GSK-3β信號通路在阿爾茨海默病中的作用及其生物學意義*

徐詠，王浩，張繼國

(1.泰安市中心醫院靜脈用藥調配中心，泰安 271000；2.山東第一醫科大學藥學院，泰安 271016)

糖原合成酶激酶-3β(glycogen synthase kinase-3β，GSK-3β)為絲氨酸/蘇氨酸激酶，因磷酸化糖原合成酶而得名[1]。GSK-3β發揮生物學作用主要通過磷酸化調節、細胞內定位調節及結合蛋白的調節3種方式，其作用底物多達50多種，主要包括各種結構蛋白、調控代謝蛋白酶類以及轉錄因子，最常見的有微管相關蛋白Tau、β-連環蛋白(β-catenin)和環磷酸腺苷(cyclic adenosine monophosphate，cAMP)等[2]。GSK-3β的活性也受磷酸化調控，其氨基端的絲氨酸位點(Ser9)磷酸化后其活性受抑，蛋白激酶C(PKC)、蛋白激酶A(PKA)可磷酸化此位點抑制其活性；而酪氨酸位點(Thr216)磷酸化后可增強其活性[3]。中樞神經系統富集GSK-3β，其通過磷酸化代謝酶、信號蛋白、結構蛋白和轉錄因子參與各種神經元功能，與多種中樞神經系統疾病相關，如阿爾茨海默病(Alzheimer’s disease，AD)[4]。研究發現，GSK-3β可通過調控多條信號轉導通路，參與與AD發生發展密切相關的β-淀粉樣蛋白(amyloid protein β，Aβ)的生成、Tau 蛋白的磷酸化、神經元細胞的凋亡及炎癥反應等病理過程，本文對此進行綜述。

1 GSK-3β與AD

AD是癡呆的常見類型，隨著人口老齡化，發病率逐年升高，越來越受到人們的關注。AD典型的神經病理學改變是：Aβ在腦內的沉積所形成的老年斑(senile plaques，SPs)，Tau蛋白的過度磷酸化形成的神經原纖維纏結(neurofibrillary tangles，NFTs)，神經元凋亡以及一系列的炎癥反應。早在1997年研究發現，AD患者大腦中GSK-3β高表達，說明GSK-3β可能參與了AD的發病過程，其后人們對GSK-3β在AD中的作用及機制展開了深入的研究[5]。在動物及細胞實驗中觀察到了與AD患者相同的結果，也證實GSK-3β 的異常激活可以引起 Aβ生成增多、 tau 蛋白的過度磷酸化、誘導凋亡及參與炎癥反應等，而其上述作用的發揮與其調控多條信號通路有關[6-8]。

2 GSK-3β通過調控信號通路參與AD

2.1PI3K/AKT/GSK-3β信號通路 PI3K/AKT/GSK-3β 由磷脂酰肌醇3-激酶(phoshoinositide 3-kinase，PI3K)、蛋白激酶B(protein kinase B，PKB，AKT)，GSK-3β三個信號分子組成。正常情況下，活化的PI3K會在細胞膜產生3，4，5-三磷酸磷脂酰肌醇(phosphatidylinositol 3，4，5-trisphosphate，PIP3)，即第二信使。PIP3與含有PH結構域(pleckstrin homology domain)的AKT相互作用，使AKT在磷酸肌醇依賴性激酶(phosphoinositi dedependent kinase，PDK)的作用下發生Ser308位點的磷酸化，進而活化AKT。GSK-3β可與活化的AKT結合，誘導GSK-3β向細胞膜轉位，及GSK-3β氨基端的Ser9位點發生磷酸化，使之失活。

GSK-3β與活化的AKT結合后失活，進而影響GSK-3β下游底物如核因子κB(nuclear factor κB，NF-κB)、胰島素受體的表達。有研究證明GSK-3β通過PI3K/AKT通路的失活調節Tau蛋白和Aβ 的生成[9]。PLASCHKE等[10]研究證實，AD病理改變與腦組織內胰島素表達水平異常、胰島素信號轉導通路異常有關，而胰島素信號通路異常與胰島素抵抗導致的PI3K蛋白活性下降、GSK-3β蛋白活性增高密切相關[11]。

