糖原合成酶激酶3与白血病的研究进展

周杰 陈祥燕 韩彬 余小平

GSK-3是一种丝氨酸/苏氨酸激酶，最初是在小鼠骨骼肌细胞中发现[1]，主要作用是使糖原合成酶发生磷酸化而失活，糖原合成酶是糖原合成过程中的最后一个作用酶。GSK-3通过与PI 3K/PTEN/AKT/mTOR、Wnt/β-catenin、Notch、Ras/Raf/ERK等多个信号通路发生相互作用[2]，参与调节代谢、胚胎发育、细胞分化迁移凋亡等生理过程。在一些代谢性疾病、神经系统疾病、癌症中存在GSK-3的异常表达[3-6]。而上述这些信号通路在白血病等疾病中通常呈异常调节[7]，提示GSK-3是白血病等疾病的一个有效治疗靶点。而且，有研究表明，抑制GSK-3的表达能增加耐药细胞对一些药物和小分子抑制剂的敏感性[6-7]。

1 GSK-3 家族

GSK-3基因家族包括GSK-3 α和 GSK-3 β，GSK-3 α 蛋白分子量为 51 kDa，GSK-3 β 为 47 kDa，GSK-3 α和GSK-3 β在结构上非常相似，功能各有不同。GSK-3 α+/GSK-3 β-小鼠在胚胎发育16 d出现死亡，主要是由肝细胞凋亡导致。GSK-3 α-/GSK-3 β+小鼠出现血糖增加和脂肪减少，代谢和神经发育异常。

2 GSK-3 调节分子

GSK-3 α和 GSK-3 β在细胞中广泛表达，GSK-3 β能使40多种蛋白质发生磷酸化，包括20多种转录因子[8]。GSK-3 α和 GSK-3 β在正常细胞中保持活性状态，当在多种刺激和信号传导作用下，分别通过S 21和S 9位点磷酸化而失去活性。许多酶能引起GSK-3 β的磷酸化，例如蛋白酶A、Akt、p 90 Rsk（p 90 核糖体 S 6 蛋白激酶）、P 70 S 6K（P 70 核糖体S 6蛋白激酶）。GSK-3 α和 GSK-3 β磷酸化主要有以下方式：（1）胰岛素引起Akt激活；（2）上皮生长因子、血小板衍化生长因子以及其他生长因子引起Ras/Raf/ERK/ p 90 Rsk 1激活；（3）其他信号分子：p 90 Rsk、P 70 S 6K。除了 S 21 和 S 9 位点发生磷酸化外，研究显示Y 279和Y 216位点能自我磷酸化（antophosphorylation）[9]。凋亡刺激能引起GSK-3 β在Y 216位点磷酸化水平升高，提示GSK-3 β在细胞凋亡中起着一定作用。另有研究发现，脯氨酸富集的酪氨酸激酶（proline-rich tyrosine kinase,PYK 2）能在Y 216和Y 270位点引起GSK-3的磷酸化。细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinase,ERK）能在T 43位点引起GSK-3 β磷酸化，通过构象改变而引起GSK-3 β活性变化[8]。

3 GSK-3 对细胞增殖凋亡的调节作用

GSK-3通过改变P 70 S 6K、细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖激酶复合物（cyclin-Cdk complex）的活性，影响细胞增殖和分裂[10-11]。通过对GSK-3抑制能阻止细胞周期蛋白D 1（Cyclin D 1）和细胞周期蛋白E（Cyclin E）磷酸化，阻止它们的核输出以及降解。GSK-3能调节转录因子的活性，这使其在细胞增殖中发挥着重要作用[12]。GSK-3 β通过p 53调节生长抑制和DNA损伤诱导剂45（growth arrest and DNA damageinducible 45，GADD 45）和 GADD 153，从而抑制细胞周期进程和肿瘤基因表达。GSK-3 β还能通过c-Myc调节GADD 45和GADD 153基因以及控制CDC 25（cell division cycle 25 A）的表达，CDC 25是一种重要的细胞周期调节剂。GSK-3 β也能控制转录因子NF-kB的活性[12]，与NF-kB一起调节粘着斑激酶的表达[13]。

