糖原合成激酶3不同亞型的研究進(jìn)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(nèi)各種復(fù)雜的生理過程都與糖原合成激酶3密切相關(guān)，糖原合成激酶3不僅參與了腫瘤細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移、凋零，其也參與了細(xì)胞周期的加速。其多元化的生物學(xué)活性調(diào)節(jié)方式導(dǎo)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(jié)構(gòu)構(gòu)成，以及糖原合成激酶3不同亞型的研究進(jìn)展做一個(gè)綜述，并對(duì)糖原合成激酶3抑制劑的開開發(fā)前景做一個(gè)展望。

關(guān)鍵詞：糖原合成激酶；細(xì)胞周期；惡性腫瘤；靶點(diǎn)

糖原合成激酶3（GSK-3）究其本質(zhì)來說屬于蘇氨酸類酶類的一種，GSK-3這種酶類在哺乳動(dòng)物到酵母中都十分的保守，最開始的階段，GSK-3被認(rèn)為是調(diào)節(jié)糖代謝的關(guān)鍵激酶之一。但是近些年來隨著研究工作的不斷深入發(fā)現(xiàn)，GSK-3不僅僅參與了糖類的代謝，還廣泛的參與了人體內(nèi)其他的生理過程，其中包括人體內(nèi)蛋白質(zhì)的合成以及細(xì)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(fù)雜的生物學(xué)功能，其中據(jù)相關(guān)的研究顯示，其不僅參與了細(xì)胞周期的加速，癌細(xì)胞基因的轉(zhuǎn)錄以及參與調(diào)節(jié)了腫瘤細(xì)胞的侵襲、轉(zhuǎn)移、凋零[2]。據(jù)相應(yīng)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(diǎn)

在真核細(xì)胞中普遍存在著糖原合成激酶（GSK-3），而在哺乳動(dòng)物的體內(nèi)則往往同時(shí)存在著GSK-3α以及GSK-3β，GSK-3α以及GSK-3β這兩種亞型在催化區(qū)的氨基酸具有極高的同源性，兩者的同源性高達(dá)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(diǎn)，在老鼠模型中對(duì)GSK-3β基因進(jìn)行敲除之后，發(fā)現(xiàn)兩者雖然能發(fā)生功能性的代償，但是無法完成完全取代，這一實(shí)驗(yàn)在側(cè)面證明了兩者在功能及結(jié)構(gòu)上仍然存在著顯著的差異。目前在相應(yīng)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)得到了GSK-3β的結(jié)構(gòu)晶體，在該結(jié)構(gòu)晶體中可以明確的是GSK-3β的活性區(qū)域主要由C端以及N端構(gòu)成[3]。在GSK-3的正副調(diào)節(jié)因子的研究上發(fā)現(xiàn)，對(duì)于GSK-3α而言，其正向的調(diào)節(jié)因子為Tyr276，其負(fù)向的調(diào)節(jié)因子為Ser2l，當(dāng)Tyr276被成功磷酸化后，GSK-3α的苯環(huán)會(huì)向外進(jìn)行扭轉(zhuǎn)使得Ser2l這些被預(yù)磷酸化的底物能夠更為輕松地進(jìn)入活性口袋，促進(jìn)復(fù)合物的形成[4，5]。

