糖原合成酶激酶与疾病的研究进展

糖原合成酶激酶与疾病的研究进展 n 糖原合成酶激酶与疾病的研究进展 尚果果，李慧 (复旦大学上海医学院病理学系，上海 200032) 5 摘要:糖原合成酶激酶-3(Glycogen synthase kinase-3, GSK-3 )是一种种丝,苏氨酸蛋白激 酶，有两种亚型 GSK-3α、GSK-3β。它的活性受磷酸化和非磷酸化机制调节,可以磷酸化多 种蛋白质，参与细胞分化、凋亡等多种生理过程的调节。糖原合成酶激酶-3 与 2-型糖尿病、 阿尔茨海默病及其他神经退行性病变、胃肠道肿瘤及炎症等多种疾病的发生都有关。 关键词:糖原合成酶激酶-3; 2-型糖尿病; 阿尔茨海默病; 胃肠道肿瘤; 炎症 中图分类号:R363.2+1 10 Research progress in Glycogen synthase kinase-3 and its related diseases SHANG Guoguo, LI Hui (Department of Pathology, Shanghai Medical College, Fudan University, Shanghai 200032) 15 Abstract: Glycogen synthase kinase-3(GSK-3)is a serine, threonine kinase, having two distinct forms termed GSK-3αand GSK-3β. Its activation is regulated by both phosphorylation and nonphosphorylation machnism. GSK-3 is implicated in the regulation of many physiological responses in mammalian cells by phosphorylating substrates. GSK3 has been involved in various diseases such as type II diabetes, Alzheimer’s, cancer , inflammation. 20 Key words: GSK-3; type II diabetes; Alzheimer’s; cancer; inflammation 糖原合成酶激酶-3(Glycogen synthase kinase-3, GSK-3 )是 20 世纪 70 年代发现的一种 调节糖原代谢的丝氨酸/苏氨酸类蛋白激酶。后来研究者们又陆续发现它能使 50 多种内源性 的底物磷酸化、包括代谢和信号转导通路(Wnt、Hedgehog、Notch 等) 中的蛋白、细胞结构 25 蛋白、转录因子。因而在细胞的生长增殖、细胞周期、肿瘤的发生和胚胎的发育中有着重要 的调节作用。近年来的研究还发现:某些疾病如 2-型糖尿病、阿尔茨海默病及其他神经退 行性病变和胃肠道肿瘤中 GSK-3 的表达增多或活性异常升高;一些糖原合成酶激酶-3 的特 异性抑制剂如:锂等，应用于阿尔茨海默病、情感障碍等相关疾病的治疗并取得一定的疗效。 本文主要是对 GSK-3 与一些疾病的研究进展的概括。 30 1 GSK-3的结构、生理作用及调节 1.1 GSK-3的结构 糖原合成酶激酶-3是糖原合成途径中重要的调节酶，广泛的存在与哺乳动物的细胞内。 Woodgett等[1]从骨骼肌中分离纯化得到单一的蛋白质组分，并通过克隆得到两种亚型，分别 是GSK-3α、GSK-3β。它们由不同的基因编码，主要区别是GSK-3α较GSK-3β在N端有一延 35 伸物。这两种亚型氨基酸组成的同源性85%，其中催化区氨基酸排列数序同源性高达97%， 但在催化区之外的氨基酸序列的同源性只有38%。他们广泛存在于组织和细胞间，有着相似 的生物学功能。但是两者的功能并不多余，缺失GSK-3β基因的胚胎在胚囊16周时由于肝细 基金项目:教育部博士点新教师基金(NO.200802461074) 作者简介:尚果果(1987-)，女，在读博士生，肾脏病理和肿瘤病理 通信联系人:李慧(1978-)，女，讲师，肾脏病理和肿瘤病理. E-mail: huili78@fudan.edu.cn -1- n 胞凋亡而致死。这说明GSK-3α不能替代GSK-3β的功能，已经证实GSK-3α、GSK-3β在斑马 40 鱼心脏形成中有着不同的作用，GSK-3α是心肌细胞存活必须的，GSK-3β调节左、右心脏的 [2] [3]。在某些信号通路中两个亚基共同参与，例如在海马神经元轴突形 对称影响心脏的定位 成的过程中[4]，尽管大多数的研究主要集中在GSK-3β但是近几年的对GSK-3α功能有一定的 认识，GSK-3α也参与阿尔茨海默病[5]及糖代谢[6]。 