2.2Wnt信號通路 Wnt信號途徑是由Wnt特異性跨膜受體卷曲蛋白(frrizled，Frz)、蓬亂蛋白(dishevelled，DSH)、 GSK-3β、軸蛋白(Axin)、大腸腺瘤樣息肉基因(APC)、β-連環蛋白(β-catenin)、T細胞因子/淋巴樣增強因子(Tc/fLef)及其他一些基因的表達產物共同構成[12]。β-catenin在Wnt信號通路活動完成過程中起關鍵作用，Wnt可與其膜受體的 Frz胞外N端具有富含半胱氨酸的結構域(cysteine rich domain，CRD)結合，這一作用可抑制DSH對β-catenin的降解，從而使β-catenin在細胞質中積累，而β-catenin可進入細胞核影響轉錄因子TCF/LEF，進而調節靶基因的表達。GSK-3β在β-catenin的降解中起關鍵作用，GSK-3β是DSH的下游分子，DSH激活可抑制GSK-3β的活化，而GSK-3β的失活可抑制β-catenin的磷酸化，保留其活性，因此GSK-3β是Wnt信號通路的重要分子。

SCALI等[13]在體外大鼠皮質神經元中的研究發現，抑制Wnt/β-catenin信號轉導途徑，可增加GSK-3β的活性，從而降低β-catenin的水平，并通過下調Bcl-2和上調Bax的表達促進細胞的凋亡。GSK-3β是Wnt信號通路的一個重要負調控因子，用鋰抑制GSK-3β活性后，β-catenin的水平會增高激活Wnt信號通路來保護大鼠的海馬神經元免受Aβ引起的損傷[14]；而且用鋰處理后可以預防Tau蛋白過度磷酸化和纖維纏結的形成[15]。

2.3BDNF信號通路 在哺乳動物腦中神經營養因子(brain-derived neurotropic factor，BDNF)表達最高的是海馬，海馬是大腦中與空間學習和記憶相關的結構[16]。BDNF的表達受環磷酸腺苷反應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)的調控。有研究證明，激活GSK-3β能夠導致CREB靶向基因表達的下調(如BDNF)，而抑制GSK-3β能夠改善認知功能受損[17]。由上述研究可知GSK-3β可能會通過影響CREB進而影響BDNF參與AD的發生與發展。

3 GSK-3β信號通路參與AD的發生發展

3.1GSK-3β信號通路調控Aβ的生成 Aβ級聯假說認為Aβ是AD發病的關鍵分子，GSK-3β的活性增加可以促進Aβ的形成和異常聚集，而異常聚集的Aβ反過來也可以通過增加GSK-3β的活性，引起N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDA)的興奮毒性明顯增強，進而加劇AD的病理發生、發展[18]。

Aβ由β-淀粉樣蛋白前體蛋白(β-amyloid precursor protein，APP)水解而來，APP水解包括非淀粉樣蛋白水解途徑和淀粉樣蛋白水解途徑，其分解的關鍵酶分別為α，β和γ分泌酶。GSK-3β對APP及其分解過程的關鍵酶均具有調控作用。APP是GSK-3β的底物，其分解代謝受GSK-3β的調控，GSK-3β可使其分解更傾向于淀粉樣蛋白水解途徑，最終大量生成Aβ[19]。研究發現，GSK-3β還可以調控APP的表達水平，如GSK-3β與一種新的肽脯氨酰異構酶Pin1(protein interaction with NIMA1)結合并相互作用，抑制其生物活性后，可降低APP的表達水平[20]。在非淀粉樣蛋白水解途徑中，APP被α和γ分泌酶依次水解。GSK-3β可通過抑制金屬蛋白酶(ADAM)的活性來下調α分泌酶復合物的活性，抑制APP的非淀粉樣蛋白水解[21]。在淀粉樣蛋白生成途徑中，APP首先被β分泌酶切割，隨后在γ分泌酶的作用下釋放出Aβ40或Aβ42。β分泌酶是一種天冬氨酸酰蛋白酶，又名BACE1(β-site APP cleaving enzyme 1)，其活性位點位于膜的內側。抑制GSK-3β可通過NF-κB信號傳導機制減少BACE1介導的APP剪切。Ly及其同事的研究結果表明抑制GSK-3β的活性可有效降低BACE1介導的APP蛋白的淀粉樣蛋白水解途徑作用，從而減少Aβ的生成、沉積以及神經炎性斑塊的數量，最終可以增強轉基因小鼠的學習和記憶能力[22]。γ分泌酶復合物由APH1(前咽缺陷蛋白-1)、PEN2(早老蛋白增強子-2)及Nicastrin(NCT)外，Presenilin蛋白(PS1和PS2)是催化的核心組成成分，而PS1是GSK-3β的底物，GSK-3β可通過PS1調控γ分泌酶的活性，從而促進Aβ的生成過程[23]。