2 GSK-3α的研究進(jìn)展

GSK-3α目前被證實(shí)不僅僅與真核細(xì)胞內(nèi)各種真核性底物的磷酸化過程密切相關(guān)，這些內(nèi)源性的底物包括轉(zhuǎn)錄因子以及細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白等。GSK-3α主要起作用的為對(duì)糖原合成的參與，GSK-3α能將糖原合成酶磷酸化[6]。同時(shí)GSK-3α還能夠?qū)AAT以及C-JUN等這些轉(zhuǎn)錄因子磷酸化，從而能夠有效將這些轉(zhuǎn)錄因子與DNA的結(jié)合，從而能夠達(dá)到調(diào)節(jié)上述這些基因的表達(dá)與轉(zhuǎn)錄的目的。在糖尿病、阿爾茲海默病以及其他類型的神經(jīng)退行性疾病時(shí)都可明顯檢測(cè)到GSK-3α的異常升高，同時(shí)相應(yīng)的研究顯示，GSK-3α可能在胰島素的信號(hào)調(diào)節(jié)通路中起著重要的作用[7]。相對(duì)于哺乳動(dòng)物而言，GSK-3α的研究在昆蟲中更為落后，因?yàn)樵诶ハx體內(nèi)，參與促進(jìn)糖原合成的主要激素雖然是胰島素，但是在昆蟲體內(nèi)糖原的代謝和合成中還有蛻皮激素的參與，昆蟲中發(fā)現(xiàn)，GSK-3α的表達(dá)受到了蛻皮激素的作用，而與此同時(shí)在昆蟲發(fā)生蛻皮前GSK-3α的濃度會(huì)異常增高[8]，這樣昆蟲體內(nèi)大量的糖原合成酶被磷酸化，從而導(dǎo)致糖原合成酶失去活性，這樣便會(huì)導(dǎo)致昆蟲體內(nèi)糖原的減少，導(dǎo)致昆蟲不進(jìn)食，從而順利地進(jìn)入蛻皮階段。同時(shí)在對(duì)昆蟲的GSK-3α的相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)[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(dá)79%，這種調(diào)查結(jié)果也顯示GSK-3α基因在進(jìn)化的過程中也是呈現(xiàn)出高度保守的特性[10]。在哺乳動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)GSK-3α能夠成功地調(diào)節(jié)哺乳類動(dòng)物內(nèi)的糖皮質(zhì)激素從而參與哺乳動(dòng)物體內(nèi)的細(xì)胞凋亡過程。而在昆蟲體內(nèi)GSK-3α是否參與了細(xì)胞的凋亡過程尚待進(jìn)一步研究。對(duì)吸煙的人群的氣道上皮細(xì)胞進(jìn)行免疫細(xì)胞熒光法以及免疫組化檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)GSK-3α廣泛表達(dá)于這些氣道上皮細(xì)胞中，同時(shí)在培養(yǎng)的豬的動(dòng)物模型中以及大鼠的模型中同樣用免疫細(xì)胞熒光法以及免疫組化檢測(cè)發(fā)現(xiàn)GSK-3α廣泛表達(dá)于這些動(dòng)物的氣道上皮細(xì)胞中。在對(duì)這些GSK-3α進(jìn)行定位時(shí)發(fā)現(xiàn)，GSK-3α廣泛表達(dá)于上述動(dòng)物肺組織中的胞漿中，在肺組織中GSK-3α分布的細(xì)胞主要為支氣管上皮細(xì)胞、以及肺泡的上皮細(xì)胞，在軟骨組織中GSK-3α的表達(dá)就要強(qiáng)于GSK-3β[11]。在培養(yǎng)的豬組織的支氣管上皮細(xì)胞中，雖然可見強(qiáng)烈的GSK-3α的表達(dá)，但卻未見GSK-3α的磷酸化。在對(duì)豬的支氣管上皮細(xì)胞進(jìn)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(dá)[12-14]。

3 GSK-3β的研究進(jìn)展

GSK-3β參與調(diào)節(jié)了細(xì)胞內(nèi)體的分布、蛋白復(fù)合體的形成、磷酸化激酶，這一系列的調(diào)節(jié)作用形成的關(guān)鍵調(diào)節(jié)點(diǎn)就是激酶被磷酸化[15]。而與GSK-3β活性調(diào)節(jié)密切相關(guān)的為上游的活化酶，特別是一些關(guān)鍵性的激酶，這其中包括P90RSK、Pka、PKB、MAPKAP以及p70S6K，上述這些關(guān)鍵性的激酶一旦被磷酸化，則可直接導(dǎo)致GSK-3β的活性被抑制[16]。在Wnt的通路中，GSK-3β起著一個(gè)類似的開關(guān)的作用，GSK-3β能夠通過對(duì)于底物的磷酸化激活與否來決定Wnt通路的開關(guān)與否。GSK-3β能夠?qū)δ承┠[瘤起到抑制作用也是因?yàn)镚SK-3β對(duì)于β-catenin的磷酸化過程起到一個(gè)促進(jìn)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(xì)胞得到抑制[17]。

