AKT-GSK3信号通路与缺血缺氧性脑损伤

AKT-GSK3信号通路与缺血缺氧性脑损伤 医学综述2010年12月第16卷第23期MedicalRecapitulate,Dec2010,Vo1.16,No.23 AKT-GSK3信号通路与缺血缺氧性脑损伤 ? 3521? 熊涛(综述),屈艺,母得志(审校) (四川大学华西第二医院儿科,成都610041) 中图分类号:R729文献标识码:A文章编号:1006-2084(2010)23-3521-04 摘要:丝氨酸.苏氨酸蛋白激酶(AKT)被视为缺血缺氧中减轻神经细胞损伤的主要 信号转导 蛋白.糖原合成酶激酶3(GSK.3)是AKT下游的重要蛋白,在脑缺血缺氧损伤中发 挥促凋亡作 用.脑缺血缺氧损伤后,AKT磷酸化后激活,继而使GSK-3失活,发挥脑保护作用. 该信号通路 也参与各种化学制剂对脑缺血的保护机制.GSK-3抑制剂的研究和运用可能为缺 血缺氧性脑损 伤的临床治疗提供新的理论依据. 关键词:丝氨酸一苏氨酸蛋白激酶;糖原合成酶激酶3;缺血缺氧;脑损伤 AKT-GlycogenSynthaseKinase3PathwayandHypoxic-ischemicBrainInjuryXIONGTa o,Qu Yi,MUDe-zhi.(DepartmentofPediatrics,WestChinaSecondUniveni~Hospitd,SichuanU niversity, Chengdu610041,China) Abstract:Sefine/threonineproteinkinaseAKTisregardedasakeysignaltransductionprotei nwhich alleviateshypoxic— ischemicbraininjury.Glycogensynthasekinase3(GSK-3),oneofthedownstreamsig- nalingmoleculesofAKT,playsaroleinpromotingapoptotiesignalingpathway.Afterphosp horylation, AKTcaninactivateGSK-3andthusprotectbrainsfromischemichypoxieinjury.ATK—GSK3pathwayis involvedinneuralprotectiveeffectsofvariouschemicalagentsunderthestimulationofhypo xie—ischemia. Therefore,studiesofinhibitorsofGSK3mightprovidenoveltherapeuticstrategiesforhypox ia—ischemic braininjuryinclinic. Keywords:Sefine/threonineproteinkinase;Glycogensynthasekinase3;Pathway;Hypoxia —ische— mic;Cerebralinjury 丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶(serine/threoninepro- teinkinase,AKT)是促进细胞存活的主要信号转导蛋 白,在各种缺血缺氧模型中起着减轻神经细胞损伤 的作用.糖原合成酶激酶3(glycogensynthasekinase 3,GSK一3)是AKT下游的重要蛋白,在脑缺血缺氧损 伤中发挥促凋亡作用.近年研究表明,ATK—GSK3途 径参与脑缺血缺氧损伤的调控,现对此予以综述. 1ATK-GSK3途径概述 1.1AKTAKT是磷脂酰肌醇3激酶(phos- phoinositide3-kinase,PI3K)信号通路中的重要激酶. 该蛋白激酶活性区因与蛋白激酶C和蛋白激酶A有 高度同源性,故也被称为蛋白激酶B.其上游信号分 子磷酸肌醇依赖性蛋白激酶,整合素连接激酶可增 进其活性,而磷酸酶PTEN则抑制其活性.AKT通 过Ser473残基磷酸化而激活,激活后的AKT可磷酸 化下游蛋白,如Bad,GSK313,caspase-9等而发挥抑制 凋亡作用…. 