AKT/GSK—3β—Wnt/β—catenin信号通路调控糖尿病血管钙化的研究新进展

许凯强+刘勇

【摘要】 在全世界范围内，糖尿病的发病率越来越高，而血管钙化作为糖尿病的并发症之一，在2型糖尿病患者的疾病发生、发展过程中占据着越来越重要的地位。血管钙化是一个与炎症相关的类似于骨组织中的成骨分化形式的大型的主动调控的过程。有研究表明，在糖尿病血管钙化中，PI3K/AKT信号通路能通过直接或者间接的方式激活wnt/β-catenin信号通路，从而促进了血管平滑肌细胞的成骨分化。本文分别从AKT、GSK-3β、Wnt/β-catenin等三个方面阐述其与血管钙化之间的联系。

【关键词】 血管钙化； AGEs； AKT； GSK-3β； Wnt/β-catenin

doi：10.14033/j.cnki.cfmr.2017.10.087 文献标识码 A 文章编号 1674-6805（2017）10-0162-03

血管钙化大多数是在血管壁中以羟磷灰石的形式存在的矿物硫酸钙的沉积。血管钙化是许多疾病一个共同的显著特点，这些疾病包括动脉粥样硬化，糖尿病，慢性肾脏疾病等，在越来越多的国家，血管钙化逐渐成为心脑血管疾病发病率和致死率的一个强有力的预测指标[1]。血管钙化过去一度被认为仅仅是一个被动的细胞凋亡和死亡的过程，但越来越多研究结果证明，血管钙化是一个与炎症相关的类似于骨组织中的成骨分化的主动调控过程。Proudfoot等[2]研究发现，血管平滑肌细胞目前被认为是主要负责血管钙化的细胞，来自平滑肌细胞的凋亡小体能作为钙晶体形成的成核结构来启动血管钙化。Ox-LDL已经被揭示具有能在在动物体内和体外诱导血管平滑肌钙化的能力[3]。此外，Trion等[4]研究发现，血管平滑肌细胞（Vascular smooth muscle cells，VSMCs）可以向成骨细胞分化和表达成骨关键转录因子-Runx2和其他骨形成相關蛋白，如Ⅰ型胶原蛋白（ColⅠ），碱性磷酸酶（ALP）、骨钙素等，这些蛋白导致磷酸钙在细胞外基质沉积。而这些成骨相关蛋白均受AKT/GSK-3β-Wnt/β-catenin信号通路的调控。只有少数学者阐述了Wnt/β-catenin信号通路的一些目标点之间的关系，如LRP5和血管平滑肌钙化之间的关系。在Rajamannan 等[3]的研究中，证明了血管平滑肌的钙化发生常伴随GSK-3β和β-catenin蛋白表达的上调，而两者均是Wnt/β-catenin信号通路的关键目标点。本文即是对该信号通路的最新研究进展作一综述。

1 AGEs与血管钙化

晚期糖基化终末产物（advanced glycation end products ，AGEs）是在蛋白质和糖残基的非酶反应期间形成的分子异源基团。AGEs通过细胞外基质蛋白及细胞内信号分子的结构修饰和功能改变而引发糖尿病性微血管和大血管并发症。AGEs与糖尿病血管并发症关系复杂，迄今都未能完全阐明其相互关系，但是，AGEs的增加介导了糖尿病血管并发症的发生已经得到大多数学者的公认。此外，糖尿病血管并发症与内皮细胞、平滑肌细胞关系密切。

RAGE与AGEs的结合引起细胞内活性氧（ROS）生成，随后活化有丝分裂原活化蛋白激酶（MAPK）和核因子κ-B（NF-κB）信号，随后产生几种炎症和促纤维化因子，如细胞间粘附分子-1（ICAM-1），血管细胞粘附分子-1（VCAM-1），单核细胞趋化蛋白-1（MCP-1）和纤溶酶原激活物抑制剂-1（PAI-1）等来促进动脉血管粥样硬化的进展。

