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1、书书书 综述 作者单位： 510080 广州， 中山大学附属第一医院心血管内科 通讯作者： 马虹， Email： sums-mahong21cn. com 糖原合成酶激酶-3 在心肌肥厚和心肌细胞凋亡中的作用 彭龙云 马虹 近年来， 丝裂素原激活蛋白激酶 （ mitogen-activated protein kinases， MAPKs） 、 钙调神经磷酸酶 （calcineurin） 以及 钙调节蛋白依赖性蛋白激酶等心肌肥厚正性调节信号机制 得到深入的研究， 与此同等重要的是研究心肌肥厚的负性调 节信号机制。越来越多的证据显示， 糖原合成酶激酶-3 （glycogen synthase k
2、inase-3，GSK-3） 是重要的心肌肥厚负 性调节信号分子 1-4， 同时对心肌细胞凋亡有重要的调节作 用。本文对 GSK-3 的活性调节及其在心肌肥厚、 心肌细胞 凋亡中的作用作一综述， 并探讨其作用的潜在机制。 一、 糖原合成酶激酶-3 的一般特性 糖原合成酶激酶-3 （GSK-3） 属于保守丝氨酸/ 苏氨酸激 酶家族， 这一酶家族存在于所有真核生物组中。在人类， 糖 原合成酶激酶-3 包括两种亚型， 即 GSK-3 （51 000） 与 GSK- 3 （47 000） 5。GSK-3 与 GSK-3 两个亚型由不同的基因 编码， 在激酶区域有 97% 的序列同源。在心脏中两种亚型
3、均有表达， 但是它们的表达模式、 底物选择与细胞功能都不 同 6。迄今为止大部分研究都是探讨 GSK-3 的作用， 对 GSK-3 亚型功能的特异性了解得很少。 GSK-3 起初被认为通过磷酸化糖原合成酶而抑制糖原 的合成， 但是现已发现 GSK-3 广泛参与各种细胞功能的调 节， 包括代谢、 基因表达的调节和细胞骨架完整性的维持 5。 GSK-3 倾向磷酸化位于 N 末端比邻脯氨酸的丝氨酸/ 苏氨 酸残基， 因而 GSK-3 被称为脯氨酸定向激酶。GSK-3 主要 定位于细胞浆， 但也可以在细胞核中发现。在受到刺激时， GSK-3 的亚细胞定位会发生改变 3。在心肌细胞， 内皮素刺 激促进
4、GSK-3 核转位， 而异丙肾上腺素则致其出核 3。 二、 糖原合成酶激酶-3 的活性调节 GSK-3 能够磷酸化几十种蛋白， 包括十几种转录因子。 如此之多的作用底物足以说明 GSK-3 有巨大的潜力对多 种细胞功能产生影响。这也提示， GSK-3 必定受到各自特 定机制的精细调节， 从而针对每个特定的作用底物进行磷酸 化。尽管调节 GSK-3 的机制尚未充分了解， 但目前已知， 对 GSK-3 的精确调节依赖于 GSK-3 的磷酸化、 细胞内定 位以及与 GSK-3 结合蛋白相互作用。 GSK-3 的 N 末端丝氨酸残基 Ser9 被磷酸化后活性显 著降低。几种激酶如蛋白激酶 B （PKB
5、/ Akt） 、 蛋白激酶 A （PKA） 、 蛋白激酶 C （PKC） 可以磷酸化这些丝氨酸残基。因 而许多信号途径都参与 GSK-3 活性的调控。其中蛋白激 酶 B （PKB/ Akt） 是研究最为充分的激酶， 它被认为是 GSK- 3 的 上 游 调 节 子。而 PKB/ Akt 是 磷 脂 酰 肌 醇-3 激 酶 （PI3K） 下游的主要激酶， 许多激活 PI3K 的刺激通过 PKB/ Akt 的介导而抑制 GSK-3 的活性。 肾上腺素、 内皮素-1、 Fas 以及压力负荷都通过激活 PI3K-PKB/ Akt 信号途径而抑 制 GSK-3 的活性 2， 4。GSK-3 的活性也经常