4 GSK抑制劑的應(yīng)用前景

目前在GSK抑制劑的研究方面，針對(duì)GSK-3α的研究尚未見報(bào)道，臨床中基本都是針對(duì)GSK-3β的研究。在結(jié)腸癌的癌細(xì)胞系以及癌組織中GSK-3β中的表達(dá)中顯著高于正常人群。而一旦對(duì)結(jié)腸癌患者使用GSK-3β的抑制劑，可以發(fā)現(xiàn)在結(jié)腸癌的癌細(xì)胞系以及癌組織中的癌細(xì)胞的增殖受到明顯地抑制，同時(shí)出現(xiàn)明顯的細(xì)胞凋亡[18]。因而在大腸癌的治療中，GSK-3β既有可能成為一個(gè)新的靶點(diǎn)[19]。在國(guó)外某些學(xué)者的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，P53依賴的細(xì)胞凋亡能夠被GSK-3β消除，從而加快直腸癌的發(fā)生以及發(fā)展過程。在另外的與之相關(guān)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)利用非放射性酵素測(cè)定法發(fā)現(xiàn)在胃癌、肝癌、胰腺癌、結(jié)腸癌中進(jìn)行測(cè)定發(fā)現(xiàn)GSK-3β的水平均要顯著高于健康人群。在體外實(shí)驗(yàn)中則發(fā)現(xiàn)，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(zhǎng)得到促進(jìn)。在卵巢癌的相應(yīng)研究中發(fā)現(xiàn)，在卵巢癌的細(xì)胞系以及組織中GSK-3β以及β-catenin均呈現(xiàn)出異常增高。在對(duì)應(yīng)的體外實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，GSK-3β被化學(xué)藥物抑制活性之后，卵巢腫瘤細(xì)胞的存活以及增殖都受到顯著的影響。卵巢腫瘤細(xì)胞能夠在激活型的GSK-3β的誘導(dǎo)下進(jìn)入S期，與此同時(shí)cyclin D1的表達(dá)明顯增高，從而使得卵巢腫瘤細(xì)胞的異常增殖得到促進(jìn)，這樣便從側(cè)面證實(shí)卵巢腫瘤的發(fā)生發(fā)展受到了GSK-3β的高表達(dá)的影響[20]。在前列腺癌患者中使用對(duì)GSK-3β具有抑制作用的TDZD8后，會(huì)使得前列腺癌細(xì)胞的增殖被抑制，同時(shí)前列腺癌DNA的復(fù)制也被有效降低，前列腺癌細(xì)胞中大量的細(xì)胞被阻斷在S期[21]。對(duì)于低血清狀態(tài)的前列腺癌患者而言，GSK-3β能夠增加前列腺癌細(xì)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(xì)胞使其發(fā)生自噬作用而死亡。同時(shí)，相應(yīng)的研究還證實(shí)，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(jìn)癌細(xì)胞增殖的作用[22-24]。

參考文獻(xiàn)：

[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(dǎo)向下經(jīng)皮微波消融治療肺部惡性腫瘤患者的護(hù)理[J].中國(guó)實(shí)用護(hù)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(diào)控腫瘤細(xì)胞相關(guān)機(jī)制的研究進(jìn)展[J].解放軍醫(yī)學(xué)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(jiān)測(cè)與護(hù)理[J].中國(guó)醫(yī)藥導(dǎo)報(bào)，2012，09（7）：1243.

[18]劉小燕，李衛(wèi)，程靜，等.放射性粒子植入治療肺部惡性腫瘤的護(hù)理[J].西南國(guó)防醫(yī)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