糖原合成酶激酶-3在神經(jīng)精神疾病中的研究進展

糖原合成酶激酶-3在神經(jīng)精神疾病中的研究進展

gk-3是一種絲氨酸蘇氨酸激酶，通過使糖原合成酶磷酸失去活力而得名。GSK-3β廣泛存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng),主要分布在神經(jīng)元,膠質(zhì)細(xì)胞也有表達(dá)。GSK-3β是多種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中的一個關(guān)鍵酶,通過調(diào)節(jié)底物,如酶、結(jié)構(gòu)蛋白和轉(zhuǎn)錄因子等參與神經(jīng)元的分化與增殖、基因表達(dá)等多種神經(jīng)系統(tǒng)生理過程,因而,GSK-3β的活性或表達(dá)異常均可導(dǎo)致多種神經(jīng)精神疾病。如GSK-3β的活化參與阿爾采末病(Alzheimer’sdisease,AD)的病理生理過程,GSK-3β的活化對tau樣蛋白的異常聚集是必須的,而后者導(dǎo)致腦內(nèi)神經(jīng)元的死亡是AD的病因之一。Emamian等報道:精神分裂癥患者的腦部和外周淋巴細(xì)胞中AKT1及GSK-3β磷酸化水平都降低,首次發(fā)現(xiàn)GSK-3β與精神分裂癥相關(guān)。近來研究發(fā)現(xiàn),PI3K/GSK-3β信號通路在調(diào)節(jié)炎癥反應(yīng)中占中心地位,而炎癥是多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的分子基礎(chǔ)。此外,研究表明GSK-3β抑制劑可以減輕神經(jīng)病理性疼痛?？傊?GSK-3β已成為臨床和基礎(chǔ)研究的熱點,也逐漸成為眾多疾病的治療靶點。文章旨在論述GSK-3β活性異常參與神經(jīng)精神系統(tǒng)疾病的機制。1采用n-loop結(jié)構(gòu)X-衍射發(fā)現(xiàn)GSK-3β有3個區(qū)域:氨基端區(qū)域由一個閉合的β桶狀的結(jié)構(gòu)構(gòu)成;羧基端區(qū)域包含一個“激酶折疊”結(jié)構(gòu);催化結(jié)構(gòu)域處于上述兩個結(jié)構(gòu)域之間。GSK-3β的活性中心為T-loop結(jié)構(gòu),但GSK-3β的T-loop結(jié)構(gòu)缺少磷酸化的蘇氨酸,這恰好通過由Arg96、Arg180和Lys205三個帶正電的氨基酸組成的口袋結(jié)構(gòu)(底物結(jié)合位點)與蘇氨酸/絲氨酸相結(jié)合發(fā)揮作用。由于GSK-3β的Tyr216磷酸化修飾在GSK-3β打開底物結(jié)合位點時起到相當(dāng)重要的作用,但未磷酸化的GSK-3β本身并不形成阻礙底物進入的構(gòu)象,因此,Tyr216是GSK-3β的T-loop結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵位點。2斯克-3的信號通道2.1gsk-3類基因信息PI3K-AKT-GSK3β途徑是細(xì)胞內(nèi)信號網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。PI3K-AKT-GSK3β途徑參與并影響包括胰島素誘導(dǎo)的糖原和蛋白質(zhì)合成調(diào)控、細(xì)胞生長分化、抗凋亡等下游事件。磷脂酰肌醇3激酶(phosphoinositide3-kinase,PI3K)家族成員屬于原癌基因。正常情況下,PI3K被激活后,在細(xì)胞膜上生成第二信使PIP3,PIP3與細(xì)胞內(nèi)含有PH結(jié)構(gòu)域的信號蛋白AKT/PKB和磷酸肌醇依賴性蛋白激酶(PDKl)結(jié)合,促使PDKl磷酸化AKT蛋白的Ser308,進而活化AKT。