞主要為支氣管上皮細胞、以及肺泡的上皮細胞，在軟骨組織中GSK-3α的表達就要強于GSK-3β[11]。在培養的豬組織的支氣管上皮細胞中，雖然可見強烈的GSK-3α的表達，但卻未見GSK-3α的磷酸化。在對豬的支氣管上皮細胞進行了尼古丁以及香煙煙霧提取物的處理后，抑制性的磷酸化的GSK-3α水平顯著升高，而GSK-3β水平則為顯著下降，證明香煙可能能有效抑制GSK-3α的表達[12-14]。

3 GSK-3β的研究進展

GSK-3β參與調節了細胞內體的分布、蛋白復合體的形成、磷酸化激酶，這一系列的調節作用形成的關鍵調節點就是激酶被磷酸化[15]。而與GSK-3β活性調節密切相關的為上游的活化酶，特別是一些關鍵性的激酶，這其中包括P90RSK、Pka、PKB、MAPKAP以及p70S6K，上述這些關鍵性的激酶一旦被磷酸化，則可直接導致GSK-3β的活性被抑制[16]。在Wnt的通路中，GSK-3β起著一個類似的開關的作用，GSK-3β能夠通過對于底物的磷酸化激活與否來決定Wnt通路的開關與否。GSK-3β能夠對某些腫瘤起到抑制作用也是因為GSK-3β對于β-catenin的磷酸化過程起到一個促進的作用，而β-catenin在磷酸化后容易被蛋白酶降解，從而致使腫瘤細胞得到抑制[17]。

4 GSK抑制劑的應用前景

目前在GSK抑制劑的研究方面，針對GSK-3α的研究尚未見報道，臨床中基本都是針對GSK-3β的研究。在結腸癌的癌細胞系以及癌組織中GSK-3β中的表達中顯著高于正常人群。而一旦對結腸癌患者使用GSK-3β的抑制劑，可以發現在結腸癌的癌細胞系以及癌組織中的癌細胞的增殖受到明顯地抑制，同時出現明顯的細胞凋亡[18]。因而在大腸癌的治療中，GSK-3β既有可能成為一個新的靶點[19]。在國外某些學者的實驗中發現，P53依賴的細胞凋亡能夠被GSK-3β消除，從而加快直腸癌的發生以及發展過程。在另外的與之相關的實驗中發現利用非放射性酵素測定法發現在胃癌、肝癌、胰腺癌、結腸癌中進行測定發現GSK-3β的水平均要顯著高于健康人群。在體外實驗中則發現，GSK-3β主要通過使得端粒酶的活性被提高而使得胃腸道腫瘤的生長得到促進。在卵巢癌的相應研究中發現，在卵巢癌的細胞系以及組織中GSK-3β以及β-catenin均呈現出異常增高。在對應的體外實驗中發現，GSK-3β被化學藥物抑制活性之后，卵巢腫瘤細胞的存活以及增殖都受到顯著的影響。卵巢腫瘤細胞能夠在激活型的GSK-3β的誘導下進入S期，與此同時cyclin D1的表達明顯增高，從而使得卵巢腫瘤細胞的異常增殖得到促進，這樣便從側面證實卵巢腫瘤的發生發展受到了GSK-3β的高表達的影響[20]。在前列腺癌患者中使用對GSK-3β具有抑制作用的TDZD8后，會使得前列腺癌細胞的增殖被抑制，同時前列腺癌DNA的復制也被有效降低，前列腺癌細胞中大量的細胞被阻斷在S期[21]。對于低血清狀態的前列腺癌患者而言，GSK-3β能夠增加前列腺癌細胞的生存能力。其中GSK-3β的抑制劑主要是通過將Bif-1的水平提高使依賴Bif-1的細胞使其發生自噬作用而死亡。同時，相應的研究還證實，在肝癌和甲狀腺癌中呈失活型的GSK-3β大量缺失，而活化型的則大量增加，從而起到促進癌細胞增殖的作用[22-24]。

參考文獻：

[1]Billieh C，Mueher R，Brenner G，et a1.Diagnostic value of computed tomography-guided percutaneous lung biopsy for malignant lung tumors[J].National Medical Journal of China，2013，93（38）：3023-3026.

[2]Atwell TD，Smith RL，Hesley GK，et a1.GSK3β Role in the Malignant Tumor and Research[J].Progress in Modern Biom edicine，2012，12（22）：4390-4392.

[3]Liang P，Wang Y，Yu X，et al.Malignant liver tumors：treatment with percutaneous microwave ablation-complications among cohort of 1136patients[J].Radiology，2009，251（3）：933-940.

