糖原合成酶激酶3在阿尔茨海默病发病机制中的作用

盛建华 李春波

糖原合成酶激酶3在阿尔茨海默病发病机制中的作用

盛建华 李春波

大量研究报告显示，糖原合成酶激酶-3（glycogen synthase kinase 3，GSK3）在阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）发病机制中起着重要的作用。AD患者存在GSK3活性的增强和水平的提高。细胞培养、无脊椎动物和哺乳类动物模型研究发现，GSK3活性增强导致tau的过度磷酸化、Aβ产生的增加、学习和记忆能力的缺损，同时伴有神经退行性变。GSK3抑制剂能防止AD转基因动物tau的过度磷酸化，使得GSK3抑制剂有望用于预防和治疗AD。

糖原合成酶激酶3 阿尔茨海默病 tau蛋白质类 β-淀粉样蛋白

阿尔茨海默病（Alzheimer's disease，AD）是神经系统退行性疾病，临床上以进行性记忆障碍和后天获得的知识丧失，直至最后丧失生活能力为特征，其主要病理改变为胞内神经纤维缠结和胞外与活化的小胶质细胞相关的β淀粉样蛋白（beta amyloid protein，Aβ）沉积形成的老年斑。神经纤维缠结由胞内异常过度磷酸化的tau蛋白形成，而Aβ是淀粉样蛋白前体（β-amyloid precursor protein，APP）在一些裂解酶的作用下裂解产生的胞外片断［1］。已有大量研究发现，糖原合成酶激酶3（glycogen synthase kinase 3，GSK3）在AD的发病中起着至关重要的作用，GSK3与学习和记忆能力的损害、过度磷酸化tau蛋白、增加APP裂解成Aβ、大脑局部的炎症反应等有关。本文回顾了GSK3在AD发病机制中的作用。检索策略与选择标准：主题词为GSK3和AD，检索近20年Pubmed上收录的论文。

1 GSK3与细胞信号通路

GSK3包含2个同工异构体，糖原合成酶激酶3α（GSK3α，19号染色体编码）和糖原合成酶激酶3β（GSK3β，3号染色体编码），是两个不同基因的表达产物，但两者氨基酸序列有85%的相似性，特别是催化区域的相同程序高达98%，二者主要区别是GSK3α有个富含甘氨酸的N末端［2］。研究发现磷酸化GSK3α的第21位丝氨酸和GSK3β的第9位丝氨酸可以抑制GSK3α和GSK3β的活性［3］。近年来报道GSK3β上游存在多种丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶可以催化GSK3β的第9位丝氨酸磷酸化，如P70S6激酶、P90Rsk、Akt/蛋白激酶B、蛋白激酶C的某些亚型、蛋白激酶A等。这种磷酸化抑制又可被蛋白磷酸酯酶2A去磷酸化而恢复活性。

GSK3是一种广泛分布的、结构活性的、比咯氨酸导向的丝氨酸/苏氨酸类激酶，参与多种细胞加工过程，包括葡萄糖代谢、基因转录、细胞凋亡、微管的稳定性等。对老鼠动物模型的研究发现，GSK3同工酶具有组织相关特异性生理功能，GSK3β基因敲除鼠在胚胎时期即死亡，而GSK3α基因敲除鼠表现为糖耐量的增加、肝糖原储存增加和胰岛素敏感［4］。