GSK-3β是最早發(fā)現(xiàn)的AKT的直接底物之一,活化的AKT與GSK-3β結(jié)合后,誘導(dǎo)GSK-3β向細(xì)胞膜轉(zhuǎn)位,磷酸化其N端的Ser9活性位點而使GSK-3β失活,進而影響核因子κB(nuclearfactorκB,NF-κB)、tau蛋白、c-Jun轉(zhuǎn)錄子和胰島素受體等GSK-3β下游底物。最終發(fā)揮其參與細(xì)胞增殖與分化及調(diào)節(jié)炎癥和免疫反應(yīng)的作用。2.2wnt蛋白通路Wnt信號通路是廣泛存在于真核生物中的一條高度保守的信號通路,其在胚胎的早期發(fā)育、器官形成、組織再生等生理過程中發(fā)揮重要的作用。Wnt的受體是卷曲蛋白(Frizzled,Frz),為7次跨膜蛋白,結(jié)構(gòu)類似于G蛋白偶聯(lián)型受體,Frz胞外N端具有富含半胱氨酸的結(jié)構(gòu)域(cysteinerichdomain,CRD),能與Wnt結(jié)合。經(jīng)典的Wnt通路可簡述為:當(dāng)Wnt蛋白與細(xì)胞表面Frizzled受體家族結(jié)合后產(chǎn)生一系列的反應(yīng),包括蓬亂蛋白(dishevelled,DSH)的激活,以及最終細(xì)胞核內(nèi)β-catenin水平的變化。其中,DSH是細(xì)胞膜相關(guān)Wnt受體復(fù)合物的關(guān)鍵組成部分,它與Wnt結(jié)合后被激活,抑制下游蛋白質(zhì)如GSK-3β等的活化。而GSK-3β可促進信號分子β-catenin的失活,因而,激活Wnt通路可通過抑制GSK-3β活性使β-catenin穩(wěn)定存在,后者進入細(xì)胞核與TCF/LEF轉(zhuǎn)錄因子家族結(jié)合,進而調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá)。33、gk-3疾病控制3.1gsk-3抑制劑雙極紊亂是一種反復(fù)發(fā)作的心境障礙,其特點是反復(fù)發(fā)作的躁狂狀態(tài)或者躁狂與抑郁交替發(fā)作,因此也被稱為躁狂-抑郁癥。研究表明,GSK-3β參與神經(jīng)元構(gòu)建與生成、基因表達(dá)及應(yīng)激反應(yīng)等多種神經(jīng)元活動,并與雙極紊亂等疾病有著密切的關(guān)聯(lián)。GSK-3β過多表達(dá)的動物表現(xiàn)為多食及活動增多,這些都與雙極紊亂患者經(jīng)典的躁狂階段相似。Chubb等證實,基因突變導(dǎo)致GSK-3β過度激活及其下游β-catenin表達(dá)減少可促進抑郁癥及精神疾病的發(fā)生,而GSK-3β抑制劑鋰通過降低β-catenin的降解,從而增加CREB的表達(dá)量及活性,產(chǎn)生抗抑郁效果。多巴胺和5-HT系統(tǒng)的功能障礙是雙極紊亂的重要病因。研究表明,多巴胺與5-HT通過調(diào)節(jié)AKT/GSK-3β信號通路參與情緒及行為的調(diào)控。激活多巴胺受體2通過引起下游AKT失活及GSK-3β活化參與雙極紊亂的形成。此外,增加5-HT及激活5-HT受體可以通過PI3K-AKT-GSK3β信號通路抑制GSK-3β的活性來治療由5-HT合成降低引起的行為缺失及抑郁癥狀。改變GSK3β表達(dá)含量可以緩解5-HT缺乏導(dǎo)致的攻擊及焦慮行為。GSK-3β的抑制劑鋰、丙基戊酸鈉對治療雙極紊亂有明顯的效果,基礎(chǔ)研究發(fā)現(xiàn),新型GSK-3β抑制劑AR-A014418及L803-mts有明顯的抗抑郁作用。