6、受到其作用 底物磷酸化状态的调节。这是因为 GSK-3 的大部分作用 底物在被 GSK-3 磷酸化之前必须预磷酸化。也即底物的 GSK-3 作用位点在被 GSK-3 磷酸化之前， 底物的一些其 他位点必须被另外的激酶所磷酸化。 GSK-3 的细胞内定位调节也可以调控 GSK-3 对其底 物的作用。尽管传统认为 GSK-3 是细胞浆蛋白， 它也存在 于细胞核和线粒体中， 与胞浆 GSK-3 相比， 胞核与线粒体 中的 GSK-3 活性更高 7。胞核中的 GSK-3 尤其令人感兴 趣， 因为它调节许多转录因子， 从而影响多种作用集中于转 录因子的信号途径， 最终调控多种基因的表达。与胞核 GSK-
7、 3 相反的是， 在激活的 Akt 作用下， 线粒体 GSK-3 活性降 低， 激活的 Akt 输入线粒体， 磷酸化 GSK-3 的 Ser9 而抑制 GSK-3 的活性， 而线粒体 GSK-3 的表达水平没有改变 8。 GSK-3 结合蛋白控制 GSK-3 与底物 -连环蛋白的结 合， 从而对 GSK-3 功能产生高度特异性的调节 9。在没有 受到刺激时， 脚手架蛋白 Axin 与 GSK-3、 酪蛋白激酶、 - 连环蛋白以及其他蛋白结合， 这使得酪蛋白激酶能够磷酸 化 -连环蛋白的 Ser45， 为 GSK-3 磷酸化 -连环蛋白的 Thr41 以及随后磷酸化 Ser37、 Ser33 产
8、生一个预磷酸化位点， 而 GSK-3 对 -连环蛋白的磷酸化可以促进 -连环蛋白的 降解。Wnt 信号刺激激活 Dvl， Dvl 又与 GSK-3 结合蛋白 Frat 协调作用， 促使以 Axin 为基础的结合蛋白解体。这减 少了 -连环蛋白磷酸化， 导致 -连环蛋白的积聚与激活。 三、 GSK-3 体内、 体外抑制心肌肥厚 近来的证据显示， GSK-3 是重要的内源性心肌肥厚负 性调控分子 1-4， 10， 11。通过过度表达来增强细胞 GSK-3 活 性可以抑制心肌肥厚的多种表现， 包括蛋白合成率的增加和 肥厚相关基因的表达 1-4。 肾上腺素能受体、 Gq 耦联受体 以及 Fas 受体兴
9、奋可以激活肥厚相关程序， 通过 PI3K/ Akt 途径使 GSK-3 的 Ser9 磷酸化而致 GSK-3 活性钝化 1-4， 这就阻止了 GSK-3 发挥抗心肌肥厚效应， 而最终导致心肌 肥厚。在转基因小鼠心脏特异性地过度表达固有活性的 GSK-3 或 GSK-3 的突变体 GSK-3S9A （其 Ser9 不能被磷 177中华心血管病杂志 2005 年 8 月第 33 卷第 8 期 Chin J Cardiol，August 2005，Vol. 33 No. 8 酸化） ， 能够抑制主动脉缩窄或异丙肾上腺素刺激所致的心 肌肥厚， 也能够部分阻止钙调神经磷酸酶激活所致的心肌肥 厚 1， 1
10、0。Seimi 等12新近研究显示， 非磷酸化的 GSK-3 过度 表达可以抑制胰岛素样生长因子-1 所致的心肌肥厚反应。 在缺乏功能性 Fas 受体的 lpr 小鼠的压力负荷实验中， Fas 受体所诱导的 GSK-3 抑制作用消失， 同时由于缺少代 偿性心肌肥厚过程， 伴随快速发生的左室扩张、 心力衰竭 4。 患有糖尿病时， 胰岛素诱导 GSK-3 磷酸化以及活性钝化的 功能受损。胰岛素对 GSK-3 的磷酸化作用受阻不仅损害 糖原合成功能， 也减少蛋白的合成， 最终导致糖尿病性心肌 病的发生 13。这些体内实验的研究结果都提示， GSK-3 在 心肌肥厚的负性调控中发挥重要的作用。 GSK
11、-3 通过调节核转录、 蛋白翻译合成、 细胞骨架形成 等多种机制影响心肌肥厚的发生发展。GSK-3 可以磷酸化 激活 T 细胞核因子 （nuclear factor-activated T cell，NF-AT） 、 GATA4、 -连环蛋白 （-catenin） 、 转录因子和真核起始因子- 2B （一种蛋白翻译调节因子） 等一系列不同的转录因子， 使 这些因子出核或者失活， 与 DNA 结合降低， 导致核转录降 低， 从而发挥抑制肥厚的作用 3。当用内皮素或异丙肾上腺 素抑制 GSK-3 作用时， NF-AT 和 GATA4 的磷酸化降低， 这 些转录因子在胞核中定位增强， 刺激心肌肥厚的
