GSK-3β參與神經精神疾病的研究進展

唐倩倩，郭小云，劉 迪，曹君利，3

（1.江蘇省麻醉學重點實驗室，2.江蘇省麻醉與鎮痛應用技術重點實驗室，江蘇徐州 221004；3.徐州醫學院附屬醫院麻醉科，江蘇徐州 221002）

GSK-3β是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，因使糖原合成酶磷酸化失活而得名［1］。GSK-3β廣泛存在于中樞神經系統，主要分布在神經元，膠質細胞也有表達。GSK-3β是多種信號轉導途徑中的一個關鍵酶，通過調節底物，如酶、結構蛋白和轉錄因子等參與神經元的分化與增殖、基因表達等多種神經系統生理過程，因而，GSK-3β的活性或表達異常均可導致多種神經精神疾病。如 GSK-3β的活化參與阿爾采末?。ˋlzheimer’s disease，AD）的病理生理過程［2］，GSK-3β的活化對tau樣蛋白的異常聚集是必須的，而后者導致腦內神經元的死亡是AD的病因之一。Emamian等［3］報道：精神分裂癥患者的腦部和外周淋巴細胞中AKT1及GSK-3β磷酸化水平都降低，首次發現GSK-3β與精神分裂癥相關。近來研究發現，PI3K/GSK-3β信號通路在調節炎癥反應中占中心地位，而炎癥是多種神經系統疾病的分子基礎［4］。此外，研究表明GSK-3β抑制劑可以減輕神經病理性疼痛［5］?？傊?，GSK-3β已成為臨床和基礎研究的熱點，也逐漸成為眾多疾病的治療靶點。文章旨在論述GSK-3β活性異常參與神經精神系統疾病的機制。

1 GSK-3β的結構

X-衍射發現GSK-3β有3個區域：氨基端區域由一個閉合的β桶狀的結構構成；羧基端區域包含一個“激酶折疊”結構；催化結構域處于上述兩個結構域之間。GSK-3β的活性中心為T-loop結構，但GSK-3β的T-loop結構缺少磷酸化的蘇氨酸，這恰好通過由Arg96、Arg180和Lys205三個帶正電的氨基酸組成的口袋結構（底物結合位點）與蘇氨酸/絲氨酸相結合發揮作用。由于GSK-3β的Tyr216磷酸化修飾在GSK-3β打開底物結合位點時起到相當重要的作用，但未磷酸化的GSK-3β本身并不形成阻礙底物進入的構象，因此，Tyr216是GSK-3β的 T-loop結構的關鍵位點［6］。

2 GSK-3β參與的信號通路

2.1 PI3K-AKT-GSK 3β信號通路 PI3K-AKT-GSK3β途徑是細胞內信號網絡的重要組成部分。PI3K-AKT-GSK3β途徑參與并影響包括胰島素誘導的糖原和蛋白質合成調控、細胞生長分化、抗凋亡等下游事件。磷脂酰肌醇3激酶（phosphoinositide3-kinase，PI3K）家族成員屬于原癌基因。正常情況下，PI3K被激活后，在細胞膜上生成第二信使PIP3，PIP3與細胞內含有PH結構域的信號蛋白AKT/PKB和磷酸肌醇依賴性蛋白激酶（PDKl）結合，促使PDKl磷酸化AKT蛋白的Ser308，進而活化AKT。GSK-3β是最早發現的AKT的直接底物之一，活化的AKT與GSK-3β結合后，誘導GSK-3β向細胞膜轉位，磷酸化其N端的Ser9活性位點而使GSK-3β失活，進而影響核因子 κB（nuclear factorκB，NF-κB）、tau蛋白、c-Jun轉錄子和胰島素受體等GSK-3β下游底物。最終發揮其參與細胞增殖與分化及調節炎癥和免疫反應的作用［7］。

2.2 W nt信號通路 Wnt信號通路是廣泛存在于真核生物中的一條高度保守的信號通路，其在胚胎的早期發育、器官形成、組織再生等生理過程中發揮重要的作用［8］。Wnt的受體是卷曲蛋白（Frizzled，Frz），為7次跨膜蛋白，結構類似于G蛋白偶聯型受體，Frz胞外N端具有富含半胱氨酸的結構域（cysteine rich domain，CRD），能與Wnt結合。經典的Wnt通路可簡述為：當Wnt蛋白與細胞表面Frizzled受體家族結合后產生一系列的反應，包括蓬亂蛋白（dishevelled，DSH）的激活，以及最終細胞核內β-catenin水平的變化。其中，DSH是細胞膜相關Wnt受體復合物的關鍵組成部分，它與Wnt結合后被激活，抑制下游蛋白質如GSK-3β等的活化。而GSK-3β可促進信號分子β-catenin的失活，因而，激活Wnt通路可通過抑制GSK-3β活性使β-catenin穩定存在，后者進入細胞核與TCF/LEF轉錄因子家族結合，進而調節靶基因的表達。