另外，最近发现GSK-3β还有一异构体被称为GSK-3β2，在GSK-3β中间有一13个氨基酸 残基组成的多肽插入[7]。研究发现GSK-3β2与GSK-3β不同，GSK-3β2只存在于神经元包体内 45 [7] 。 目前GSK-3β的完整结构已完全清楚，X-衍射观察其结构发现有三个区域:氨基端由一 闭合的β-桶装的结构组成、羧基端包含一个“激酶折叠”、紧接着羧基端的是一个小的超结构 域。催化位点位于两个主要的结构域之间，且在其ATP结合位点除有一ATP类似的分子。 GSK-3β活化环定向磷酸化的CDK2与ERK2相似，提示GSK-3β这种构象能够使只组成性的激 50 活[8]。 1.2 GSK-3的生理作用及调节 糖原合成酶激酶-3磷酸在细胞内是以活性状态存在的，可以使许多内源性的蛋白质发生 磷酸化，但是它的底物要先被其他的蛋白激酶对某个丝氨酸或苏氨酸进行预磷酸化后，才可 以进一步被GSK-3磷酸化。这个磷酸化位点可能是在空间结构上促进底物与GSK-3结合，是 55 GSK-3对底物磷酸化启动点。GSK-3参与多条信号通路的调节，但主要是负调控作用。 与其他的蛋白激酶不同的是，糖原合成酶激酶-3是组成型活化，当存在有胰岛素和生长 因子的情况下受到抑制。有两套以磷酸化为基础的信号系统共同参与GSK-3的调节[9]。在 GSK-3的上游，一些激酶接受信号转到的调节信息后，直接磷酸化GSK-3以抑制其活性;另 一套信号系统在GSK-3的下游，可传导信息使GSK-3的底物预磷酸化形成起始磷酸盐，从而 60 借底物的磷酸化状态调节GSK-3的作用。其上游调节机制为:有信号因子胰岛素、内皮生长 因子(EGF )、成纤维细胞生长因子(FGF)以及Wnt的配体的存在时，可以经过信号转导 其或其他的蛋白激酶(PKA、PKB、MRAK )使GSK-3的丝氨酸磷酸化(GSK-3α的Ser9、 GSK-3βde Ser21 磷酸化)致GSK-3失去活性。下游调节机制为:底物在预磷酸化时磷酸化不 同的氨基酸残基会对GSK-3产生不同的调节作用，当丝氨酸位点被磷酸化时抑制GSK-3的作 65 用，当酪氨酸位点被磷酸化是促进GSK-3的作用。 2 GSK-3与糖尿病 2.1 糖原合成酶激酶-3与胰岛素信号通路 研究表明，GSK-3是胰岛素信号通路的一重要调节因子[10]。GSK-3已被证实是胰岛素受 体底物蛋白IRS1的激酶，再无胰岛素的存在下GSK-3可以磷酸化IRS1的多个丝氨酸位点，始 70 终保持IRS1处于磷酸化状态。但有胰岛素存在的情况下，GSK-3自身被磷酸化失活，胰岛素 抑制GSK-3活性的机制:胰岛素与细胞表面的胰岛素受体(IR)结合，激活受体上的酪氨酸 激酶，使受体自身多个酪氨酸磷酸化并与胰岛素受体底物蛋白(IRS1和IRS2)结合，使IRS1 和IRS2靠近细胞膜，同时其酪氨酸被胰岛素受体上的酪氨酸激酶磷酸化。磷酸化的IRSl和 IRS2与磷脂酰肌醇-3-激酶(PI3K)p85亚单位上的Sre同源区2相互作用，使PI3K也靠近质膜; 75 随后，PI3K的p110亚单位催化磷脂酰肌醇(4，5)二磷酸盐(PIP2)磷酸化成磷脂酰肌醇(3，4， 5)三磷酸盐(PIP3)，PIP3再与3磷酸肌醇依赖的蛋白激酶l(PDKl)及蛋白激酶B(PKB，又称AKT) -2- n 相互作用，使它们同时位于质膜表面，并且促使PDKl作用于PKB，促进PKB磷酸化GSK-3β 并使之失活，同时肝糖原合成酶(GS)也因此去磷酸化，恢复催化肝糖原合成的活性，肝糖原 80 9而抑制其活性， 合成增加促使血糖降低胰岛素本身也可通过介导PKB磷酸化GSK-β上的Ser 从而促进GS去磷酸化提高活性，增加糖原合成，降低血糖浓度。 2.2 GSK-3与胰岛素抵抗 2-型糖尿病的病理特征为，体内产生对胰岛素的抵抗，使胰岛素分泌相对不足造成血 糖升高进而引起一系列代谢紊乱症状。近年来的一些研究在胰岛素抵抗的动物模型的一些组 织内发现有GSK-3异常增高。有报道，通过饮食诱导的C57/B6肥胖小鼠变的对胰岛素不敏感， 85 脂肪组织中的GSK-3活化使动物的饮食比正常高出2倍[11] 。ob/ob小鼠体内GSK-3的活性比 、 瘦小鼠水平更高[12]。与非糖尿病病人相比2-型糖尿病患者骨骼肌内的GSK-3活性明显升高[13 14] 。 有研究用葛根素降低胰岛素抵抗大鼠骨骼肌内的GSK-3蛋白表达水平，可以增加机体 对胰岛素的敏感性，降低胰岛素抵抗[15]。同时IR大鼠在给预饮食控制和运动锻炼后，骨骼 90 肌内的GSK-3含量也明显下降[16]。这些提示了GSK-3参与2-型糖尿病外周组织胰岛素抵抗的 发生发展过程。 2.3 GSK-3抑制剂2-型糖尿病的治疗靶点 GSK-3是胰岛素信号通路的重要调节因子，综上研究显示GSK-3的含量与机体对胰岛素 的敏感程度成负相关。有研究表明，糖尿病及肥胖小鼠的GSK-3的表达水平及活性均有增加， 95 同时也发现了一些具有抑制GSK-3活性作用的化合物，它们在体内外局部有一些胰岛素样作 用。