GSK-3 β在凋亡和抗凋亡家族成员的表达调节中发挥作用，研究表明GSK-3能调节抗凋亡因子Mcl-1(myeloid cell leukemia sequence 1)的表达，使抗凋亡因子Bcl-2（B-cell lymphoma 2）家族成员在白血病细胞中稳定表达，GSK-3 β也能通过c-Myb (myeloblastosis transcription factor)调节Bcl-2的转录。c-Myb与淋巴样增强子结合因子1（lymphoid enhancer-binding factor 1，LEF-1）连接后与 Bcl-2和BIRC 5基因的启动区结合从而阻止白血病细胞凋亡[14]，抑制GSK-3 β能使c-Myb表达下调。

4 GSK-3 在维持造血干细胞稳态中的作用

造血干细胞(hematopoietic stem cells,HSC)在一定情况下既要维持原有自我更新细胞的数量，也要定向分化出子代细胞去补给成熟血细胞的生理损耗，GSK-3在维持HSC的稳态中起着重要作用。GSK-3失活会引起HSC消耗，而mTORC 1抑制剂能阻止这种消耗，表明GSK-3失活后是通过mTORC 1激活引起HSC消耗，该研究还表明GSK-3通过Wnt/β-catenin信号通路调节HSC的自我更新，GSK-3是一个调节开关，可以通过mTORC 1和Wnt/β-catenin信号通路控制HSC的自我更新和分化[15]。

GSK-3磷酸化TSC 2抑制Rheb和mTORC 1的活性，而Wnt能抑制GSK-3对mTORC 1的抑制作用，表明经典Wnt信号通路和GSK-3激活相反的信号通路，它们的作用方式正好相反，这些通路的激活使HSC选择自我更新或者分化。在GSK-3 α和 GSK-3 β敲除小鼠模型上观察到HSC开始是增加的，接着会逐渐减少，表明GSK-3对HSC维持稳态发挥重要作用，同样PTEN和TSC 1敲除小鼠也会表现出类似现象，PTEN是GSK-3的上游分子，对Akt的表达起着负调节作用，Akt又对GSK-3的表达起着负调节作用。

Klein等[16]的研究表明，在没有外源性细胞因子存在情况下，使用mTORC 1抑制剂rapamycin阻断mTOR信号通路以及使用GSK-3抑制剂激活Wnt/β-catenin信号通路，能使人和小鼠的HSC在体外保持正常生存状态。另有体内研究发现，rapamycin和GSK-3抑制剂CHIR 99021能增加多能干细胞（long-term HSCs）数量[17]。上述研究表明，GSK-3既能抑制Wnt/β-catenin，也能抑制 mTORC 1，Wnt/β-catenin主要控制HSC的自我更新，而mTOR的激活有利于HSC的分化。有实验表明，抑制GSK-3能使小鼠的胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCs)保持其多能性，而且缺少GSK-3的ECSs即使在诱导分化培养条件下，也能维持干细胞多能性特征。

5 GSK-3 与白血病

GSK-3在白血病发生发展中发挥重要调节作用，近年来，诸多研究者把GSK-3看作治疗白血病的一个关键靶点。GSK-3能调节β-catenin的活性，β-catenin在白血病中通常表现为激活状态，β-catenin激活能增强细胞耐药和促进白血病干细胞(leukemia stem cells,LSCs)的产生[18]。然而，正常 HSC 自我稳态的维持不需要β-catenin的参与。研究发现在GSK-3 α活性丢失的AML细胞中，其形态学改变、表面标志物和基因表达变化与髓样分化吻合，表明GSK-3 α失活能诱导AML细胞的分化[19]，抑制GSK-3 α引起c-Myc及其相关基因表达下调，或许是GSK-3 α失活从而引起AML分化的机制。