綜上所述,AKT/GSK-3β信號通路的紊亂是雙極紊亂的重要病因,某些抗精神病藥通過改變此通路功能而發(fā)揮作用。3.2wnt-gsk3信號通路參與了精神掃碼亞精神分裂癥是一種嚴(yán)重的精神疾病,表現(xiàn)為思維、情感、行為等多方面障礙。AKT與GSK-3β都參與神經(jīng)元突觸可塑性,在認(rèn)知和記憶中發(fā)揮著重要的作用。AKT和GSK-3β調(diào)節(jié)多種與精神分裂癥有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子的表達(dá),如:TCE4(影響精神分裂癥患者的學(xué)習(xí)及記憶功能)、RELA等等。精神分裂癥的患者AKT1的mR-NA、蛋白表達(dá)量及其活化水平在前腦皮層、海馬及外周血中均降低。一些學(xué)者也報道,AKT1下游GSK-3β的活性及含量,在精神分裂癥患者的多個組織中發(fā)生明顯變化。在動物實驗中,GSK-3β抑制劑可以逆轉(zhuǎn)服用安非他命小鼠的精神過度亢奮癥狀,GSK-3β基因敲除小鼠也可明顯減少由安非他命引起的多動癥狀。此外,TPH2、DISC1和NRG1等基因突變誘發(fā)精神分裂癥癥狀可能與這些基因突變后干擾AKT-GSK3β信號通路,從而影響神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育有關(guān)。Wnt通路也參與GSK-3β功能障礙引起的精神分裂癥。如長期服用抗精神病的藥物如氟哌啶醇、氯氮平,不僅可以影響AKT-GSK3β信號通路(AKT1活化增多并且抑制GSK-3β),而且可以作用于Wnt通路中的Dv1,從而增加前腦皮層及紋狀體處的β-catenin的含量。由此可見,Wnt信號通路也參與精神分裂癥的形成。綜上所述,AKT-GSK3β-Wnt信號通路途徑參與精神分裂癥的發(fā)病機制,也為臨床治療精神分裂癥等精神疾病提供了一個新的突破口。3.3gsk-3調(diào)節(jié)的病理改變AD是一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)退行性變性疾病,是老年期癡呆最常見的一種類型。主要表現(xiàn)為漸進性記憶障礙、認(rèn)知功能障礙等神經(jīng)精神癥狀,嚴(yán)重影響社交、職業(yè)與生活功能。特征性病理改變?yōu)棣?淀粉樣蛋白(amyloidβ-protein,Aβ)沉積形成的老年斑和tau蛋白過度磷酸化形成的神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)神經(jīng)原纖維纏結(jié)。Aβ被認(rèn)為是AD的發(fā)病機制,Aβ沉積引起神經(jīng)原纖維纏結(jié)和神經(jīng)元的死亡,導(dǎo)致老年癡呆。Aβ抑制PI3K后,激活GSK-3β,引起tau蛋白過度磷酸化,形成tau蛋白低聚體顆粒,并且激活其下游的kinesin。二者均可引起軸突的傳輸異常,導(dǎo)致Aβ的沉積,損害神經(jīng)元。Aβ激活GSK-3β后,磷酸化MEKK1導(dǎo)致JNK活化?；罨蟮腏NK與過度磷酸化的tau蛋白均參與神經(jīng)原纖維纏結(jié)的形成,導(dǎo)致記憶的損害。GSK-3β是tau蛋白正?；虍惓Ａ姿峄^程中的關(guān)鍵激酶。研究發(fā)現(xiàn),GSK-3β過度表達(dá)的小鼠海馬內(nèi)LTP生成減少,tau蛋白過度磷酸化,并且大量神經(jīng)元凋亡。當(dāng)抑制tau蛋白過度磷酸化,可以改善記憶的損害。GSK-3β除了參與Aβ沉積和tau蛋白過度磷酸化引起的AD,還可能通過凋亡機制參與老年癡呆的發(fā)病過程。GSK-3β本身就是引起神經(jīng)元凋亡的關(guān)鍵,在老化的神經(jīng)細(xì)胞中GSK-3β的含量明顯增多。