这使GSK-3抑制剂治疗2-型糖尿病这一设想成为可能。 有实验显示体内毫摩尔浓度的锂可以抑制GSK-3[17]。同时锂作为仿肽假底物GSK-3抑 制剂已经被证明在多种仿胰岛素促进肝糖原合成，抑制糖异生，促进葡萄糖转运[18]，但锂 刺激摄取葡萄糖的机制尚不清楚。Coghlan等[19]找到两种马来酰胺类抑制剂SB-216763和 100 SB-41528629，在分子水平比较特异的抑制GSK-3β的活性。在体外实验中发现，它们能使 大鼠L6骨骼肌细胞糖原合成增加6.8倍。也能增加3T3-L1脂肪细胞中糖原的合成。说明这类 GSK-3抑制剂在细胞水平也有胰岛素样作用。目前，一些GSK-3β的抑制剂已经应用临床2- 型糖尿病的治疗并取得一定的疗效。 3 糖原合成酶激酶-3β与阿尔茨海默病的关系 105 阿尔茨海默病(AD)是一种神经系统退化疾病，症状为认知和行为的失常，病因不明却。 病理改变为，神经原纤维缠结。目前公认AD的发病机制:淀粉样蛋白级联假说，β-淀粉肽 (Aβ)大量的沉积导致Tau蛋白过度磷酸化有关，Tau蛋白过度磷酸化导致神经原纤维缠结 和神经退行性变化。近期的一些研究表明GSK-3与Aβ大量沉积、Tau蛋白过度磷酸化、记忆 衰退、炎症反应有着密切的关系，所以GSK-3是AD发病中的重要因子[20]。近期的一些研究 110 表明在GSK-3表达的上调或活性增加与AD的发病有关。在神经原纤维缠结前期出现活化的 GSK-3[21];AD患者大脑额叶皮质内GSK-3的活性明显增加[22]; AD患者海马结构中GSK-3 的表达增加[23]; AD患者和认知能力丧失的患者周围循环的淋巴细胞中的GSK-3的表达也是 上调的[24]。 综上所述，GSK-3应该是治疗AD的靶点，但是有研究表明:在纹状体中发现抑制GSK-3 115 的活性可以通过增加皮质和海马中GSK-3表达促进细胞的凋亡[25]。所以目前GSK-3抑制剂还 -3- n 没有用于AD的治疗。但GSK-3可能是AD的一个潜在的治疗靶点。 4 糖原合成酶激酶-3与胃肠道肿瘤 正常情况下，胞内β-连环蛋白的量是通过APC、Axin、GSK-3β、β-连环蛋白形成的复合 120 物来维持的，该复合物促进GSK-3β对β-连环蛋白的磷酸化，磷酸化的β-连环蛋白将被泛素蛋 白水解酶识别并降解。Wnt信号存在时，Wnt与其膜受体卷曲受体蛋白Frz结合后抑制GSK-3β 的活性，阻止β-连环蛋白降解，胞浆内β-连环蛋白含量增加，使更多的β-连环蛋白进入细胞 [26]。这些因子与结肠癌等 核内与DNA结合蛋白结合调节细胞周期蛋白D1等多种基因的表达 多种肿瘤有关[27]。GSK-3β通过介导的β-连环蛋白或者Hathl交互降解促进结直肠癌细胞的增 殖和分化[28]。Ji等[29]发现β-连环蛋白与食管鳞状细胞癌(ESCC)的预后密切相关，β-连环蛋白 125 高表达的食管癌患者与其淋巴结转移率、肿瘤侵润深度呈正相关;与生存率呈负相关。此外 GSK-3β还通过其它途径参与肿瘤细胞的凋亡，Pang等[30]报道，在COX-2缺陷的人类胃癌细 胞，COX-2抑制剂celecoxib通过Akt,GSK-3β,NAG-1信号通路诱导其凋亡。Celecoxib可抑 制Akt Ser473和GSK-3βSer9磷酸化，并且上调非类固醇类抗炎药激活基因一1(NAG-1)的表 达，但GSK-3β抑制剂可去celecoxib对NAG-1的这种效果。所以，独立于环氧合酶之外，Akt 130 ,GSK-3β,NAG-1信号通路成为COX-2抑制剂作用于胃癌的主要机制。Thiel等[31]还发现， 抑制GSK-3β活性可诱导胃癌细胞COX-2 mRNA和蛋白的表达以及酶活性的升高，从而促进 了胃癌的发生发展。 综上所述，GSK-3β消化道肿瘤的分化、增殖及凋亡等方面起重要作用，抑制它的活性 对某些胃肠道肿瘤的治疗是有效的，因此GSK-3β可作为消化道肿瘤治疗的潜在靶点。 135 5 糖原合成酶激酶-3β与炎症的关系 研究表明 GSK-3β 能够不同程度的调节促炎和抗炎细胞因子的生成参与炎症反应。 GSK-3 通过调控 NF-κB 以启动子特异的方式影响特定基因的转录，使 TNF、IL-6 等基因转 录，巨噬细胞炎症蛋白 2、IκBα 等基因不转录[32]。并有实验证实 GSK-3β 抑制剂能选择性抑 制炎症细胞因子 TNF-a、IL-6、IL-12 产生，促进抗炎细胞因子 IL-10 产生，并且能有效抑制 140 内毒素引起的死亡率以及内毒素血症引起的器官损伤[33] [34]。 6 展望 目前研究已经揭示，GSK-3 不仅在糖原合成过程中其重要的调节作用，而且还发现 GSK-3 参与多条信号传导通路，调节胚胎的发育、细胞的增值与凋亡、转录因子调节、肿 瘤的发生发展过程。参与许多疾病的发生发展过程，所以在对 GSK-3 的作用的进一步研究 145 是很有意义的。