GSK-3 α除了影响细胞分化外，还能抑制细胞生长增殖，诱导凋亡。GSK-3抑制剂也具有一定的抗肿瘤效应，但是也会促进某些肿瘤的生长。GSK-3还能通过与视黄酸受体（retinoic acid recepter,RAR）相互作用从而减少AML的分化[20]。RAR在急性早幼粒细胞性白血病（acute promyelocytic leukemia,APL）中因为重排受到破坏，RAR的配体全反式维甲酸（all-trans retinoic acid）的使用能增加APL的分化能力。GSK-3能使RAR发生磷酸化而失活，抑制GSK-3能提高全反式维甲酸引起的分化潜能。

血液循环中，HOX蛋白调节造血干细胞的自我更新，HOX基因突变及其上游调节基因MLL和CDX 2突变和错误表达都会导致HOX蛋白调节功能的异常，导致急性白血病中常见的造血干细胞自我更新紊乱。研究显示，CREB Ser 129位点磷酸化诱导CREB与MEISI结合，它们的结合促进HOX介导的转录，最终维持MLL白血病干细胞的转录功能，而CREB Ser 129位点正好是GSK-3的作用位点，GSK-3抑制剂作用于MLL白血病细胞会抑制其增殖功能[21]。这表明GSK-3可以通过CREB/MEISI/HOX调节白血病细胞增殖，使其成为MLL白血病的一个有效治疗靶点。GSK-3抑制剂虽然能抑制MLL白血病细胞增殖，但经典Wnt信号通路的超活化却能阻碍抑制剂对GSK-3的抑制作用，β-catenin抑制剂能增加MLL白血病干细胞对GSK-3抑制剂的敏感性，从而达到抑制细胞增殖的效应[22]。

然而，在Bcr-Abl酪氨酸激酶诱发的慢性粒细胞白血病（chronic myeloid leukemia，CML）中，GSK-3 的活性状态却对CML白血病细胞起着抑制增殖、促进凋亡的作用[23]。CML中存在大量GSK-3失活状态，内源性神经酰胺再活化GSK-3会抑制CML细胞增殖，抑制Bcl-Abl表达从而促进凋亡，这表明GSK-3活化对于CML起着抑制作用，GSK-3活化还能改善CML白血病细胞对Bcl-Abl抑制剂的耐药效应。

新近研究显示，Forkhead box O 3(FOXO 3)水平的升高有助于白血病起始细胞(leukemia-initiating cells,LICs)维持其功能和不成熟状态，Akt的表达水平和FOXO 3的水平之间存在复杂的相互作用[24]。在耐药白血病细胞（resistant leukemia cells）中，JNK/c-Jun激活水平升高与FOXO水平降低存在关联，JNK抑制剂能增强Akt的活化，使FOXO 3的损耗增加，从而诱导AML LICs的分化。该研究作者认为mTORC 1和GSK-3 β在Akt和FOXO 3之间的信号传导中起着重要作用，消除FOXO的抑制效应。在淋巴细胞性白血病（B-CLL）中，抑制GSK-3能导致NF-κB靶基因的表观遗传沉默，诱导凋亡，抑制细胞的增殖。

6 结语

综上所述，GSK-3 α和GSK-3 β是参与调节很多生化过程的重要酶。胰岛素引起的Akt激活，上皮生长因子、血小板衍化生长因子等引起的Ras/Raf/ERK/p 90 Rsk 1激活以及 p 90 Rsk、P 70 S 6K均能引起 GSK-3 α和 GSK-3 β磷酸化使其失去活性。GSK-3具有多种生物学功能，既能通过P 70 S 6K和细胞周期蛋白等影响细胞增殖和分裂，又能通过调节抗凋亡基因影响细胞凋亡。GSK-3通过与mTOR和Wnt/β-catenin信号通路的相互作用调节造血干细胞的分化和自我更新，从而维持造血干细胞数量和功能的相对恒定。GSK-3既能促进MLL白血病细胞的增殖，又能对CML白血病细胞发挥抑制作用，这可能是各类白血病发生发展所涉及优势信号通路不同造成GSK-3这种相互矛盾的作用，进一步对GSK-3的深入研究，分析其在不同类型白血病中发挥的作用有助于筛选白血病的最佳治疗方案。

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