至少有两条细胞信号通路调节GSK3的活性，为胰岛素和Wnt信号通路，两者都对GSK3的活性产生负调节。①GSK3的磷酯酰肌醇3-激酶（phosphatidylinositol 3-kinase，PI3-K）信号通路：胰岛素作用于靶细胞，激活下游的PI3-K，PI3-K活化Akt/蛋白激酶B，后者磷酸化GSK3α的第21位丝氨酸和GSK3β的第9位丝氨酸，从而抑制GSK3的活性［5］。②GSK3是Wnt信号通路中的关键环节：Wnt信号通路最终导致由T细胞因子/淋巴增强因子（TCF/LEF）家族引起的基因转录。在细胞水平，Wnt调节细胞增殖、细胞形态、运动和凋亡。当没有上游的Wnt信号时，活化的GSK3与β-连环蛋白、APC（adenomatous polyposis coli，APC）蛋白形成一个复杂的多蛋白复合物，从而降解β-连环蛋白。当细胞接收到Wnt信号后，GSK3即失活，β-连环蛋白去磷酸化从而不被降解。去磷酸化的β-连环蛋白在胞质中聚集并被运输到细胞核内，从而引起TCF/LEF调控的下游蛋白转录表达［6］。

2 GSK3与AD

大量研究证实，GSK3在AD发病中起着关键性的作用。无论家族性还是散发性的AD，GSK3与疾病的标志性病理变化密切相关，GSK3直接参与了Tau蛋白的过度磷酸化、记忆损害、Aβ过量产生和炎性反应。GSK3还减少了乙酰胆碱的合成，与AD患者的胆碱能缺陷相一致。而且，GSK3是一个调节细胞凋亡的关键因子，因此可能直接导致了AD患者的神经元的丢失。

一些研究发现GSK3存在于营养不良的轴突和神经纤维缠结中，活化的GSK3存在于纤维发生缠结前的神经细胞中。Leroy等［7］通过免疫印迹法，测得AD额叶皮质的GSK3的213位点酪氨酸被磷酸化，表明GSK3活性增加。Blalock等［8］报道AD患者海马区GSK3表达上调，Pei等［2］报道AD大脑的突触小体上清液中GSK3水平增加但未发现活性增强。Hye等［9］报道，在AD和轻度认知功能损害（mild cognitive impairment，MCI）患者的外周淋巴细胞中，GSK3表达上调。Forlenza等［10］报道，在AD及MCI患者的血小板中，丝氨酸-9磷酸化的GSK3β量减少，与GSK3β总量的比值降低，说明GSK3β活性增强。Mateo等［11］提出，GSK3启动子的多态性是晚发AD的危险因素，与GSK3的表达改变有关。上述报道提示，AD中存在GSK3的表达增高和活性增强。

遗传和流行病学研究发现，在AD中，可通过改变上游Wnt信号和胰岛素信号通路的中间产物去除对GSK3活性的抑制。低密度脂蛋白相关受体（LRP6）是一个Wnt信号的共受体，目前被认为是ApoE4阴性的晚发AD患者的危险基因，提示混乱的Wnt信号在AD的病理中起了作用。另外，Biessels等［12］报道AD与糖尿病和胰岛素抵抗有关，有两篇报道发现胰岛素信号的一些基因位于AD的易感位点。

3 GSK3和记忆［13］

抑制Wnt或PI3-K信号可损害长时程增强，强烈提示GSK3与学习和记忆有关。GSK3为Wnt和PI3-K信号通路负调节，抑制野生型鼠的GSK3β可诱导长时程增强，提示GSK3β可能调节Wnt或PI3-K信号通路对于长时程增强的作用。相一致的报道有，过度表达GSK3β的老鼠可阻住诱导长时程增强并引起空间学习能力的损害。GSK3β抑制剂可阻断长时程抑制，而在长时程抑制期间GSK3β的活性是增高的。因此，可以认为GSK3β在记忆的形成过程中起着关键的作用。

许多GSK3下游底物与突触重塑有关，而突触重塑是记忆形成中建立适当联系的关键过程。GSK3可促进肌动蛋白和微管蛋白的装配，这一过程是记忆形成过程中突触重组所需要的。可以推断，在AD，GSK3活性增强，抑制长时程增强同时伴有神经元的丢失，造成记忆损害并促进疾病的发展。

