糖原合成激酶- 3β减轻心肌缺血/再灌注损伤的研究进展

李 青，江 华，李菊香

(南昌大学 第二附属医院 心内科， 江西 南昌 330006)



短篇综述

糖原合成激酶- 3β减轻心肌缺血/再灌注损伤的研究进展

李 青，江 华，李菊香*

(南昌大学 第二附属医院 心内科， 江西 南昌 330006)

糖原合成激酶- 3β(GSK- 3β)是一种多功能丝氨酸/苏氨酸激酶，参与调节多种细胞过程。心肌缺血再灌注时，线粒体通透性转换孔(mPTP)开放导致细胞坏死。磷酸化的GSK3- β可通过多种机制抑制mPTP开放，包括储存mPTP复合体中的己糖激酶Ⅱ，阻断亲环素-D与腺苷酸转移酶间的联系，抑制P53的激活和减少ATP的降解等，起着保护心脏的作用。

糖原合成激酶- 3β；线粒体通透性转换孔；信号传导；再灌注损伤

糖原合成激酶- 3β(glycogen synthase kinase- 3β, GSK- 3β)最初发现是因为其抑制糖原合成的作用。心肌缺血/再灌注时，多个信号通路可介导GSK- 3β磷酸化，是线粒体通透性转换孔(mitochondrial permeability transition pore，mPTP)开放的决定性因素[1]。而mPTP不可逆的开放使线粒体功能受损，是缺血/再灌注导致细胞坏死的基本机制之一[2]。本文就GSK- 3β在心肌缺血/再灌注损伤中的保护效应作一综述。

1 心肌缺血/再灌注损伤

心肌组织缺血后再灌注是细胞存活的必要因素，再灌注致氧化应激增加，使mPTP发生氧化性损伤而开放，产生再灌注损伤。不可逆的mPTP开放使线粒体膜电位消失，ATP生成受损。腺嘌呤核苷酸转移酶(adenine nucleotide translocase，ANT)、亲环素D(cyclophilin-D，CyP- D)和无机磷酸(inorganic phosphate，Pi)是mPTP的主要活性成分。CyP- D与ANT结合可增加mPTP对Ca2+的敏感性，促进mPTP开放[3- 4]。

缺血/再灌注促使mPTP开放的因素有：Pi水平升高、线粒体Ca2+超载、产生活性氧(reactive oxygen species，ROS)及CyP- D与ANT的结合。再灌注导致细胞线粒体及线粒体周围ROS增加，触发mPTP开放，大量ROS释放且线粒体膜电位(mitochondrial membrane potential, ΔΨm)迅速消失，即ROS诱导的ROS释放(ROS induced ROS release，RIRR)。心肌细胞再灌注损伤与RIRR密切相关，与Ca2+相比，ROS在心肌细胞中触发mPTP开放更重要[5]。RIRR导致的线粒体去极化可传播至相邻心肌细胞，导致心脏兴奋性变化，发生致命性心律失常[6]。缺氧/复氧后存活的心肌细胞与受mPTP开放效应影响的线粒体数量呈负相关。再灌注前，梗死相关动脉行血管成形术时进行反复短暂的扩张/收缩，可有效减少梗死范围[7]。胰高血糖素样肽- 1(Glucagon-like peptide- 1，GLP- 1)可阻止mPTP开放，拮抗缺血再灌注损伤，起到心脏保护作用[8]。

2 GSK- 3β的结构特点及其调控因素

GSK- 3β作为多功能丝氨酸/苏氨酸激酶，存在于细胞质、线粒体和细胞系中，参与调节多种细胞过程，如胚胎发育、凋亡、细胞分化、细胞增殖和细胞迁移等[9]。与多数激酶不同，GSK- 3β处于持续活化状态，通过磷酸化活化环调控其活性。GSK- 3β氨基末端Ser9位点磷酸化形成假底物，可抑制GSK- 3β与其他底物结合，即GSK- 3β的自我抑制。多数信号通路通过磷酸化GSK- 3βSer9位点调控其活性，如cAMP、PKB、PKC、ERK和MAPK等通路。Wnt通路抑制GSK- 3β活性与GSK- 3β中Ser9的磷酸化无关，激活Wnt通路并不能使其磷酸化。Wnt激活后，GSK3转移至质膜使LRP5/6受体磷酸化，与β-catenin降解复合物结合，从而抑制GSK3活性[10- 11]。而GSK- 3β中Tyr216位点的磷酸化可使其活性增加近5倍。