1.2GSK.3GSK一3是一种高度保守的AKT,广泛 表达于真核生物,是胰岛素依赖性糖原合成的重要 调节因子,包括胰岛素在内的多种胞外刺激,通过失 基金项目:国家自然科学基金(30825039,30973236);四川省卫 生厅基,~(090230,080236);四川省科技厅基金(NO.08ZQO26-O69); 四川省人事厅基金(078RC-256515) 活GSK.38而发挥效应.最近 研究发现,GSK-3除参与糖代 谢外,还参与了许多基本的细 胞功能,如发育期细胞命运, 肿瘤发生和细胞凋亡.哺 乳动物中GSK一3具有GSK-3or 和GSK.3B两种亚型,GSK.313 高度表达于中枢神经系统并 具有神经系统特异性.GSK.3 被看作调节神经退行性疾病 和炎症性疾病的关键性蛋白. 在包括神经退行性疾病在内 的许多疾病中发挥着关键性 的作用【3J.GSK.3B在细胞内活性受双位点磷酸化 调控,在Tyr216磷酸化激活,GSK一3p在Tyr216去磷 酸化或者在Ser9磷酸化而失活. 1.3AKT-GSK3途径GSK-3是AKT最早发现的 直接底物之一,活化的AKT与GSK一3结合后,诱导 GSK一3向细胞膜转位,磷酸化其N端的Ser活性位点 而使GSK一3失活,最终影响GSK下游底物,如细胞分 裂素(丝裂原)活化蛋白激酶,核因子KB(nuclear factorKB,NF—KB),tau蛋白,c—Jun转录子和胰岛素受 体底物等.AKT—GSK3途径参与并影响包括胰岛素 诱导的糖原和蛋白质合成调控,细胞生长分化,抗凋 亡过程等下游事件. 2AKT-GSK3途径在脑缺血缺氧损伤中作用 2.1脑缺血模型中AKT.GSK3途径 2.1.1AKT在脑缺血缺氧损伤中的作用缺血/再 灌注诱导的损伤可导致炎性反应,可进一步触发信 号通路激活而最终导致细胞凋亡或坏死.复杂繁多 的化学递质和信号途径参与了此进程,大量研究证 实,PI3K/AKT信号通路参与了脑缺血神经细胞凋 亡L2loJ.由于AKT可调节众多底物而阻止凋亡,因 此被视为关键性的靶点.当细胞在应激状态时,维 系细胞DNA稳定的内在通路和外部的炎症激活均 可驱动AKT介导的细胞存活通路,通过调节一系列 ? 3522?医学综述2010年l2月第l6卷第23期 MedicalRecapitulate,Dec2010,Vo1.16,No.23 的下游途径,最终控制半胱天冬酶途径和线粒体细 胞死亡途径,维持染色体的稳定性,阻止炎症所致细 胞死亡j.此外,AKT激活可显着增加脑缺血诱导 的神经发生,促进新生神经细胞的迁移和存活. 因此,对于减轻缺血缺氧性神经损伤和修复重建均 具有广泛的保护作用. 2.1.2脑缺血后AKT—GSK3B途径激活在短暂性 全脑缺血和局部脑缺血模型中,磷酸化AKT水平均 升高.推测短暂非致死性脑缺血诱导的AKT磷酸化 水平升高,有助于神经元抵抗致死性缺血引起的损 伤.当使用PI3K/AKT抑制剂LY294002后,缺血损 伤加重.在过度表达铜/锌超氧化物歧化酶的转基 因大鼠短暂的局部脑缺血模型中,磷酸化AKT持续 性增加,是重要的对抗缺血损伤的神经保护机制J. 在缺血刺激后,AKT首先通过Ser473磷酸化而 激活,继而诱导包括GSK3在内的促凋亡因子失活, 最终抑制神经细胞死亡.AKT磷酸化GSK313Ser9位 点而使后者失活,为神经元抵抗凋亡的机制之一. 由于缺血程度和缺血模型不同,缺血后 AKT.GSK3途径呈现不同状态.Sasaki等叫研究发 现,脑缺血后GSK一36水平发生变化,短暂的大脑局 部缺血模型中,在大鼠大脑皮质和背侧尾端可见 GSK一3p的强阳性反应.皮质神经元Tyr216位点磷 酸化的GSK.3B增加,但Ser9位点磷酸化的GSK.3B 并未改变. 与此不同的是,Endo等?研究发现,在易损的 海马CA1区Ser9磷酸化的GSK3B表达增加,总 GSK一3p或Tyr216位点磷酸化的GSK3p未发生改 变.在严重缺血的情况下,如局部脑缺血90min的 模型中,GSK-36激活促进细胞凋亡.相反地,在轻 度脑缺血时,如短暂5rain的全脑缺血模型,GSK一3$ 失活,促进细胞存活. 2.1.3其他脑缺氧或缺血损伤模型中AKT和 GSK3B途径Goldbar等发现睡眠时,间断性缺 氧诱导大鼠海马CA1区AKT存活途径随时间而发 生改变.成年雄性大鼠睡眠时暴露于缺氧环境,检 测总的和磷酸化的AKT和GSK38表达发现,在缺氧 1h后,磷酸化蛋白表达降低,在6h至3d达到最低 点,在14—30d恢复基线水平.磷酸化的AKT和 GSK3B高度表达于海马CA1区神经元细胞. 