虽然已经做了大量的研究但是有许多问题我们还不不清楚，比如:糖原合成 酶激酶-3 的两个亚基的作用和分布有何不同,在 2-型糖尿病时，为何 GSK-3 会有含量和活 性的增加,如何从磷酸化下游丝氨酸调控 GSK-3 的活性,在肿瘤的发生发展过程中根据不 同部位肿瘤、和肿瘤的分类具体的参与信号通路,抗炎和促炎的分子机制有何异同,GSK-3 抑制剂在临床上的治疗及应用,这些都有待于我们进一步研究了解 GSK-3，以利于我们今 150 后针对与 GSK-3 相关的疾病的治疗。 -4- n 155 [参考文献] (References) [1] Woodgett JR(eDNA cloning and propertiea of cogen synthase kinase-3[J](Methods Enzymo]，1991，200: 564-577( [2] Lee HC, Tsai JN, Liao PY, et al. Glycogen synthase kinase 3 alpha and 3 beta have distinct functions during cardiogenesis of zebrafish embryo[J].BMC Dev Biol, 2007, 7:93. 160 [3] Markou T, Cullingford TE, Giraldo A, et al. Glycogen synthase kinases 3alpha and 3beta in cardiac myocytes: regulation and consequences of their inhibition[J]. Cell Signal, 2008, 20: 206-218. [4] Garrido JJ, Simón D, Varea O, et al. GSK3 alpha and GSK3 beta are necessary for axon formation[J]. FEBS Lett，2007，581: 1579-1586. [5] Phiel CJ, Wilson CA, Lee VM, et al. GSK-3alpha regulates production of Alzheimer's disease amyloid-beta peptides[J]. Nature，2003，423: 435-439. 165 [6] MacAulay K, Doble BW, Patel S, et al. Glycogen synthase kinase 3alpha-specific regulation of murine hepatic glycogen metabolism[J]. Cell Metab，2007， 6: 329-337. [7] AOKI M, YOKOTA T, SUGIURA I, et a1. Structural insisht intonucleotide recognition in tau-protein kinase I,glycogen synthasekinase 3 beta[J](Acta Crystallogr D Biol Crystallogr，2004，60(Pt 3):439-446( [8] Mukai F, Ishiguro K, Sano Y, et al. Alternative splicing isoform of tau protein kinase l/glycogen synthase 170 kinase 3beta[J]. Neurochem，2002，81: 1073-1083. [9] Li Jiansha, Wu Renliang. Regulation and Function of Glycogen Synthase Kinase 3 [J]. Med Mol Biol，2006， 3(5):383-386. Biochem Soc Symp， [10] Cohen P, Nimmo Hc, Proud CG. How does insulin stimulate glycogen synthesis[J]， 1978(43:69-95( 175 [11] Lipina C，Huang X，Finlay D，et a1( Analysis of hepatic gene transcription in mice expressing insulin-insensitive GSK-3[J](Biochem J，2005，392:633-639( [12] Gum RJ，Gaede LL，Koterski SL，et a1(Reduction of protein tyrosine phosphatase 1B increases insulin-dependent