糖原合成酶激酶3與白血病的研究進展

周杰 陳祥燕 韓彬 余小平

GSK-3是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶，最初是在小鼠骨骼肌細胞中發(fā)現(xiàn)[1]，主要作用是使糖原合成酶發(fā)生磷酸化而失活，糖原合成酶是糖原合成過程中的最后一個作用酶。GSK-3通過與PI 3K/PTEN/AKT/mTOR、Wnt/β-catenin、Notch、Ras/Raf/ERK等多個信號通路發(fā)生相互作用[2]，參與調節(jié)代謝、胚胎發(fā)育、細胞分化遷移凋亡等生理過程。在一些代謝性疾病、神經系統(tǒng)疾病、癌癥中存在GSK-3的異常表達[3-6]。而上述這些信號通路在白血病等疾病中通常呈異常調節(jié)[7]，提示GSK-3是白血病等疾病的一個有效治療靶點。而且，有研究表明，抑制GSK-3的表達能增加耐藥細胞對一些藥物和小分子抑制劑的敏感性[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 蛋白分子量為 51 kDa，GSK-3 β 為 47 kDa，GSK-3 α和GSK-3 β在結構上非常相似，功能各有不同。GSK-3 α+/GSK-3 β-小鼠在胚胎發(fā)育16 d出現(xiàn)死亡，主要是由肝細胞凋亡導致。GSK-3 α-/GSK-3 β+小鼠出現(xiàn)血糖增加和脂肪減少，代謝和神經發(fā)育異常。

2 GSK-3 調節(jié)分子

GSK-3 α和 GSK-3 β在細胞中廣泛表達，GSK-3 β能使40多種蛋白質發(fā)生磷酸化，包括20多種轉錄因子[8]。GSK-3 α和 GSK-3 β在正常細胞中保持活性狀態(tài)，當在多種刺激和信號傳導作用下，分別通過S 21和S 9位點磷酸化而失去活性。許多酶能引起GSK-3 β的磷酸化，例如蛋白酶A、Akt、p 90 Rsk（p 90 核糖體 S 6 蛋白激酶）、P 70 S 6K（P 70 核糖體S 6蛋白激酶）。GSK-3 α和 GSK-3 β磷酸化主要有以下方式：（1）胰島素引起Akt激活；（2）上皮生長因子、血小板衍化生長因子以及其他生長因子引起Ras/Raf/ERK/ p 90 Rsk 1激活；（3）其他信號分子：p 90 Rsk、P 70 S 6K。除了 S 21 和 S 9 位點發(fā)生磷酸化外，研究顯示Y 279和Y 216位點能自我磷酸化（antophosphorylation）[9]。凋亡刺激能引起GSK-3 β在Y 216位點磷酸化水平升高，提示GSK-3 β在細胞凋亡中起著一定作用。另有研究發(fā)現(xiàn)，脯氨酸富集的酪氨酸激酶（proline-rich tyrosine kinase,PYK 2）能在Y 216和Y 270位點引起GSK-3的磷酸化。細胞外信號調節(jié)激酶（extracellular signal-regulated kinase,ERK）能在T 43位點引起GSK-3 β磷酸化，通過構象改變而引起GSK-3 β活性變化[8]。

3 GSK-3 對細胞增殖凋亡的調節(jié)作用

GSK-3通過改變P 70 S 6K、細胞周期蛋白和細胞周期蛋白依賴激酶復合物（cyclin-Cdk complex）的活性，影響細胞增殖和分裂[10-11]。通過對GSK-3抑制能阻止細胞周期蛋白D 1（Cyclin D 1）和細胞周期蛋白E（Cyclin E）磷酸化，阻止它們的核輸出以及降解。GSK-3能調節(jié)轉錄因子的活性，這使其在細胞增殖中發(fā)揮著重要作用[12]。GSK-3 β通過p 53調節(jié)生長抑制和DNA損傷誘導劑45（growth arrest and DNA damageinducible 45，GADD 45）和 GADD 153，從而抑制細胞周期進程和腫瘤基因表達。GSK-3 β還能通過c-Myc調節(jié)GADD 45和GADD 153基因以及控制CDC 25（cell division cycle 25 A）的表達，CDC 25是一種重要的細胞周期調節(jié)劑。GSK-3 β也能控制轉錄因子NF-kB的活性[12]，與NF-kB一起調節(jié)粘著斑激酶的表達[13]。