3 GSK- 3β与缺血/再灌注损伤

再灌注损伤的心肌细胞可激活多种信号通路。缺血预适应/后适应可通过腺苷、缓激肽、阿片类药物、去甲肾上腺素、血管紧张素、乙酰胆碱和促红细胞生成素等激活细胞表面受体，如腺苷-A1受体、Gi-耦联受体和缓激肽-B2受体等，经PKA、PKB、PKC、PKG、PI3K、p70S6K和ERK1/2介导心脏保护作用[12- 13]。而GSK- 3β在多条通路下游调控mPTP开放，在心脏保护中起枢纽作用。

3.1 GSK- 3β与心肌保护作用

GSK- 3β主要存在于心肌细胞胞质中，呈持续活化状态。Akt、PKC、PKA和ERK等多种激酶均可致GSK- 3β中Ser9位点磷酸化，使GSK- 3β失活，提高mPTP开放的ROS阈值。GSK- 3β抑制剂或siRNA干扰心肌细胞GSK- 3β表达时， 促使mPTP开放的ROS阈值增高。GSK- 3β失活可有效抑制ROS及Ca2+超载引起的mPTP开放。无论是在缺血前还是再灌注前给予GSK- 3β抑制剂(SB216763，SB415286)均可减少梗死面积[14]。缺血预适应、缺血后适应，以及多种可减少梗死面积的药物，如阿片类受体激动剂、红细胞生成素和腺苷A2b受体激动剂等，均可在再灌注时致GSK- 3β磷酸化，说明磷酸化的GSK- 3β水平是保护心肌减少再灌注损伤的关键因素。

缺血/再灌注诱导胞质中的GSK- 3β转移至线粒体与ANT-VDAC复合体结合。红细胞生成素受体激活后致GSK- 3β磷酸化，磷酸化的GSK- 3β与线粒体内膜中的ANT结合。而线粒体中磷酸化的GSK- 3β与总GSK- 3β的比例与Ca2+引起的mPTP开放密切相关。说明线粒体中的磷酸化GSK- 3β在mPTP开放和心脏保护效应中起主要作用。在GSK- 3β敲除的小鼠中，即使缺血预适应及缺血后适应也不产生心肌的保护作用，而给予GSK- 3β抑制剂SB216763抑制GSK- 3β的作用，使小鼠的梗死面积增加。表明GSK- 3β在心肌缺血损伤中起保护作用。

3.2 磷酸化GSK- 3β抑制mPTP的开放

mPTP是主要由电压依赖性阴离子通道(voltage-dependent anion channel,VDAC)、ANT及CyP- D组成的蛋白复合体。磷酸化的GSK- 3β主要介导VDAC、ANT、CyP- D及Bcl- 2家族，抑制mPTP的开放[15]。其可能机制有：1)抑制GSK- 3β介导的VDAC磷酸化，保存mPTP复合体中的己糖激酶Ⅱ(hexokinase Ⅱ，HK-Ⅱ)。HK-Ⅱ是mPTP的稳定剂。2)磷酸化GSK- 3β与ANT结合可能阻断ANT与CypD之间的联系。CypD是mPTP开放的另一触发因素。有研究显示缺血预适应及红细胞生成素受体激活后，磷酸化GSK- 3β是与ANT结合而不是VDAC，致ANT-CypD的结合降低60%[16]。3)磷酸化的GSK- 3β可能抑制P53介导的mPTP开放。GSK- 3β磷酸化P53使P53活性增加，增加GSK- 3β向线粒体转移[17]。4)磷酸化GSK- 3β可减少VDAC磷酸化，从而抑制ATP向线粒体基质的转运。ATP消耗及Pi的积累促进mPTP的开放，再灌注之前抑制ATP水解可抑制mPTP的开放。5)磷酸化GSK- 3β增加Bcl- 2/BAX比例，使线粒体中Bcl- 2与VDAC结合增加抑制VDAC活性，提高致mPTP开放的ROS的阈值。其中，抑制GSK- 3β介导的VADC磷酸化，可直接或间接作用于线粒体膜外蛋白结合从而影响线粒体功能，这可能是磷酸化GSK- 3β介导心脏保护作用的主要机制[15]。

