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【摘要】阿尔茨海默病具有神经原纤维缠结和tau蛋白的异常磷酸化两大病理特征，这种病理特征可导致神经细胞骨架异常并与神经原死亡有关，近来的一些理论提出的糖原合酶激酶（GSK）参与了上述两大病理特征的形成，本文就GSK在AD病变中对大脑功能的影响及相关联系综合论述，主要概述在AD时GSK的变化和由此所引起的一系列改变。
【关键词】阿尔茨海默病；（Alzheimer's disease ，AD）；糖原合酶激酶-3（GSK-3）
Ahl tribulus sea silent sickness and glycogen synthase activating enzyme - 3 related relations
LIU JingSONG GuangZHANG Nan
【Abstract】Ahl tribulus sea silent sickness has the neurofibril tangle and the tau protein unusual phosphorylation two big pathology characteristic, this pathology characteristic might cause the nerve cell skeleton exceptionally and with the neuron death related, the glycogen synthase activating enzyme which the recent some theories proposed (GSK) participated in the above two big pathology characteristic formation, this article elaborates on GSK in the AD pathological change to the cerebrum function influence and the correlation relation synthesis, main outline when AD the GSK change and caused from this a series of changes.
【Key words】Ahl tribulus sea silent sickness; (Alzheimer' s disease, AD); Glycogen synthase activating enzyme - 3 (GSK-3)
随着人类寿命的延长，AD这种以认知功能下降（包括记忆、定位、判断、推理等方面）为特征的进行性神经退行性疾病逐渐增多。对健康老龄人、AD以及轻微认知功能障碍患者的研究中发现，GSK-3在AD病变中扮演重要角色， AD以及轻微认知功能障碍患者的GSK-3蛋白总量增加，而其活性却无代偿性的下降。在可获取的组织中，GSK的测量可能成为一种有价值的指标。
1GSK-3与蛋白的异常过度磷酸化
众所周知，在AD中，tau蛋白构成的聚合物出现了过度磷酸化，在非病态的大脑中，这种过度磷酸化的位点同样可见，不同的是这些位点所发生的是较短扩展的磷酸化[1]。在众多可以使这些位点的tau蛋白的磷酸化的激酶中，GSK-3是这些参与AD病理形成、其发病起重要作用的蛋白质之一。
GSK-3 因其能磷酸化糖原合成酶并使之失活而命名。GSK~3 的活性与 AD 的发生系密切 ,然而其活性的调节机制仍不明了。GSK-3 的磷酸化调节是最重要的并受到普遍重视的机制之一。已知胰岛素、生长因子等信号分子可通过 PI3K/ PKB 途经改变GSK~3 的磷酸化状态进而调节其活性[2]。激活P KB 引起 GSK~3 在 Ser 位点 (分别是 GSK3α-ser-1 、GSK3β-ser9) 磷酸化而失活。有实验以 PI3 K 的抑制剂 WT 处理 N2a/ wt 细胞发现 , WT 作用 1h 时 ,GSK-3 活性显著增高 ,并同时伴有 GSK-3β在 Ser9位點的磷酸化减少、即失活状态的 GSK-3 的减少 ,从而证实了在 N2a/ wt 中 PI3K/ PKB 是调节 GSK-3 活性的有效途径之一[3]。
神经原纤维缠结是AD的神经病理性改变[4]。异常的过度磷酸化的tau蛋白和神经丝（NF）是组成神经原纤维缠结的成分，异常的过度磷酸化可能由蛋白激酶和蛋白磷酸酶失调导致的[5] 在多种激酶中，GSK-3是参与AD神经性退行性改变的主要成分，为了分析GSK-3在AD中，如神经纤维变性中所扮演的角色，在野生小鼠成神经瘤细胞（N2a/ wt）被渥曼青霉素 (wortmannin ，WT)处理后，一种能够抑制磷脂肌醇3-激酶（PI3K），影响WT细胞代谢作用、细胞形态、细胞凋亡以及tau蛋白和NF磷酸化的物质被发现，同时还发现这些参数的改变与GSK-3的活性相关联。包括：①经过1μmol/ L WT处理过的细胞出现了短暂的（1h）的GSK-3活性增强以及并存的tau蛋白和NF磷酸化程度的上升。在3h时GSK-3的活性下降，NF的超磷酸化部分得以恢复。②在剂量依赖方法中，应用还原测定法发现WT降低了细胞的代谢功能，③经过1μmol/ L WT处理过的细胞在1h或3h内抑制了细胞突变。④无典型的细胞凋亡损伤在GSK-3活性的暂时性高峰中出现[7]。这些结果表明，短暂的GSK-3的超活化将导致AD类似于细胞骨架过度磷酸化和细胞活力的损伤。