12、发生 3。 真核翻 译 起 始 因 子 2 （ eukaryotic translation initiation factor 2，eIF2） 结合到活化的启动子 tRNA （蛋氨酸-信使核糖 核酸，met-tRNAmet） 上是控制蛋白翻译 （心肌肥厚的显著特 征） 的一个关键步骤， 结合后形成三元络合物再结合核糖体 亚单位 40S 上。eIF2B 是 eIF2B 的关键亚单位， 它控制 eIF2 的二磷酸鸟苷/ 三磷酸鸟苷 （GDP/ GTP） 交换反应， 其活性可 因 Ser540 的磷酸化而降低 14。Hardt 等15研究表明， 通过 磷酸化 eIF2B 而抑制蛋白翻译的启动是 G
13、SK-3 发挥抗心 肌肥厚的重要机制。GSK-3 也可以通过增强蛋白酶体的降 解或亚细胞位置的改变来负性调节 -连环蛋白和细胞周期 蛋白 D1 的表达 16， 影响心肌肥厚的发生发展。 四、 心肌细胞凋亡的调节 GSK-3 在细胞凋亡与细胞生存调节中发挥重要的作 用。GSK-3 可以促使神经细胞、 血管平滑肌细胞发生凋 亡 17， 18。环腺苷酸的水平升高可以通过蛋白激酶 A 依赖途 径使 GSK-3 失活而促进神经细胞的存活 17。锂可以抑制 GSK-3 的活性， 在缺血中风时提供神经保护作用 19。 Tong 等 20研究显示， 缺血预适应可以促进 GSK-3 磷 酸化而介导心肌保护作用，
14、 这一作用能被 PI3K 抑制剂渥曼 青霉素 （Wortmannin） 所阻断， 而 GSK-3 抑制剂氯化锂与 SB216763 可以模拟缺血预适应的心肌保护作用， 表明抑制 GSK-3 的活性具有心肌保护作用， PI3K/ Akt/ GSK-3 信号 途径可能在缺血预适应中发挥重要作用。Takamichi 等 21 研究也表明， 缺氧预适应的心肌保护作用需要 Akt 信号的激 活。Anthony 等 22和 Cai 等23研究显示， 促红细胞生成素具 有保护心肌细胞的作用， 可以减少缺血缺氧、 缺血再灌注损 伤诱导的心肌细胞凋亡， 而且其作用是通过激活 PI3K/ Akt 信号途径而介导。
15、Yin 等 24研究发现， 应用导管技术在心肌 缺血再灌注 5 天前给大鼠心肌转染肾上腺髓质素基因可以 减少缺血再灌注诱导的心肌细胞凋亡， 这一效应可被肾上腺 髓质素拮抗剂人类降钙素基因相关肽 CGRP （8-37） 所阻断。 大鼠心肌转染肾上腺髓质素基因能够促进 Akt 与 GSK-3 的 磷酸化， 降低心肌中 GSK-3 与 Caspase-3 的活性， 这些效应 可被 CGRP （8-37） 或腺病毒介导的 Akt 显性负相表达所阻 断。而且， 在离体培养的心肌细胞， 肾上腺髓质素也可以减 少缺氧复氧所诱导的心肌细胞凋亡， 伴有 GSK-3 磷酸化增 强、 GSK-3 与 Caspase
16、-3 活性降低。肾上腺髓质素抗心肌细 胞凋亡与促心肌细胞存活作用能被 Akt 显性负相表达所阻 断。以上表明， 肾上腺髓质素能够保护心肌细胞， 减少缺血 再灌注诱导的心肌细胞凋亡， 此作用是通过 Akt/ GSK-3/ Caspase 信号途径实现的。Hiroyuki 等 25研究也表明， 肾上 腺髓质素通过 PI3K/ Akt 依赖的信号途径发挥抗心肌细胞凋 亡的作用， 从而减轻缺血再灌注损伤。阿片样物质具有心脏 保护作用， 可以减轻心肌缺血再灌注损伤。Gross 等 26研究 证明， 阿片样物质通过磷酸化 GSK-3 的 Ser9 而减轻心肌缺 血再灌注损伤。上述研究表明， PI3K/ A