3.3 缺血性心脏病中GSK- 3β的磷酸化

早期关于mPTP调控及心脏保护效应的研究对象是正常动物，结果可能不适用于病理状态。正常情况下，缺血预适应、阿片类受体激动剂及红细胞生成素可经PI3K和PKC介导GSK- 3β的磷酸化。而存在糖尿病及梗死后心室重构时，这些信号通路出现异常。在2型糖尿病动物模型中，缺血预适应及红细胞生成素未能激活PI3K-AKT及ERK通路[18- 19]。发生了梗死后心室重构的心脏PI3K-AKT、PKC通路亦不能被缺血预适应激活。不仅GSK- 3β的上游通路异常，其余调控mPTP开放的机制亦发生变化。与无糖尿病大鼠相比，OLETF大鼠心肌细胞线粒体中总GSK- 3β显著增加，Ser9位点磷酸化百分比降低。提示糖尿病患者心肌细胞线粒体中GSK- 3β活性增加。心肌肥大模型中，mPTP开放的阈值降低，增加了心肌坏死的可能性。这些研究提示对正常心脏有保护作用的药物对合并有糖尿病、高血压和心力衰竭等疾病的冠状动脉疾病患者不一定有效。在自发性高血压大鼠，GSK- 3β抑制剂可模拟缺血预适应/后适应的心脏保护作用，磷酸化GSK- 3β与VDAC间的作用是关键[20]。

4 结语

缺血期抑制线粒体损害，再灌注时抑制mPTP开放是保护心肌，减少缺血/再灌注损伤的关键[21]。磷酸化GSK- 3β在抑制mPTP开放中起主要作用。增加mPTP- ROS阈值可提高心肌细胞抵抗氧化应激的能力从而缩小梗死面积。在有糖尿病和高血压等疾病的心肌中，介导GSK- 3β磷酸化的通路异常，具体机制有待进一步研究。抑制GSK- 3β活性是保护心肌减少缺血/再灌注损伤的重要分子靶向。但由于GSK- 3β广泛存在于细胞中，且参与许多细胞生物过程，GSK- 3β抑制剂在保护心肌同时带来的副作用不容忽视。因此，针对GSK- 3β的下游靶点调控mPTP的研究可能为心脏保护效应打开新局面。

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胎儿暴露于烟草烟雾会导致青少年期听力受损

2013-06-20《美国新闻与世界报道·每日健康新闻》(U.S.News & World Report·HealthDay Reporter)报道，不要在怀孕期间吸烟的危害又增加了一条：在子宫内暴露于烟草烟雾的孩子可能在未来听力损失的风险较高。

纽约大学医学院迈克尔·威兹曼博士领导的研究小组，检查了2005～2006年美国全国健康调查的数据中近1 000名年龄12～15岁儿童，这些孩子大约有16%已在子宫内暴露于烟草烟雾。与没有这样的风险的青少年相比，这些曾在子宫内暴露于烟草烟雾的青少年不仅有总体性听力损失，并有近3倍的几率令单侧耳低频听力缺失。

该研究 在线发表在JAMA耳鼻喉科-头颈外科杂志(journal JAMA Otolaryngology-Head & Neck Surgery)。

Progress on GSK- 3β in cardioprotection against ischemia/reperfusion injury

LI Qing, JIANG Hua, LI Ju-xiang1*

(Dept. of Cardiovascular Medicine, the Second Affiliated Hospital of Nanchang University, Nanchang 330006, China)

Glycogen synthase kinase- 3βis a multifunctional Ser/Thr kinase, and its activity has been associated with many cell processes. The mitochondrial permeability transition pore is primed by ischemia to open upon reperfusion, leading to reperfusion induced cell necrosis. Phosphorylated GSK- 3β presumably inhibits mPTP opening by multiple mechanisms, including preservation of hexokinase Ⅱ in mPTP complex, prevention of interaction of cyclophilin-D with adenine nucleotide translocase, inhibition of P53 activation and attenuation of ATP hydrolysis during ischemia.

glycogen synthase kinase- 3β; mitochondrial permeability transition pore; signal transduction; reperfusion injury

2014- 05- 19

2014- 07- 18

江西省自然科学基金(2011GZY0254)；江西省研究生专项创新资金(YC2013-S002)

1001-6325(2015)01-0126-04

R34

A

*通信作者(corresponding author)：ljx912@126.com