神经微丝是神经细胞中特异的中等纤维 ,也是N2a/ wt 细胞中含量较为丰富的一种细胞骨架蛋白 ,其功能是维持神经细胞形状,调节轴突直径和轴浆运输[6]。而神经微丝的过度磷酸化可抑制其与微管的相互作用,破坏细胞正常骨架结构。提示在 AD 中,存在某种蛋白激酶活性的增强,从而导致神经微丝异常过度磷酸化的发生。一些实验也证实GSK-3在培养的新生大鼠海马脑片水平参与神经细丝的磷酸化调节,神经元出现AD样退行性变(结果未显示)。此结果以N2a/ wt 为研究对象,在细胞水平探讨了GSK-3活性改变对神经细丝磷酸化状态的影响。结果发现[3]:野生型 N2a/ wt 细胞未经 WT 处理时,磷酸化神经细丝主要位于细胞突起,而非磷酸化神经细丝则主要位于胞体。这一分布特征与正常人和SY5Y细胞中的神经细丝分布相似。经 WT处理1h后,磷酸化和非磷酸化的神经细丝均向胞体聚集,细胞出现退行性改变,这与WT引起的GSK-3过度激活相关。可见GSK-3是神经细丝磷酸化程度的重要调节因素之一。
2GSK-3与胰岛素信号通路
AD的神经性退行性改变与许多原因密切相关，包括分子生物和生化异常等情况，如成分丢失、大量神经元纤维缠结、缺少营养的神经炎、淀粉样沉积、活性增加的前基因和信号通路、受损的能量代谢功能以及有关慢性氧化应激等等[10]，很难确定哪一个是主要的，然而，大量证据显示，糖原利用率降低和能量代谢障碍在AD早期出现，这暗示了受损的胰岛素通路在AD病理改变中有重要影响。现阶段的研究表示[11]，在AD患者大脑中许多异常情况，胰岛素和胰岛素生长因子I 和II（IGF-I IGF-II）信号机制参与其中。正常的生长因子在中枢神经系统中（CNS）神经元生长时，表达水平会大大下降。这种异常情况与胰岛素受体（IRS）底物mRNA，tau蛋白，IRS相关磷脂酰肌醇3-激酶，活化磷酸，增多的GSK-3活性以及淀粉样蛋白前体mRNA的表达相伴随。这种编码胰岛素，IGF-I，IGF-II和胰岛素受体的基因表达明显减少，表明AD伴随着一种神经内分泌的紊乱，与此类似但又不同于糖尿病。
与GSK-3密切相关的胰岛素抑制性大脑状态与AD相关，这种改变在人类的大脑中的胰岛素受体和它的下激区以及磷脂酰肌醇3-激酶信号通路上发现，但这些发现尚未在相关的动物实验模型中被证实与AD有关[12]。
3GSK-3的其它机制与AD
为了弄清AD作用的内在机制，有实验利用转基因小鼠，在其大脑中有人体活性GSK-3的过度表达，并受控于血小板衍生生长因子，在7只小鼠的后代中，6只体内的转基因蛋白出现了多样化。免疫染色法分析证明转基因的表达主要位于转基因动物大脑的皮质区和海马区，在经过与之相匹配的野生型小鼠比较后发现，转基因GSK-3的表达并没有明显的改变后代小鼠大脑中的GSK-3的总量，尽管在这六只小鼠表达的片段中提取出的人类GSK-3转基因蛋白里可以检测到明显的激酶活性，但明显的GSK-3激酶活性的提高只能在其后代部分片段中发现。通过分析这些转基因小鼠的后代，发现活化人体 GSK-3的过度表达导致了tau蛋白过度磷酸化和形态学上的神经原纤维缠结。
还有人发现脑衰老蛋白反应介导蛋白CRMP2和4是GSK-3的生理底物。这种被GSK定向的氨基酸包含一个高度磷酸化，这是首先在AD患者大脑中的分离出来的半髓鞘中发现的。主要在海马样神经元或SH-SY5Y成纤维瘤细胞表达的野生型CRPM的表达促进了轴突生长，然而，不敏感的GSK-3 CRPM I突变大大降低了这种促进轴突延伸的能力。因此有人提出，被GSK-3磷酸化的CRPM蛋白调节轴突延伸。
4展望
对于GSK-3与AD确切的病理联系现在还没有一个较为统一的说法，但是它绝对是研究大脑功能退行性改变的一个重要指标，弄清它在AD病变中的发生变化对预防及治疗AD均有积极意义，我们科研工作者值得投入精力和时间在这方面进行更为深入和具体的研究，为人类脑老化研究的领域开辟新的天地。
参考文献
[1]Neurobiol Aging.. GSK-3 dependent phosphoepitopes recognized by PHF-1 and AT-8 antibodies are present in different tau isoforms 2003 Dec;24(8):1087-94
[2]Sternberg NH,Sternberger LA,Ulrich J.Aberrant neurofilament phosphorylation in Alzheimer's disease.Proc Natl Acad Sci USA,1985,82(12):4274-4267