3.2GSK-3β參與Tau蛋白的磷酸化 NFTs是AD的另一個病理學特征，由過度磷酸化的Tau蛋白形成。正常生理狀態下，Tau蛋白在蛋白激酶和蛋白磷酸化酶的共同調解下，處于磷酸化水平的動態平衡狀態，從而維持正常的生理功能。在病理狀態下，Tau蛋白的動態平衡被打破，導致Tau過度磷酸化，Tau過度磷酸化導致其從微管分離，聚合形成雙螺旋纖維(paried helical filaments，PHF)最終形成NFTs。目前為止，已知的功能相關的磷酸化位點有絲氨酸和蘇氨酸，這些位點的磷酸化與去磷酸化在AD中扮演了重要的角色。作為Tau蛋白高度磷酸化的上游信號分子，GSK-3β被認為是AD發生過程中Tau高度磷酸化的關鍵激酶[24]，它可催化Tau蛋白上多個絲氨酸或蘇氨酸位點的磷酸化[25]。研究發現在AD轉基因小鼠實驗中，在腦組織的NFTs中可以檢測出較高的GSK-3β蛋白表達[26]。另有研究發現，Ⅰ型鈣蛋白酶(Calpain Ⅰ)可以水解GSK-3β的C末端結構，導致GSK-3β的活性增強，從而引起Tau的過度磷酸化和AD的發生[27]。

3.3GSK-3β與凋亡 細胞凋亡是AD腦內神經元的重要病理改變，有研究發現AD患者腦組織內存在較多TUNEL染色陽性的凋亡神經細胞，且主要為神經元細胞。GSK-3β可通過Wnt信號通路而調控神經細胞凋亡[28]。PI3K/AKT信號通路是細胞存活的重要通路之一，其中AKT/PKB、環磷酸腺苷反應元件結合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)、NF-κB等是 PI3K/AKT信號通路中的重要分子，它們通過調節凋亡相關蛋白，如Bcl-2，Bax等因子的表達水平，實現對細胞生存的調節，其中磷酸化的AKT通過促進絲氨酸/蘇氨酸殘基底物磷酸化而發揮抗凋亡的作用。GSK-3β是PI3K/AKT信號通路的下游分子，通過Bcl-2家族抗凋亡蛋白Mcl-1(myeloid cell leukemia-1)磷酸化來誘導凋亡[29]。GSK-3β可以抑制促存活轉錄因子如熱休克因子(heat shock factor 1，HSF1)、熱休克蛋白70(heat shock protein，HSP70)、CREB及Bax凋亡基因，最后引起細胞凋亡[30]。由此可見，GSK-3β定在凋亡的信號轉導途徑中起著不可或缺的作用。

3.4GSK-3β與炎癥 小膠質細胞激活所誘導的炎癥反應是各種慢性中樞神經退行性疾病的發病機制之一。許多體內外研究發現GSK-3β通過作用NF-κB，CREB等下游底物來調節部分炎癥介質的生成，如白細胞介素-6(IL-6)，IL-1β和腫瘤壞死因子(TNF-α)[31]。同時GSK-3β還能降低抗炎細胞因子IL-10的產生。而GSK-3β抑制劑可以顯著抑制小膠質細胞增殖、遷移，發揮神經保護作用[32]。

4 GSK-3β抑制劑與AD

GSK-3β通過多條信號通路參與AD的發生與發展，因此將GSK-3β作為靶點來防治AD的研究越來越多，尤其是對GSK-3β抑制劑的研究。目前，已知的GSK-3β抑制劑主要有：靛玉紅、鋰、TDZD-8、SB415286、AR-A014418、L803-mts等。在APP轉基因小鼠給予靛玉紅和AR-A014418后，水迷宮實驗表明二者可明顯緩解APP轉基因AD小鼠的記憶障礙，并且下調Tau蛋白的磷酸化[33]。而AD小鼠給與L803-mts和鋰也得到了同樣的結果[34-35]。氯化鋰作為GSK-3β的抑制劑可以抑制IL-1β和TNF-α的釋放，減輕炎癥反應而保護AD[36]。細胞實驗發現，迷迭香酸及其衍生物可通過作于 Akt/GSK-3β/Fyn通路減輕Aβ誘導的細胞氧化應激損傷[37-38]。

綜上所述，GSK-3β通過多條信號通路調控Aβ的生成、Tau的磷酸化、細胞凋亡及炎癥等而參與AD的病理學過程，而GSK-3β抑制劑能夠逆轉AD轉基因動物的認知及病理變化，說明GSK-3β在AD發生發展中起著關鍵性的作用，因此以GSK-3β為靶點開發防治AD的藥物具有重要的臨床意義。