GSK-3 β在凋亡和抗凋亡家族成員的表達調節(jié)中發(fā)揮作用，研究表明GSK-3能調節(jié)抗凋亡因子Mcl-1(myeloid cell leukemia sequence 1)的表達，使抗凋亡因子Bcl-2（B-cell lymphoma 2）家族成員在白血病細胞中穩(wěn)定表達，GSK-3 β也能通過c-Myb (myeloblastosis transcription factor)調節(jié)Bcl-2的轉錄。c-Myb與淋巴樣增強子結合因子1（lymphoid enhancer-binding factor 1，LEF-1）連接后與 Bcl-2和BIRC 5基因的啟動區(qū)結合從而阻止白血病細胞凋亡[14]，抑制GSK-3 β能使c-Myb表達下調。

4 GSK-3 在維持造血干細胞穩(wěn)態(tài)中的作用

造血干細胞(hematopoietic stem cells,HSC)在一定情況下既要維持原有自我更新細胞的數(shù)量，也要定向分化出子代細胞去補給成熟血細胞的生理損耗，GSK-3在維持HSC的穩(wěn)態(tài)中起著重要作用。GSK-3失活會引起HSC消耗，而mTORC 1抑制劑能阻止這種消耗，表明GSK-3失活后是通過mTORC 1激活引起HSC消耗，該研究還表明GSK-3通過Wnt/β-catenin信號通路調節(jié)HSC的自我更新，GSK-3是一個調節(jié)開關，可以通過mTORC 1和Wnt/β-catenin信號通路控制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對mTORC 1的抑制作用，表明經典Wnt信號通路和GSK-3激活相反的信號通路，它們的作用方式正好相反，這些通路的激活使HSC選擇自我更新或者分化。在GSK-3 α和 GSK-3 β敲除小鼠模型上觀察到HSC開始是增加的，接著會逐漸減少，表明GSK-3對HSC維持穩(wěn)態(tài)發(fā)揮重要作用，同樣PTEN和TSC 1敲除小鼠也會表現(xiàn)出類似現(xiàn)象，PTEN是GSK-3的上游分子，對Akt的表達起著負調節(jié)作用，Akt又對GSK-3的表達起著負調節(jié)作用。

Klein等[16]的研究表明，在沒有外源性細胞因子存在情況下，使用mTORC 1抑制劑rapamycin阻斷mTOR信號通路以及使用GSK-3抑制劑激活Wnt/β-catenin信號通路，能使人和小鼠的HSC在體外保持正常生存狀態(tài)。另有體內研究發(fā)現(xiàn)，rapamycin和GSK-3抑制劑CHIR 99021能增加多能干細胞（long-term HSCs）數(shù)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。有實驗表明，抑制GSK-3能使小鼠的胚胎干細胞（embryonic stem cells,ESCs)保持其多能性，而且缺少GSK-3的ECSs即使在誘導分化培養(yǎng)條件下，也能維持干細胞多能性特征。

5 GSK-3 與白血病

GSK-3在白血病發(fā)生發(fā)展中發(fā)揮重要調節(jié)作用，近年來，諸多研究者把GSK-3看作治療白血病的一個關鍵靶點。GSK-3能調節(jié)β-catenin的活性，β-catenin在白血病中通常表現(xiàn)為激活狀態(tài)，β-catenin激活能增強細胞耐藥和促進白血病干細胞(leukemia stem cells,LSCs)的產生[18]。然而，正常 HSC 自我穩(wěn)態(tài)的維持不需要β-catenin的參與。研究發(fā)現(xiàn)在GSK-3 α活性丟失的AML細胞中，其形態(tài)學改變、表面標志物和基因表達變化與髓樣分化吻合，表明GSK-3 α失活能誘導AML細胞的分化[19]，抑制GSK-3 α引起c-Myc及其相關基因表達下調，或許是GSK-3 α失活從而引起AML分化的機制。