小鼠腦內(nèi)的齒狀回區(qū)是神經(jīng)元再生區(qū)域,GSK-3β過表達(dá)的轉(zhuǎn)基因小鼠中,齒狀回的體積變小,且神經(jīng)元再生受到抑制。3.4gsk-3調(diào)節(jié)的痛覺藥物作用疼痛是組織損傷或潛在組織損傷所引起的不愉快感覺和情感體驗,是一種亟待解決的公眾健康問題,影響著全球15%-29%人口的身心健康。2010年,Martins等研究發(fā)現(xiàn),腹腔注射GSK-3β抑制劑AR-A014418可以明顯減輕腹腔注射醋酸引起的傷害性感覺,鞘內(nèi)注射AR-A014418也可減輕福爾馬林引起的疼痛,局部注射同樣可以減輕谷氨酸、TNF-α以及IL-1β引起的痛覺過敏。由此可見,GSK-3β抑制劑對急性痛有明顯的鎮(zhèn)痛作用。神經(jīng)病理性疼痛是一種由軀體感覺神經(jīng)系統(tǒng)的損傷或疾病引起的疼痛。Mazzardo-Martins等研究發(fā)現(xiàn),GSK-3β抑制劑AR-A014418可以減輕嚙齒類動物持續(xù)的神經(jīng)病理性疼痛,而停用AR-A014418后,由SNI引起的痛覺過敏恢復(fù),再次鞘內(nèi)注射AR-A0144181d后,又可產(chǎn)生明顯的鎮(zhèn)痛作用。在神經(jīng)病理性疼痛中,下行抑制系統(tǒng)(5-HT及兒茶酚胺類為主要遞質(zhì))在痛覺敏化過程中亦發(fā)揮重要作用。GSK-3β抑制劑鋰或者AR-A014418可以通過增加5-HT介導(dǎo)的下行抑制系統(tǒng),產(chǎn)生抑制痛覺過敏的作用。2012年Yuan等證實,抑制脊髓神經(jīng)元GSK-3β的活性可以明顯減輕瑞芬太尼引起的痛覺過敏。2013年,繼續(xù)研究證實,GSK-3β活性增高參與瑞芬太尼引起的痛覺過敏是通過NM-DA受體途徑實現(xiàn)的。此外,GSK-3β還參與阿片類藥物耐受的機制,如GSK-3β抑制劑Valproate減輕嗎啡耐受性,產(chǎn)生良好的鎮(zhèn)痛作用。Parkitna等的研究證實,單次或多次鞘內(nèi)注射GSK-3β抑制劑SB216763均可以逆轉(zhuǎn)嗎啡耐受現(xiàn)象,增加大鼠在熱刺激下的甩尾潛伏期,并且對已經(jīng)產(chǎn)生嗎啡耐受的大鼠鞘內(nèi)注射SB216763可恢復(fù)嗎啡的鎮(zhèn)痛作用。GSK-3β可能主要通過調(diào)節(jié)神經(jīng)元與膠質(zhì)細(xì)胞的活性及炎癥反應(yīng)程度,在痛覺的產(chǎn)生與發(fā)展過程中發(fā)揮作用。研究表明,無論是在外周還是在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中,磷酸化的GSK-3β在調(diào)節(jié)促炎因子與抗炎因子平衡中是至關(guān)重要的。神經(jīng)損傷后,因膠質(zhì)細(xì)胞激活產(chǎn)生的大量細(xì)胞因子、炎性介質(zhì)和神經(jīng)活性物質(zhì),使神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞出現(xiàn)痛覺敏化,使病理性疼痛進一步發(fā)展和持續(xù)。GSK-3β活化對于活化Toll樣受體,產(chǎn)生促炎及抗炎因子是必需的,在人類單核細(xì)胞中LPS通過活化TLR,經(jīng)PIK-AKT通路抑制GSK-3β的活性以及降低NF-κB核內(nèi)轉(zhuǎn)錄活性來參與炎癥反應(yīng)。NF-κB核內(nèi)轉(zhuǎn)錄活性減低,可以大大減少IL-6、IL-1β、IFNγ、TNF-α等可引起疼痛的促炎因子的生成,從而緩解疼痛。此外,活化的TLR也可通過PIK-AKT-