[3]陈娟,周洁,王建枝,冯友梅.糖元合酶激酶-3 过度激活对神经细丝磷酸化的影响解剖学杂志 2005 年第 28 卷第 3 期261~263
[4]徐启泰,蒋雨平.临床颅脑病学 2003 817-818
[5]Liu S J , Zhang A H , Li H L , et al. Overactivation of glycogensynthase kinase23 by inhibition of phosphoinositol23 kinase andprotein kinase C leads to hyperphosphorylation of tau andimpairment of spatial memory. J Neurochem , 2003 , 87 ( 6) :1333-1344
[6]Prog.biochem.Biophys 2004,31(6):532-537
[7]Betts JC , Blackstock WP , Ward MA , et al. Identification of phosphorrylation sites on neurofilament proteins by nanoelectrospray mass spectrometry. J Biol Chem , 1997 ,272(20) :12922212927
[8]Drewes G, Lichtenberg-Kraag B , Doring F , et al. Mitogen acti-vated protein (MAP) kinase transforms tau protein into an Alzheimer-like state. EMBO J , 1992 ,11 (6) :213122138
[9]Mandelkow EM , Drewes G, Biernat J , et al. Glycogen synthaseKinase-3 and the Alzheimer -like state of microtubule -associated protein tau. FEBS Lett , 1992 ,314 (3) :3152321
[10]J Alzheimers Dis. Impaired insulin and insulin-like growth factor expression and signaling mechanisms in Alzheimer's disease~is this type 3 diabetes .2005 Feb;7(1):63-80
[11]J Neurochem. Alzheimer-like changes in protein kinase B and glycogen synthase kinase-3 in rat frontal cortex and hippocampus after damage to the insulin signalling pathway. 2006 Feb;96(4):1005-15. Epub 2006 Jan 12
作者單位：110001中国医科大学
【关键词】阿尔茨海默病；（Alzheimer's disease ，AD）；糖原合酶激酶-3（GSK-3）
Ahl tribulus sea silent sickness and glycogen synthase activating enzyme - 3 related relations
LIU JingSONG GuangZHANG Nan
【Abstract】Ahl tribulus sea silent sickness has the neurofibril tangle and the tau protein unusual phosphorylation two big pathology characteristic, this pathology characteristic might cause the nerve cell skeleton exceptionally and with the neuron death related, the glycogen synthase activating enzyme which the recent some theories proposed (GSK) participated in the above two big pathology characteristic formation, this article elaborates on GSK in the AD pathological change to the cerebrum function influence and the correlation relation synthesis, main outline when AD the GSK change and caused from this a series of changes.