2 AKT与血管钙化

PI3K/AKT信号通路广泛存在于各种细胞中，是参与细胞增殖、分化和生长的重要信号传导通路。AKT是PI3K的下游效应子，PI3K激活AKT后使AKT的Ser473和Thr308位点磷酸化，从而激活AKT。而活化的AKT，进一步激活其下游因子，如bcl-2家族、糖原合成酶 3（GSK3）和S6 蛋白激酶等，对细胞周期、凋亡等产生调节作用。有研究表明，晚期糖基化终末产物（AGEs）能激活PI3K/AKT信号通路，从而使活化的磷酸化AKT在血管平滑肌细胞中的表达量明显升高，而AKT的活化又能抑制下游GSK的活性，从而促进细胞的凋亡。多信号分子可以调节GSK-3活性。其中一个最好研究的GSK-3的调节剂是AKT，其位于PI3K/PTEN/AKT/mTORC1通路5。AKT是一种S/T激酶，描述了参与细胞生长调节的许多关键蛋白凋亡配体激活生长因子（GF）时，PI3K/PTEN/AKT/mTORC1，Ras/Raf/MEK/ERK和其他途径同时也被激活[4-6]。AKT活化可作用于磷酸化GSK-3导致其失活。由此可见，在糖尿病血管钙化中，PI3K/AKT信号通路能通过直接或者间接的方式激活wnt/β-catenin信号通路，从而促进了血管平滑肌细胞的成骨分化。

3 GSK-3β与血管钙化

糖原合酶激酶-3（GSK-3）是一种参与一系列关键细胞过程的丝氨酸/苏氨酸激酶。主要由GSK-3α（51kDa）和GSK-3β（47kDa）组成。虽然这两个GSK-3家庭成员有许多保守的生化功能，但其在神经和血管及其他组织中也有着独特的活性和发挥着不同的生物学功能[7]。GSK-3还涉及许多信号通路，其不仅调节代谢，而且还参加包括细胞周期进程、细胞更新、分化、细胞凋亡、胚胎发生、迁移、基因转录调节、干细胞生物学等一系列过程。

GSK-3是一种可以磷酸化丝氨酸（S）和苏氨酸（T）残基上许多底物的激酶。许多底物首先被酪蛋白激酶Ⅰ（CKI）和其他有着特定底物蛋白的激酶磷酸化，其他激酶也可以通过磷酸化GSK-3以调节其活性。这些激酶包括促分裂原活化激酶[aka胞外调节激酶1，2（ERK1，2）]，p38 MAPK，蛋白激酶A。此外，GSK-3还可以通过酪氨酸（Y）激酶如Src，蛋白酪氨酸激酶2β（PYK2）来调节其活性。GSK-3也可以通过蛋白磷酸酶脱磷酸化来调节其活性，这些蛋白磷酸酶包括：蛋白磷酸酶2A（PP2A）和PP1[8]。此外GSK-3也可以自身磷酸化。

在细胞应激期间，糖原合成酶激酶3β（GSK-3β）可以通过丝氨酸-1235磷酸化来抑制AKT与mTORC2的结合。在没有功能的雷帕霉素靶蛋白C2（mammalian target of rapamycin， mTORC2）作用下，AKT没有被完全激活。因此，虽然AKT可以负面调节GSK-3活性，但GSK-3依然可以在一定的环境下促进或抑制AKT的激活。通过雷帕霉素抑制Wnt介导的mTORC1的活化抑制Wnt介导的细胞增殖。同样，通过二甲双胍激活AMPK也可抑制Wnt介导的细胞增殖[9]。除了GSK-3，其他Wnt信号组分，如DKK 1，Dvl和Axin都可以调节Wnt对mTORC1和细胞增殖的影响。

GSK-3β是腺瘤性大肠杆菌/axin/GSK-3β复合物的组分部分，参与β-catenin的泛素化和蛋白酶体的降解，而β-catenin是Wnt/β-catenin信号通路的关键分子[10]。TWS119是GSK-3β的抑制剂。因此，TWS119通过抑制GSK-3β来抑制β-catenin的降解，理论上激活Wnt/β-catenin信号通路，从而引起糖尿病血管中膜的钙化。

4 Wnt/β-catenin与血管钙化

Wnt信号通路作为一种在进化中高度保守的信号通路，在生长、发育、代谢和干细胞维持等多种生物学过程中发挥重要作用。Wnt/β-catenin信号传导通路在正常生长和发育中发挥着重要的作用，若该通路失调，则有可能引起癌症和其它疾病的发生[11]。Wnt通路的过度激活与多种癌症（包括结肠癌、胃癌、乳腺癌等）的发生紧密相关，这已经也得到了大多数学者的认可。然而，目前关于其通路对血管钙化的影响的研究却为数不多。Schans等[12]最新研究表明，Wnt信号被认为能在血管发育的不同方面起作用，包括血管内皮和血管平滑肌细胞的增殖等。许多研究都聚焦在了经典Wnt通路也就是Wnt /β-catenin信号通路上面。Wnt信号在成骨细胞分化中扮演着多重角色，包括成骨细胞谱系分化，调节各个方面骨稳态和破骨细胞形成的衰减等[13]。