[4]Brace CL，Hinshaw JL，Laeseke PF，et al.Pulnonary thermal ablation：comparison of radiofrequency and microwave devices by using gross pathologic and CT findings in a swine model[J].Radiology，2009，251（3）：705.

[5]張小萍，鐘就娣，辛明珠，等.CT導向下經皮微波消融治療肺部惡性腫瘤患者的護理[J].中國實用護理雜志，2011，27（28）：45-46.

[6]Dianqing Wu，Wijun Pan.GSK3：a multifaceted kinase in Wnt signaling[J].Trends Biochem Sci，2010，35（3）：161-168.

[7]Jeong WJ，Yoon J，Park JC，et al.Ras Stabilization Through Aberrant Activation ofWnt/β-Catenin Signaling Promotes Intestinal Tumorigenesis[J].Sci Signal，2012，5（219）：30.

[8]Yan D，Avtanski D，Sanxena NK，et al.Leptin-induced epithelial-mesenchymal transition in breast cancer cells requires β-catenin activation via Akt/GSK3-and MTA1/Wnt1 protein-dependent pathways[J].J Biol Chem， 2012，287（11）：8598.

[9]Zhou W，Wang L，Gou SM，et al.ShRNA silencing glycogen synthase kinase-3 beta inhibits tumor growth and angiogenesis in pancreatic cancer[J].Cancer Lett，2012，316（2）：178-186.

[10]Chen YG，Li Z，Wang XF.Where PI3K/Akt meets Smads：the crosstalk determines human embryonic stem cell fate[J].Cell Stem Cell，2012，10（3）：231-232.

[11]Ghosh B，Leach SD. p53：Guardian of pancreatic epithelial identity[J].Cell Cycle，2011， 10（11）：1717.

[12]Busino L，Millman SE， Scotto L，et al.Fbxw7α- and GSK3-mediated degradation of p100 is a pro-survival mechanism in multiple myeloma[J]. Nat Cell Biol，2012， 14（4）：375-385.

[13]Yang J，Takahashi Y，Cheng E，et al.GSK-3beta promotes cell survivalsurvival by modulating Bif-1-dependent autophagy and cell death[J]. Cell Sci，2010，123（6）：861-870.

[14]Christie JD，Edwards LB，Kucheryavaya AY，Lung transplantation for lung cancer：a report of 4 easeset a1[J].Chinese Journal of Organ Transplantation，2013，34（3）：159-162.

[15]Mathew J，Kratzke RA.Lung Cancer and Lung Transplantation：a renew[J].J Thorac Oncol，2009，4（6）：753-760.

[16]楊陽，馬翠玲.糖原合成酶激酶3的分型及其調控腫瘤細胞相關機制的研究進展[J].解放軍醫學雜志，2011，11（36）：1243-1244.

[17]韓春紅.肺部惡性腫瘤的射頻熱療中的溫度監測與護理[J].中國醫藥導報，2012，09（7）：1243.

[18]劉小燕，李衛，程靜，等.放射性粒子植入治療肺部惡性腫瘤的護理[J].西南國防醫藥，2011，21（11）：1230.

[19]Buescher JL，Phiel CJ.A noncatalytic domain of glycogen synthase kinase-3 （GSK-3） is essential for activity[J]. J Biol Chem，2010，285（11）：7957.

[20]Rayasam GV，Tulasi VK，Sodhi R，et al. Glycogen synthase kinase 3： more than a namesake[J]. Br J Pharmacol，2009，156 （6）：885-898.

[21]Miyashita K，Nakada M，Shakoori A，et al.An emerging strategy for cancer treatment targeting aberrant glycogen synthase kinase 3beta[J].Anticancer Agents Med Chem， 2009， 9（10）：1114-1122.

[22]Buescher JL，Phiel CJ.A noncatalytic domain of glycogen syntha￣se kinase-3（GSK-3）is essential for activity[J]. J Biol Chem，2010，285（11）：7957.

[23]Lock FE，Underhill-Day N，Dunwell T，et al.The RASSF8 candidate tumor suppressor inhibits cell growth and regulates the Wnt and NF-kappaB signaling pathways [J]. Oncogene，2010， 29（30）：4307-4316.

[24]Kanemoto S，Matsubara M，Noma M，et al.Mild hypothermia to limit myocardial ischemia-reperfusion injury： importance of timing. Ann Thorac Surg[J]. Ann Thorac Surg，2009， 87（1）：157-163.

編輯/申磊