signaling in ob,ob mice[J](Diabetes，2003，52:21-28( [13] Kaidanovich-Beilin O，Eldar-Finkelman H(Long-term treatment with novel glycogen synthase kinase-3 180 inhibitor improves glucose homeostasis in ob , ob mice : molecular characterization in liver and musc1e[J](Pharrnacol Exp Ther，2006，316:17-24( [14] Ciaraldi TP，Nikoulina SE，Herry RR，et a1(Role of glycogen synthase kinase-3 in skeletal muscle insulin resistance in type 2 diabetes[J]( Diabetes Complications，2002，16:69-71( [15] Chen Dan, Bi Huimin, SU Hang. Effects of Puerarin on the Expression of Glycogen Synthase Kinase - 3 in 185 Skeletal Muscle of Rats with Insulin Resistance [J].Traditional Chinese Drug Research & Clinical Pharmacology， 2005，16-4. [16] Jang Shan, BI Huimin, CHEN Dan. Effects of exercise on the expression of glycogen synthase kinase-3 in the skeletal muscles of insulin resistant rats[J]. Medical Journal Of WuHan University，2006，27-2. [17] Klein PS，Melton DA(A molecular mechanism for the effect of lithium on development[J](Proc Natl Acad 190 Sci，1996，93:8455-8459( [18] Henriksen E J，Kinnick T R，Teachey M K，etal(Modulation of insulin resistance by selective inhibition of GSK-3 in Zucker diabetic fatty rats[J](Am J Physiol Endocrinol Metab，2003，284(5):E892-E900. [19] Coghlan MP，Culbert AA，Cross DA(Selective small molecular inhibitors of glycogen synthase kinase-3 modulate glycogen metabolism and transcription[J](Chem Bi01(2000, 7:793-803( 195 [20] Claudie Hooper, Richard Killick, Simon Lovestone.The GSK3 hypothesis of Alzheimer's disease [J]. Neurochem. 2008, 104, 1433-1439. [21] Pei J. J., Braak E., Braak H., et al. Distribution of active glycogen synthase kinase 3beta (GSK-3beta) in brains staged for Alzheimer disease neurofibrillary changes[J]. Neuropathol. Exp. Neurol. 1999, 58, 1010-1019. [22] Leroy K., Yilmaz Z., Brion J. P. Increased level of active GSK-3beta in Alzheimer's disease and 200 accumulation in argyrophilic grains and in neurones at different stages of neurofibrillary degeneration[J]. Neuropathol. Appl. Neurobiol. 