Wnt蛋白是生长因子大家族中的一员，Wnt蛋白家族由至少19个成员组成，它对于体内多种细胞发挥生物学功能起着重要的作用[14]。一些Wnt蛋白，如Wnt1、Wnt3a、Wnt4、Wnt5、Wnt10b和Wnt13等，都可以通过激活两条主要的信号通路来调控成骨细胞的形成[15]。在经典的Wnt/β-catenin途径中，Wnt蛋白通过结合低密度脂蛋白受体相关pro-TIN5/6（LRP5/6）共受体和膜卷曲G蛋白偶联受体的受体复合物（FGRs）来发挥作用。这种结合可以诱导腺瘤性息肉病大肠杆菌、轴突复合物和糖原合酶激酶（GSK）-3β等的解离，导致胞质的积累和β-catenin的核易位[16]。Wnt通路也激活转录因子T细胞因子（TCF）和淋巴细胞增强因子（LEF）并与β-catenin一起来控制体轴的形成、成骨细胞的分化、存活以及增殖。在非经典Wnt途径，G-蛋白介导的Wnt-β-catenin，Wnt/cAMP，和零星介导的c-Jun N末端激酶信号组件是重要的组成部分[17]。

有研究表明，Wnt/β-catenin 与平滑肌细胞的成骨分化密切相关，Kook等[18]研究发现，Wnt1刺激人主动脉平滑肌细胞（Human aortic smooth muscle cells，HASMC）的分化常常伴随着糖原合酶激酶（GSK）-3β的磷酸化表达的增强，以及骨特异性因子（Runx2），Osterix2（Osx2），ALP，Ⅰ型胶原，骨桥蛋白和骨钙蛋白等蛋白的表达增加，表明Wnt1刺激HASMC的成骨分化和鈣化，主要通过激活经典Wnt /β-catenin途径，其中Runx2是关键的下游调节剂。

Runt相关转录因子2（Runx2）是软骨细胞的成熟和成骨细胞的分化必不可少的关键因子[19]，Wnt信号通过刺激Runx2来诱导成骨细胞分化。直接将Runx2启动子与TCF或LEF/b-连环蛋白相结合被认为是Wnt配体刺激Runx2蛋白表达的主要机制之一[20]。Wnt10b的过表达可以抑制骨丢失并驱动间充质干细胞通过上调Runx2向成骨细胞谱系分化[21]。

在Wnt的存在下，β-catenin的磷酸化被CK1和GSK-3所抑制，并且β-catenin可以与各种转录因子（例如TCF/LEF）相结合形成复合物，从而诱导许多基因的转录。同时，在Wnt的存在下，CK1和GSK-3可以磷酸化低密度脂蛋白受体相关蛋白（LRP5/6），促进黑素细胞信号转导。在不存在Wnt受体卷曲（Fz）的配体的情况下，CK1只磷酸化β-catenin。这用作GSK-3在S41，S37和S33中使β-catenin磷酸化。磷酸化可以导致β-catenin的失稳和泛素化以及随后的蛋白酶体降解。如果β-catenin在调节性残基（S45，S41，S37和S33）处突变，则其可能不被CK1和GSK-3磷酸化[22]。

血管动脉中膜钙化与糖尿病患者主要心血管并发症及死亡率升高密切相关。血管钙化逐渐成为心脑血管及周围血管疾病发病率和致死率的一个强有力的预测指标。在众多的糖尿病血管病变的发病机制中，AGEs异常激活Wnt/β-catenin信号通路与糖尿病血管钙化存在着密切的联系，这一点已经被众多的学者所认可。但是在糖尿病血管病变中，晚期糖基化终末产物（AGEs）是通过何种机制去激活AKT/GSK-3β-Wnt/β-catenin信号通路仍不是很清楚，在未来的实验研究中，定会进一步明确两者之间的关系，为我们预防糖尿病血管钙化及其周围血管并发症提供新的治疗指导。

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（收稿日期：2016-12-16）

基金項目：2012年度国家自然科学基金资助项目

（项目编号：81270358）

①西南医科大学附属医院 四川 泸州 646000