4 GSK3和tau的磷酸化

无论tau是否被预磷酸化，在神经退行性变的活体外和细胞培养模型中，都能被GSK3α和GSK3β过度磷酸化，提示GSK3是在活体中形成神经纤维缠结的重要激酶。GSK-3β能在大多数AD相关位点磷酸化tau蛋白，Liu等［14］报道GSK-3β可磷酸化tau（441）的Thr-181、Ser-199、Ser-202、Thr-205、Thr-212、Ser-214、Thr-217、Thr-231、Ser-396、Ser-404等位点。双基因突变过度表达tau和GSK3的果蝇表现出神经元的损伤和tau的病理变化。敲除了tau基因的GSK3过度表达鼠，其GSK3诱导的海马退行性变和学习能力受损减轻，提示GSK3的毒性作用减少［15］。

胰岛素短暂增加人神经母细胞瘤细胞中的tau磷酸化，但接着表现为tau磷酸化降低，与GSK3的活化和随后的抑制相联系。Dickkopf（一种Wnt信号的负调节因子）可通过激活GSK3而促进tau磷酸化和神经退行性变，而Dickkopf在AD中是上调的［16］。突变早老蛋白1（presenilin-1，PS-1）与GSK3β和tau结合在一起，与家族性AD有关的PS-1与GSK3β结合后可有效增加tau的磷酸化。PS-1可通过PI3-K/Akt信号使GSK3失活而阻止tau磷酸化和细胞凋亡。有趣的是，家族性AD的突变PS-1可抑制PS-1依赖的PI3-K/ Akt信号，促进GSK3活性并导致tau过度磷酸化。这是一个潜在的发病机制，即家族性AD突变通过继发的GSK3活性增强加速疾病的进展。

5 GSK3与Aβ的产生［17］

GSK3α而非GSK3β，可以调节APP的裂解，增加Aβ的产生。将神经元暴露于Aβ，可以通过抑制PI3-K信号而增加GSK3β的活性。在此情况下，尽管GSK3β活性增强不是疾病的始发因素，但无论是家族性AD还是散发性AD，增加GSK3活性可增加Aβ的产生、Tau的过度磷酸化和神经元的退行性变化。胰岛素信号可能通过抑制GSK3β活性对APP以及淀粉样蛋白的加工产生有益的影响。胰岛素增加Aβ蛋白酶、胰岛素降解酶的表达和增加α分泌酶的分泌，导致α分泌酶裂解APP而不产生淀粉样蛋白病变。

6 GSK3与炎症反应

目前认为，炎症反应也是AD的发病机制之一。在AD病人，老年斑周围聚集着小胶质细胞，大脑中炎症调节因子也增加。在外周，调节GSK3活性在炎症细胞的分化、炎症细胞的迁移和分泌前炎症细胞的活化中起着关键性的作用。但是，在以小胶质细胞为主要调节的大脑炎症反应中，人们对GSK3的功能还知之甚少。有人推测，在AD脑中，GSK3调节紊乱，可能影响到大脑炎症反应，导致小胶质细胞分泌的神经毒性炎症调节因子增加，从而使周边神经元受损，加速神经退行性变的过程。但也有人提出，小胶质细胞分泌的炎症调节因子如TNF-α、TL-6和IL-1β，通过信号级联放大激活GSK3β、cdk、5ab1激酶，灭活磷酸酶类PP1，导致tau蛋白的过度磷酸化和聚集［18］。

7 GSK3与神经元的凋亡［19］

在AD尸检中观察到凋亡通路产生的激活和分离蛋白，说明AD神经元的死亡与凋亡机制有一定的关联，但具体机制尚不清楚。GSK3有促进神经元凋亡的作用。一些外界刺激，如Aβ、热休克等可以通过增加GSK3的活性引起细胞凋亡。而GSK3的抑制剂SB-216763以及FART-1（细胞内生型的天然GSK3抑制剂）可以保护由抑制细胞存活因子PI3激酶诱导的细胞死亡。虽然GSK3促进细胞凋亡的机制尚不清楚，但GSK3可能是凋亡前蛋白caspase-3的上游。GSK3还可以通过磷酸化减少转录因子CPEB与DNA结合，从而抑制其转录活性，而转录因子CPEB在长期记忆的形成、细胞凋亡以及突触重塑方面起着重要的作用。可以推测，GSK3活性的异常升高诱导的神经元凋亡、神经突触可塑性损伤等均可能与AD的部分病理机制相关。