【Key words】Ahl tribulus sea silent sickness; (Alzheimer' s disease, AD); Glycogen synthase activating enzyme - 3 (GSK-3)
随着人类寿命的延长，AD这种以认知功能下降（包括记忆、定位、判断、推理等方面）为特征的进行性神经退行性疾病逐渐增多。对健康老龄人、AD以及轻微认知功能障碍患者的研究中发现，GSK-3在AD病变中扮演重要角色， AD以及轻微认知功能障碍患者的GSK-3蛋白总量增加，而其活性却无代偿性的下降。在可获取的组织中，GSK的测量可能成为一种有价值的指标。
1GSK-3与蛋白的异常过度磷酸化
众所周知，在AD中，tau蛋白构成的聚合物出现了过度磷酸化，在非病态的大脑中，这种过度磷酸化的位点同样可见，不同的是这些位点所发生的是较短扩展的磷酸化[1]。在众多可以使这些位点的tau蛋白的磷酸化的激酶中，GSK-3是这些参与AD病理形成、其发病起重要作用的蛋白质之一。
GSK-3 因其能磷酸化糖原合成酶并使之失活而命名。GSK~3 的活性与 AD 的发生系密切 ,然而其活性的调节机制仍不明了。GSK-3 的磷酸化调节是最重要的并受到普遍重视的机制之一。已知胰岛素、生长因子等信号分子可通过 PI3K/ PKB 途经改变GSK~3 的磷酸化状态进而调节其活性[2]。激活P KB 引起 GSK~3 在 Ser 位点 (分别是 GSK3α-ser-1 、GSK3β-ser9) 磷酸化而失活。有实验以 PI3 K 的抑制剂 WT 处理 N2a/ wt 细胞发现 , WT 作用 1h 时 ,GSK-3 活性显著增高 ,并同时伴有 GSK-3β在 Ser9位點的磷酸化减少、即失活状态的 GSK-3 的减少 ,从而证实了在 N2a/ wt 中 PI3K/ PKB 是调节 GSK-3 活性的有效途径之一[3]。
神经原纤维缠结是AD的神经病理性改变[4]。异常的过度磷酸化的tau蛋白和神经丝（NF）是组成神经原纤维缠结的成分，异常的过度磷酸化可能由蛋白激酶和蛋白磷酸酶失调导致的[5] 在多种激酶中，GSK-3是参与AD神经性退行性改变的主要成分，为了分析GSK-3在AD中，如神经纤维变性中所扮演的角色，在野生小鼠成神经瘤细胞（N2a/ wt）被渥曼青霉素 (wortmannin ，WT)处理后，一种能够抑制磷脂肌醇3-激酶（PI3K），影响WT细胞代谢作用、细胞形态、细胞凋亡以及tau蛋白和NF磷酸化的物质被发现，同时还发现这些参数的改变与GSK-3的活性相关联。包括：①经过1μmol/ L WT处理过的细胞出现了短暂的（1h）的GSK-3活性增强以及并存的tau蛋白和NF磷酸化程度的上升。在3h时GSK-3的活性下降，NF的超磷酸化部分得以恢复。②在剂量依赖方法中，应用还原测定法发现WT降低了细胞的代谢功能，③经过1μmol/ L WT处理过的细胞在1h或3h内抑制了细胞突变。④无典型的细胞凋亡损伤在GSK-3活性的暂时性高峰中出现[7]。这些结果表明，短暂的GSK-3的超活化将导致AD类似于细胞骨架过度磷酸化和细胞活力的损伤。
神经微丝是神经细胞中特异的中等纤维 ,也是N2a/ wt 细胞中含量较为丰富的一种细胞骨架蛋白 ,其功能是维持神经细胞形状,调节轴突直径和轴浆运输[6]。而神经微丝的过度磷酸化可抑制其与微管的相互作用,破坏细胞正常骨架结构。提示在 AD 中,存在某种蛋白激酶活性的增强,从而导致神经微丝异常过度磷酸化的发生。一些实验也证实GSK-3在培养的新生大鼠海马脑片水平参与神经细丝的磷酸化调节,神经元出现AD样退行性变(结果未显示)。此结果以N2a/ wt 为研究对象,在细胞水平探讨了GSK-3活性改变对神经细丝磷酸化状态的影响。结果发现[3]:野生型 N2a/ wt 细胞未经 WT 处理时,磷酸化神经细丝主要位于细胞突起,而非磷酸化神经细丝则主要位于胞体。这一分布特征与正常人和SY5Y细胞中的神经细丝分布相似。经 WT处理1h后,磷酸化和非磷酸化的神经细丝均向胞体聚集,细胞出现退行性改变,这与WT引起的GSK-3过度激活相关。可见GSK-3是神经细丝磷酸化程度的重要调节因素之一。
2GSK-3与胰岛素信号通路
AD的神经性退行性改变与许多原因密切相关，包括分子生物和生化异常等情况，如成分丢失、大量神经元纤维缠结、缺少营养的神经炎、淀粉样沉积、活性增加的前基因和信号通路、受损的能量代谢功能以及有关慢性氧化应激等等[10]，很难确定哪一个是主要的，然而，大量证据显示，糖原利用率降低和能量代谢障碍在AD早期出现，这暗示了受损的胰岛素通路在AD病理改变中有重要影响。现阶段的研究表示[11]，在AD患者大脑中许多异常情况，胰岛素和胰岛素生长因子I 和II（IGF-I IGF-II）信号机制参与其中。正常的生长因子在中枢神经系统中（CNS）神经元生长时，表达水平会大大下降。这种异常情况与胰岛素受体（IRS）底物mRNA，tau蛋白，IRS相关磷脂酰肌醇3-激酶，活化磷酸，增多的GSK-3活性以及淀粉样蛋白前体mRNA的表达相伴随。这种编码胰岛素，IGF-I，IGF-II和胰岛素受体的基因表达明显减少，表明AD伴随着一种神经内分泌的紊乱，与此类似但又不同于糖尿病。