在蛛网膜下出血模型中,Endo等发现过度表 达铜/锌超氧化物歧化酶的转基因鼠,可抵抗蛛网膜 下出血的脑损伤模型中氧化应激所致的神经损伤. 该模型分别在野生型和超氧化物歧化酶的转基因鼠 血管内行穿孔术,在24h后探测细胞死亡,转基因鼠 大脑皮质凋亡细胞显着减少,超氧负离子生成显着 减少,其病死率也显着减少.蛋白印迹分析和免疫 组化证实,磷酸化的AKT和GSK一3B在大脑皮质增 加.因此,超氧化物歧化酶的转基因鼠抵抗蛛网膜 下出血后,氧化应激脑损伤的能力增强可能与激活 AKT/GSK3B存活途径有关. 2.2AKT—GSK3途径参与化学药物对脑缺血的调控 吡咯烷二硫代氨基甲酸是一种抗氧化剂和NF—KB 的抑制剂,可减少炎症和凋亡.啮齿动物缺血2.5h 后,予单剂注射50mg/kg的吡咯烷二硫代氨基甲酸, 缺血后7d行磁共振检测发现可减少59%的脑梗死 体积.减少缺血缺氧诱导的AKT和GSK313去磷酸 化,caspase一3和NF.KB表达.可见,除了抑制 NF—s:B,吡咯烷二硫代氨基甲酸可抑制AKT-GSK-3B 通路所引起的细胞凋亡,发挥抗氧化作用,最终减少 缺血缺氧脑损伤. Cimarosti等研究17.B雌二醇在体外海马脑 片缺血模型中的神经保护作用时,17一B雌二醇急性 或慢性处理组织后予氧糖剥夺处理.单纯氧糖剥夺 处理后,海马CA1区70%的细胞细胞死亡.予急性 或慢性17.B雌二醇处理后再行氧糖剥夺则细胞凋亡 率降至15%.免疫印迹证实急性或慢性17一p雌二 醇处理诱导AKT磷酸化激活和GSK.3B磷酸化失 活.AKT磷酸化抑制剂LY294002能阻断此效应. Brywe等?刮采用单侧颈动脉结扎后低氧处理制 造缺氧缺血模型后,脑室内注入生长激素释放肽 HEX.在4个冠状面水平进行区域性神经病理评 分,发现治疗组大脑皮质,海马和丘脑区域损伤减少 39%,伴随caspase一3活性显着降低,AKT,GSK-3B磷 酸化增加.验证了生长激素释放肽在新生鼠体内的 神经保护效应与激活AKT.GSK313一caspase途径 相关. Ghrelin是一种脑肠肽,可能是脑与胃肠道之间 调节内分泌的一种介质.最近研究发现,神经细胞 内的ghrelin具有抗凋亡作用.Chung等采用原代 培养的大鼠皮质神经元氧糖剥夺模型探讨其神经保 护作用,发现ghrelin能增加Bcl-2/Bax比值,阻止细 胞色素c释放,抑制caspase.3激活,发挥抑制凋亡的 作用.抑制促分裂原活化蛋白激酶和PI3K可阻断 ghrelin的抗凋亡作用.因此,ghrelin的保护效应与 磷酸化的胞外信号调节激酶1/2,AKT和GSK3p相 关,其抗凋亡作用通过PI3K/AKT诱导的GSK3B失 活作用而实现. 此外,血小板衍生生长因子也通过调节GSK一3p 磷酸化和表达发挥促神经存活作用t83;在局部脑缺 血鼠模型中,亚低温可阻断GSK.3B的降解而稳定B 连环蛋白,以发挥神经保护作用.在原代培养大 医学综述2010年l2月第l6卷第23期MedicalRecapitulate.Dec2010.Vo1.16.N0.23 鼠海马神经元缺氧损伤模型中,黄芪提取物能明显 提高损伤海马神经元细胞活力,降低细胞凋亡率. 其保护作用与激活PI3K/AKT细胞信号通路 有关]. 2.3GSK一3B抑制剂的神经保护作用TDZD一8是 GSK.3B的一种非ATP竞争性小分子抑制剂. Collino等在大鼠脑缺血/再灌注模型中研究发现, 30min短暂缺血后再灌注1h可显着增加活性氧簇 的生成和改变超氧化物歧化酶活性.再灌注24h凋 亡明显,血浆肿瘤坏死因子,环氧化酶2,诱生型一 氧化氮合酶和细胞间黏附分子1表达增加.缺血前 后给予TDZD.8可使GSK.3BSer9磷酸化而失活,大 鼠脑梗死体积和脑损伤标志蛋白S100B减少.该效 应伴随氧化应激,凋亡和炎性反应标志物显着减少, 细胞分裂素活化蛋白激酶JNK1/2,p38和NF—KB 激活. 胰岛素是一种GSK一313抑制剂,在动物及人类试 验中证实可降低缺血/再灌注损伤.在药物诱导建 立的糖尿病鼠模型中,缺血诱导的脑损伤和认知损 害与GSK一3B激活有关?2.Collino等l23J发现,在糖 尿病大鼠模型中,夹闭颈总动脉30min后恢复灌注 1h或者24h.再灌注时候给予胰岛素或者TDZD一8 均可显着减少梗死体积和脑损伤标志蛋白S100B水 平.两种药物均诱导了GSK.3BSer9残基磷酸化,从 而降低了GSK一3B在海马区的活性.