8 GSK3抑制剂与AD

鉴于GSK3在AD的发病机制中起着重要的作用，目前认为GSK3抑制剂可能是一种极有前景的治疗AD的途径［20］。GSK3抑制剂锂盐在这方面已有较多的报道。Engel等［21］报道，对FTDP-17tau和GSK3β过度表达的老鼠予以锂盐治疗，能阻住tau蛋白过度磷酸化和神经纤维缠结的形成，但不能逆转已形成的神经纤维缠结。Mendes等［22］报道，锂盐能降低老鼠丘脑神经元GSK3β的mRNA水平。一些研究表明锂离子能通过抑制GSK3的活性来干扰APP的γ裂解进而有效阻止Aβ的积累，GSK3α和GSK3β都会受到锂的抑制。除了锂盐以为，最近还研制了一些新的抑制剂。Sereno等［23］报道，NP12（thiadiazolidinones，TDZD）作为一种非ATP竞争的GSK3β抑制剂，治疗过度表达APP和tau的转基因鼠，可以降低tau的磷酸化水平，减少Aβ的积累和老年斑相关的星形细胞增殖，保护内嗅区皮质和海马CA1区神经元的死亡，防止记忆缺损。TDZD并未显示出对其他蛋白激酶PKA、PKC、CK2及CDK等的抑制作用，避免了GSK3抑制剂可能致癌变的不良反应，使其成为最有开发前景的治疗AD的新药之一。

9 小结

现在已有大量证据证实了GSK3在AD发病机制中的作用，细胞生理、流行病学研究、遗传研究均提示AD患者存在GSK3活性的增强或蛋白水平的提高。可能的假设是：各种因素直接或间接改变胰岛素信号通路、Wnt信号通路或其他通路，从而调节对GSK3丝氨酸和络氨酸位点的磷酸化，最后使GSK3活性得以增强。

AD的细胞培养、无脊椎动物和哺乳类动物模型研究发现，GSK3活性增强导致tau的过度磷酸化、Aβ产生的增加、学习和记忆能力的缺损，同时伴有神经退行性变。更为重要的是GSK3抑制剂能逆转AD转基因动物（过度表达APP和tau的基因突变）的病理变化，使得GSK3抑制剂成为治疗AD的一个极有希望的新途径，这也是目前GSK3在AD中的作用成为研究热点的原因所在。

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Role of glycogen synthase kinase-3 in the pathogenesis of Alzheimer's disease

Jian Hua SHENG*，Chun Bo LI
Shanghai Mental Health Center，Shanghai Jiao Tong Univerisity School of Medicine，Shanghai 200030，China
*Correspondence：sjh-lyl@263.net

Multiple reports suggest that glycogen synthase kinase-3(GSK3)plays an important role in the pathogenesis of Alzheimer's disease(AD).The level and enzymatic activity of GSK3 is elevated in AD.Cell culture studies and animal model studies with both invertebrates and mammals find that over-activity of GSK3 causes hyper-phosphorylation of the tau protein，increased production of β-amyloid，learning and memory impairments，and associated neurodegeneration.GSK-3β inhibitors prevent tau hyper-phosphorylation in AD transgenic animals so they are of potential use in the prevention and treatment of AD.

Glycogen synthase kinase-3;Alzheimer's disease;tau Proteins;Beta amyloid protein

10.3969/j.issn.1002-0829.2011.04.008

上海交通大学医学院附属精神卫生中心200030。通信作者：盛建华，电子信箱sjh-lyl@263.net