GSK-3 α除了影響細胞分化外，還能抑制細胞生長增殖，誘導凋亡。GSK-3抑制劑也具有一定的抗腫瘤效應，但是也會促進某些腫瘤的生長。GSK-3還能通過與視黃酸受體（retinoic acid recepter,RAR）相互作用從而減少AML的分化[20]。RAR在急性早幼粒細胞性白血?。╝cute promyelocytic leukemia,APL）中因為重排受到破壞，RAR的配體全反式維甲酸（all-trans retinoic acid）的使用能增加APL的分化能力。GSK-3能使RAR發(fā)生磷酸化而失活，抑制GSK-3能提高全反式維甲酸引起的分化潛能。

血液循環(huán)中，HOX蛋白調節(jié)造血干細胞的自我更新，HOX基因突變及其上游調節(jié)基因MLL和CDX 2突變和錯誤表達都會導致HOX蛋白調節(jié)功能的異常，導致急性白血病中常見的造血干細胞自我更新紊亂。研究顯示，CREB Ser 129位點磷酸化誘導CREB與MEISI結合，它們的結合促進HOX介導的轉錄，最終維持MLL白血病干細胞的轉錄功能，而CREB Ser 129位點正好是GSK-3的作用位點，GSK-3抑制劑作用于MLL白血病細胞會抑制其增殖功能[21]。這表明GSK-3可以通過CREB/MEISI/HOX調節(jié)白血病細胞增殖，使其成為MLL白血病的一個有效治療靶點。GSK-3抑制劑雖然能抑制MLL白血病細胞增殖，但經典Wnt信號通路的超活化卻能阻礙抑制劑對GSK-3的抑制作用，β-catenin抑制劑能增加MLL白血病干細胞對GSK-3抑制劑的敏感性，從而達到抑制細胞增殖的效應[22]。

然而，在Bcr-Abl酪氨酸激酶誘發(fā)的慢性粒細胞白血?。╟hronic myeloid leukemia，CML）中，GSK-3 的活性狀態(tài)卻對CML白血病細胞起著抑制增殖、促進凋亡的作用[23]。CML中存在大量GSK-3失活狀態(tài)，內源性神經酰胺再活化GSK-3會抑制CML細胞增殖，抑制Bcl-Abl表達從而促進凋亡，這表明GSK-3活化對于CML起著抑制作用，GSK-3活化還能改善CML白血病細胞對Bcl-Abl抑制劑的耐藥效應。

新近研究顯示，F(xiàn)orkhead box O 3(FOXO 3)水平的升高有助于白血病起始細胞(leukemia-initiating cells,LICs)維持其功能和不成熟狀態(tài)，Akt的表達水平和FOXO 3的水平之間存在復雜的相互作用[24]。在耐藥白血病細胞（resistant leukemia cells）中，JNK/c-Jun激活水平升高與FOXO水平降低存在關聯(lián)，JNK抑制劑能增強Akt的活化，使FOXO 3的損耗增加，從而誘導AML LICs的分化。該研究作者認為mTORC 1和GSK-3 β在Akt和FOXO 3之間的信號傳導中起著重要作用，消除FOXO的抑制效應。在淋巴細胞性白血?。˙-CLL）中，抑制GSK-3能導致NF-κB靶基因的表觀遺傳沉默，誘導凋亡，抑制細胞的增殖。

6 結語

綜上所述，GSK-3 α和GSK-3 β是參與調節(jié)很多生化過程的重要酶。胰島素引起的Akt激活，上皮生長因子、血小板衍化生長因子等引起的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具有多種生物學功能，既能通過P 70 S 6K和細胞周期蛋白等影響細胞增殖和分裂，又能通過調節(jié)抗凋亡基因影響細胞凋亡。GSK-3通過與mTOR和Wnt/β-catenin信號通路的相互作用調節(jié)造血干細胞的分化和自我更新，從而維持造血干細胞數(shù)量和功能的相對恒定。GSK-3既能促進MLL白血病細胞的增殖，又能對CML白血病細胞發(fā)揮抑制作用，這可能是各類白血病發(fā)生發(fā)展所涉及優(yōu)勢信號通路不同造成GSK-3這種相互矛盾的作用，進一步對GSK-3的深入研究，分析其在不同類型白血病中發(fā)揮的作用有助于篩選白血病的最佳治療方案。

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