再灌注1h后, 治疗组动物海马区氧自由基产生减少,脂质过氧化 反应减弱,氧化应激明显降低;缺血/再灌注诱导的 NF—KB激活也被抑制.再灌注24h后,两种药物均 显着降低血浆肿瘤坏死因子水平和中性粒细胞浸 润;细胞间黏附因子1,环氧化酶2,诱导一氧化氮合 成酶的表达减少.可见GSK-3B抑制可减少糖尿病 鼠缺血/再灌注脑损伤. 胰岛素样生长因子I(insulin—likegrowthfactor— I,IGF—I)是一种神经营养因子,同时也是一种 GSK-3B抑制剂,在短暂的局部脑缺血模型中可显着 减小梗死体积,减少GSK一38阳性细胞数量.在新生 7d大鼠缺血/再灌注损伤模型中,IGF.I具有神经保 护作用.单纯行颈动脉结扎缺血后,磷酸化的AKT 和磷酸化的GSK.3B表达在结扎侧大脑半球消失,对 侧大脑半球表达减少.缺血后IGF—I处理诱导同侧 大脑半球神经细胞胞质磷酸化的AKT增加,胞质和 胞核磷酸化的GSK一3B增加,并减少caspase.3和 caspase一9活性,最终可减少40%的脑损伤.总之,缺 血/再灌注后,IGF-I可诱导AKT激活,GSK一313失 活,抑制caspases激活而减少大鼠未成熟脑损伤. Cowper.Smith等研究GSK一3B抑制剂在少年 ? 3523? 和成年小鼠缺血缺氧脑损伤模型中的神经保护作用 发现,缺氧7d后,在少年小鼠模型中,腹膜内注射 GSK一3B抑制剂并未减少脑损伤;相反地,成年小鼠 中使用GSK一313抑制剂疗法可减少海马区10%细胞 丢失和纹状体15%细胞丢失,还能显着减少TUNNEL 阳性细胞和梗死体积.运动协调功能测试也证实 GSK一3B抑制剂可促进长期神经功能的恢复.这些 结果证实GSK.3B抑制剂可在成年小鼠发挥长期的 神经保护效应. Koh等_2副证明,GSK一3抑制剂可改善局部脑缺 血模型梗死体积和神经功能.GSK一3抑制剂?可抑 制GSK.3酶活性和降低缺血后血糖水平,显着减少 缺血后脑梗死体积和脑水肿,并减少TUNNEL阳性 细胞(凋亡细胞)和中性粒细胞浸润,最终使神经行 为学功能在很大程度上得到恢复. Lee等研究GSK3B水平改变对于氧化应激 所致神经分化细胞PC12的影响时,发现不同浓度的 GSK3B抑制剂可发挥截然相反的作用. 5O,200nmolGSK3p抑市0剂?或25—500nmol GSK3B抑制剂?降低氧化应激增加的50%GSK3B 酶活性,保护神经细胞免受诱导的H:O:氧化应激. 最佳浓度的GSK313抑制剂?促进热休克基因转录因 子1表达,降低微管相关蛋白的磷酸化水平和细胞 色素c的漏出,激活caspase.3及其底物多聚腺苷二 磷酸一核酸聚合酶.但是高浓度的GSK3B抑制剂? 却诱导神经细胞死亡,对胞内信号途径表现出相反 的效应.本研究结果提示,最佳水平的GSK3B抑制 可阻止神经退行性疾病中氧化应激所诱导的凋亡. 3展望 AKT.GSK3途径是PI3K信号通路中最重要的下 游途径之一,与脑缺氧缺血损伤密不可分.脑缺血 缺氧中AKT/GSK.3B信号通路的下游机制仍然不 清,GSK-3p激活后可介导p连环蛋白磷酸化而促进 细胞死亡_2引,也可磷酸化微管相关蛋白使其不能溶 解而导致细胞死亡_29J.各种GSK3抑制剂均具有减 轻缺血后神经损伤的作用,针对该抑制剂的进一步 研究,可望为脑缺血缺氧性疾病的临床治疗提供新 的理论依据. 参考文献 [1]ZhaoH,SapolskyRM,SteinbergGK.Phosphoinositide-3一kinase/ aktsurvivalsignalpathwaysareimplicatedinneuronalsurvivalaf- terstroke[J].MolNeurobiol,2006,34(3):249-270. [2]CunyGD.Kinaseinhibitorsaspotentialtherapeuticsforacuteand chronicneurodegenerativeconditions[J].CurrPharmDes,2009, l5(34):3919-3939. [3]DugoL,CollinM,ThiemermannC.Glycogensynthasekinase3beta asatargetforthetherapyofshockandinflammation[J3.Shock, 2007,27(2):113—123. 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