17、kt/ GSK-3 信号途径 在缺氧缺血预适应、 缺氧复氧、 缺血再灌注损伤中发挥重要 作用， 多种心肌保护分子都通过此信号途径的激活抑制心肌 细胞凋亡， 从而发挥保护作用， 而 GSK-3 作为这一信号途 径的下游分子其作用可能更为突出。调节 GSK-3 活性可 能会成为冠心病、 心力衰竭等新的治疗策略。 GSK-3 与多种情况下的细胞凋亡有关， 这提示 GSK-3 在细胞凋亡信号系统中起重要作用， 但是确切的机制还不是 很清楚。有研究认为， GSK-3 磷酸化 eIF2B 而抑制蛋白合 成是其促细胞凋亡的重要机制 27。另外， GSK-3 促进 c- jun NH2-末端激酶途径激活也与细
18、胞凋亡有关 28。再者， GSK-3 可能抑制促存活转录因子如 C 反应元件结合蛋白 （CREB） 、 热休克因子-1、 热休克蛋白-70 的伴随表达而促进 细胞凋亡 5， 同时又促进促凋亡转录因子如 P53 的表达而促 进细胞凋亡。新近有研究显示， GSK-3 与线粒体膜通透性 转变也即线粒体 PT 孔 （mitochondrial permeability transition pore） 的开放有关。而 PT 孔的开放可启动细胞凋亡程序， 导 致细胞凋亡的发生 29。 GSK-3 可以调节与心肌细胞生长和死亡有关的各种细 胞现象。固有活性的 GSK-3 过度表达可以阻止心肌肥厚 的发生发
19、展， 同时 GSK-3 的活性受到心肌肥厚刺激因子的 负性调节， 所以 GSK-3 活性被心肌肥厚刺激因子抑制是心 肌肥厚发生发展的重要机制。在所有促心肌肥厚机制中， 这 一信号机制是很独特的， 因为它是通过去抑制而介导正性调 节作用。但是有关 GSK-3 负性调节心肌肥厚的确切下游 信号机制有待于进一步研究。 尽管在转基因小鼠心脏特异性地过度表达 GSK-3 可 以抑制心肌肥厚， 但是目前还不清楚， 刺激 GSK-3 是否对 277中华心血管病杂志 2005 年 8 月第 33 卷第 8 期 Chin J Cardiol，August 2005，Vol. 33 No. 8 心肌肥厚的患者产生
20、有益的影响， 因为 GSK-3 在抑制心肌 肥厚的同时可能会促进心肌细胞凋亡。在大鼠缺血/ 再灌注 的研究中发现， 抑制 GSK-3 产生心脏保护作用， 这提示在 缺血心脏中 GSK-3 可能产生有害的作用。在心力衰竭患 者中， GSK-3 的激酶活性降低 30， 这可能有助于心脏的代 偿性肥厚或者细胞的生存。恢复 GSK-3 的活性对心力衰 竭患者影响如何有待阐明。 另外，GSK-3 在生理性心肌肥厚 （包括运动诱导的心 肌肥厚） 以及心脏衰老的病理生理过程中起何作用？有哪些 调控心肌细胞凋亡的信号途径汇集于 GSK-3？GSK-3 又 如何促进心肌细胞凋亡？GSK-3 通过什么机制调节心肌
21、细 胞线粒体 PT 孔的开放？GSK-3 既抑制心肌肥厚又促进心 肌细胞凋亡， 如何把握这两者之间的平衡？还有， 心脏中 GSK-3 有何独特的功能？GSK-3 在心脏中的其他功能如 何？这些问题都有待于进一步研究。 参考文献 1Antos CL， McKinsey TA， Frey N， et al.Activated glycogen synthase-3beta suppresses cardiac hypertrophy in vivo.Proc Natl Acad Sci USA， 2002， 99： 907-912. 2Morisco C，Zebrowski D，Condorell
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