3 GSK-3β參與疾病調控

3.1 GSK-3β與雙極紊亂 雙極紊亂是一種反復發作的心境障礙，其特點是反復發作的躁狂狀態或者躁狂與抑郁交替發作，因此也被稱為躁狂-抑郁癥［9］。研究表明，GSK-3β參與神經元構建與生成、基因表達及應激反應等多種神經元活動，并與雙極紊亂等疾病有著密切的關聯［10］。GSK-3β過多表達的動物表現為多食及活動增多，這些都與雙極紊亂患者經典的躁狂階段相似。Chubb等［11］證實，基因突變導致GSK-3β過度激活及其下游β-catenin表達減少可促進抑郁癥及精神疾病的發生，而GSK-3β抑制劑鋰通過降低β-catenin的降解，從而增加CREB的表達量及活性，產生抗抑郁效果。

多巴胺和5-HT系統的功能障礙是雙極紊亂的重要病因。研究表明，多巴胺與5-HT通過調節AKT/GSK-3β信號通路參與情緒及行為的調控。激活多巴胺受體2通過引起下游AKT失活及GSK-3β活化參與雙極紊亂的形成［12］。此外，增加5-HT及激活5-HT受體可以通過PI3K-AKT-GSK 3β信號通路抑制GSK-3β的活性來治療由5-HT合成降低引起的行為缺失及抑郁癥狀［13］。改變GSK3β表達含量可以緩解5-HT缺乏導致的攻擊及焦慮行為［14］。GSK-3β的抑制劑鋰、丙基戊酸鈉對治療雙極紊亂有明顯的效果，基礎研究發現，新型GSK-3β抑制劑AR-A014418及L803-mts有明顯的抗抑郁作用［10］。綜上所述，AKT/GSK-3β信號通路的紊亂是雙極紊亂的重要病因，某些抗精神病藥通過改變此通路功能而發揮作用。

3.2 GSK-3β與精神分裂癥 精神分裂癥是一種嚴重的精神疾病，表現為思維、情感、行為等多方面障礙。AKT與GSK-3β都參與神經元突觸可塑性，在認知和記憶中發揮著重要的作用。AKT和GSK-3β調節多種與精神分裂癥有關的轉錄因子的表達，如：TCE4（影響精神分裂癥患者的學習及記憶功能）、RELA等等。精神分裂癥的患者AKT1的mRNA、蛋白表達量及其活化水平在前腦皮層、海馬及外周血中均降低。一些學者也報道，AKT1下游GSK-3β的活性及含量，在精神分裂癥患者的多個組織中發生明顯變化［15］。在動物實驗中，GSK-3β抑制劑可以逆轉服用安非他命小鼠的精神過度亢奮癥狀［16］，GSK-3β基因敲除小鼠也可明顯減少由安非他命引起的多動癥狀。此外，TPH2、DISC1和NRG1等基因突變誘發精神分裂癥癥狀可能與這些基因突變后干擾AKT-GSK3β信號通路，從而影響神經系統的發育有關［17］。

Wnt通路也參與GSK-3β功能障礙引起的精神分裂癥。如長期服用抗精神病的藥物如氟哌啶醇、氯氮平，不僅可以影響AKT-GSK3β信號通路（AKT1活化增多并且抑制GSK-3β），而且可以作用于Wnt通路中的Dv1，從而增加前腦皮層及紋狀體處的β-catenin的含量。由此可見，Wnt信號通路也參與精神分裂癥的形成。綜上所述，AKT-GSK3β-Wnt信號通路途徑參與精神分裂癥的發病機制，也為臨床治療精神分裂癥等精神疾病提供了一個新的突破口。

3.3 GSK-3β與阿爾采末病 AD是一種中樞神經系統退行性變性疾病，是老年期癡呆最常見的一種類型。主要表現為漸進性記憶障礙、認知功能障礙等神經精神癥狀，嚴重影響社交、職業與生活功能。特征性病理改變為β-淀粉樣蛋白（amyloidβ-protein，Aβ）沉積形成的老年斑和tau蛋白過度磷酸化形成的神經細胞內神經原纖維纏結［18］。

Aβ被認為是AD的發病機制，Aβ沉積引起神經原纖維纏結和神經元的死亡，導致老年癡呆。Aβ抑制PI3K后，激活GSK-3β，引起tau蛋白過度磷酸化，形成tau蛋白低聚體顆粒，并且激活其下游的kinesin。二者均可引起軸突的傳輸異常，導致Aβ的沉積，損害神經元。Aβ激活GSK-3β后，磷酸化MEKK1導致JNK活化［19］。活化后的JNK與過度磷酸化的tau蛋白均參與神經原纖維纏結的形成，導致記憶的損害。GSK-3β是tau蛋白正?；虍惓Ａ姿峄^程中的關鍵激酶［20］。研究發現，GSK-3β過度表達的小鼠海馬內LTP生成減少，tau蛋白過度磷酸化，并且大量神經元凋亡。當抑制tau蛋白過度磷酸化，可以改善記憶的損害［21］。