2007, 33, 43-55. [23] Blalock E. M., Geddes J. W., Chen K. C., et al. Incipient Alzheimer's disease: microarray correlation analyses reveal major transcriptional and tumor suppressor responses[J]. PNAS 2004, 101, 2173-2178. [24] Lucas JJ, Hernandez F, Gomez-Ramos P, et al. Decreased nuclear b-catenin, tau hyperphosphorylation and 205 neurodegeneration in GSK-3b conditional transgenic mice[J]. EMBO.J 2001, 20(1-2), 27-39. [25] Hye A., Kerr F., Archer N., et al. Glycogen synthase kinase-3 is increased in white cells early in Alzheimer's disease[J]. Neurosci. Lett. 2005, 373, 1-4. [26] Hinoi, T., Yamamoto, H., Kishida, M., et al. Complex formation of adenomatous polyposis coli gene product and axin facilitates glycogen synthase kinase-3 beta-dependent phosphorylation of beta-catenin and 210 down-regulates beta-catenin[J]. J. Biol. Chem. 2000, 275, 34399-34406. [27] Wang Q, Zhou Y, Evers BM(Neurotensin phosphorylates GSK-3alpha,beta through the activation of PKC in human colon cancer cells[J](Neoplasia(2006，8:781-787( [28] Kawamori T ( Osta W ， Johnson KR ， et a1 ( Sphingosine kinase 1 is up-regulated in colon carcinogenesis[J](FASEB J，2006，20:386-388( 215 -5- n [29] Ji L，Cao XF，Wang HM，et a1(Expression level of beta-catenin is associated with prognosis of esophageal carcinoma[J](World J Gastroenterol，2007，1 3:2622-2625( [30] Zemann B, Urtz N，Reuschel R, et a1(Normal neutrophil functions in sphingosine kinase type 1 and 2 knockout mice[J](Immunol Lett(2007，109:56-63( [31] AIemany R, van Koppen cJ，Danneberg K，et a1(Regulation and functional roles of sphingosine 220 kinases[J](Naunyn Schmiedebergs Arch PharlTlaCol，2007，374:413-428( [32] Baeuerle P A(I Kappa B-NF-Kappa B structures:at the interface of inflammation control[J](Ceil，1998， 95:729-731( [33] Martin M，Rehani K，Jope R S，et a1(Toll-like receptor-mediated cytokine production is differentially regulated by glycogen synthase kinase 3[J](Nat Immunol，2005，6:777-784( 225 [34] Steinbrecher KA，Wilson W 3rd，Cogswell PC，et a1(Glycogen synthase kinase 38 functions to specify gene-specific，NF-κB-dependent transcription[J](Mol Cell Biol，2005，25:8444-8455( -6-