GSK-3β除了參與Aβ沉積和tau蛋白過度磷酸化引起的AD，還可能通過凋亡機制參與老年癡呆的發病過程。GSK-3β本身就是引起神經元凋亡的關鍵，在老化的神經細胞中GSK-3β的含量明顯增多。小鼠腦內的齒狀回區是神經元再生區域，GSK-3β過表達的轉基因小鼠中，齒狀回的體積變小，且神經元再生受到抑制。

3.4 GSK-3β與疼痛 疼痛是組織損傷或潛在組織損傷所引起的不愉快感覺和情感體驗，是一種亟待解決的公眾健康問題，影響著全球15%-29%人口的身心健康。2010年，Martins等［22］研究發現，腹腔注射 GSK-3β抑制劑 ARA014418可以明顯減輕腹腔注射醋酸引起的傷害性感覺，鞘內注射AR-A014418也可減輕福爾馬林引起的疼痛，局部注射同樣可以減輕谷氨酸、TNF-α以及IL-1β引起的痛覺過敏。由此可見，GSK-3β抑制劑對急性痛有明顯的鎮痛作用。

神經病理性疼痛是一種由軀體感覺神經系統的損傷或疾病引起的疼痛。Mazzardo-Martins等［5］研究發現，GSK-3β抑制劑AR-A014418可以減輕嚙齒類動物持續的神經病理性疼痛，而停用AR-A014418后，由SNI引起的痛覺過敏恢復，再次鞘內注射AR-A014418 1 d后，又可產生明顯的鎮痛作用。在神經病理性疼痛中，下行抑制系統（5-HT及兒茶酚胺類為主要遞質）在痛覺敏化過程中亦發揮重要作用。GSK-3β抑制劑鋰或者AR-A014418可以通過增加5-HT介導的下行抑制系統，產生抑制痛覺過敏的作用［23］。2012年Yuan等［24］證實，抑制脊髓神經元GSK-3β的活性可以明顯減輕瑞芬太尼引起的痛覺過敏。2013年，繼續研究證實，GSK-3β活性增高參與瑞芬太尼引起的痛覺過敏是通過NMDA受體途徑實現的。

此外，GSK-3β還參與阿片類藥物耐受的機制，如GSK-3β抑制劑Valproate減輕嗎啡耐受性，產生良好的鎮痛作用［25］。Parkitna等［26］的研究證實，單次或多次鞘內注射GSK-3β抑制劑SB216763均可以逆轉嗎啡耐受現象，增加大鼠在熱刺激下的甩尾潛伏期，并且對已經產生嗎啡耐受的大鼠鞘內注射SB216763可恢復嗎啡的鎮痛作用。

GSK-3β可能主要通過調節神經元與膠質細胞的活性及炎癥反應程度，在痛覺的產生與發展過程中發揮作用。研究表明，無論是在外周還是在中樞神經系統中，磷酸化的GSK-3β在調節促炎因子與抗炎因子平衡中是至關重要的。神經損傷后，因膠質細胞激活產生的大量細胞因子、炎性介質［27］和神經活性物質，使神經元和膠質細胞出現痛覺敏化，使病理性疼痛進一步發展和持續。GSK-3β活化對于活化Toll樣受體，產生促炎及抗炎因子是必需的，在人類單核細胞中LPS通過活化TLR，經PIK-AKT通路抑制GSK-3β的活性以及降低NF-κB核內轉錄活性來參與炎癥反應［5］。NF-κB核內轉錄活性減低，可以大大減少 IL-6、IL-1β、IFNγ、TNF-α等可引起疼痛的促炎因子的生成，從而緩解疼痛。此外，活化的TLR也可通過PIK-AKT-GSK-3β通路增加CREB，使得抗炎因子 IL-10表達增多［23］。

4 結語

作為細胞內一種常見酶，GSK-3β調控多種底物，成為眾多信號轉導通路的匯聚點，參與胚胎發育、細胞周期的調控、細胞分化與凋亡、細胞的運動與黏附及炎癥反應等多種生理過程。見Fig 1。近年來，隨著基礎及臨床研究的不斷深入，關于GSK-3β參與各種神經精神疾病機制的認識不斷提高。更多隨機、對照、前瞻、多中心性的研究有助于進一步揭示GSK-3β相關藥物的作用機制，此類藥物可能為多種神經精神類疾病提供有效的治療。

Fig 1 M echanism s of PI3K-AKT-GSK-3βand W nt signaling pathways participating in neuropsychiatric disorders

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