与GSK-3密切相关的胰岛素抑制性大脑状态与AD相关，这种改变在人类的大脑中的胰岛素受体和它的下激区以及磷脂酰肌醇3-激酶信号通路上发现，但这些发现尚未在相关的动物实验模型中被证实与AD有关[12]。
3GSK-3的其它机制与AD
为了弄清AD作用的内在机制，有实验利用转基因小鼠，在其大脑中有人体活性GSK-3的过度表达，并受控于血小板衍生生长因子，在7只小鼠的后代中，6只体内的转基因蛋白出现了多样化。免疫染色法分析证明转基因的表达主要位于转基因动物大脑的皮质区和海马区，在经过与之相匹配的野生型小鼠比较后发现，转基因GSK-3的表达并没有明显的改变后代小鼠大脑中的GSK-3的总量，尽管在这六只小鼠表达的片段中提取出的人类GSK-3转基因蛋白里可以检测到明显的激酶活性，但明显的GSK-3激酶活性的提高只能在其后代部分片段中发现。通过分析这些转基因小鼠的后代，发现活化人体 GSK-3的过度表达导致了tau蛋白过度磷酸化和形态学上的神经原纤维缠结。
还有人发现脑衰老蛋白反应介导蛋白CRMP2和4是GSK-3的生理底物。这种被GSK定向的氨基酸包含一个高度磷酸化，这是首先在AD患者大脑中的分离出来的半髓鞘中发现的。主要在海马样神经元或SH-SY5Y成纤维瘤细胞表达的野生型CRPM的表达促进了轴突生长，然而，不敏感的GSK-3 CRPM I突变大大降低了这种促进轴突延伸的能力。因此有人提出，被GSK-3磷酸化的CRPM蛋白调节轴突延伸。
4展望
对于GSK-3与AD确切的病理联系现在还没有一个较为统一的说法，但是它绝对是研究大脑功能退行性改变的一个重要指标，弄清它在AD病变中的发生变化对预防及治疗AD均有积极意义，我们科研工作者值得投入精力和时间在这方面进行更为深入和具体的研究，为人类脑老化研究的领域开辟新的天地。
参考文献
[1]Neurobiol Aging.. GSK-3 dependent phosphoepitopes recognized by PHF-1 and AT-8 antibodies are present in different tau isoforms 2003 Dec;24(8):1087-94
[2]Sternberg NH,Sternberger LA,Ulrich J.Aberrant neurofilament phosphorylation in Alzheimer's disease.Proc Natl Acad Sci USA,1985,82(12):4274-4267
[3]陈娟,周洁,王建枝,冯友梅.糖元合酶激酶-3 过度激活对神经细丝磷酸化的影响解剖学杂志 2005 年第 28 卷第 3 期261~263
[4]徐启泰,蒋雨平.临床颅脑病学 2003 817-818
[5]Liu S J , Zhang A H , Li H L , et al. Overactivation of glycogensynthase kinase23 by inhibition of phosphoinositol23 kinase andprotein kinase C leads to hyperphosphorylation of tau andimpairment of spatial memory. J Neurochem , 2003 , 87 ( 6) :1333-1344
[6]Prog.biochem.Biophys 2004,31(6):532-537
[7]Betts JC , Blackstock WP , Ward MA , et al. Identification of phosphorrylation sites on neurofilament proteins by nanoelectrospray mass spectrometry. J Biol Chem , 1997 ,272(20) :12922212927
[8]Drewes G, Lichtenberg-Kraag B , Doring F , et al. Mitogen acti-vated protein (MAP) kinase transforms tau protein into an Alzheimer-like state. EMBO J , 1992 ,11 (6) :213122138
[9]Mandelkow EM , Drewes G, Biernat J , et al. Glycogen synthaseKinase-3 and the Alzheimer -like state of microtubule -associated protein tau. FEBS Lett , 1992 ,314 (3) :3152321
[10]J Alzheimers Dis. Impaired insulin and insulin-like growth factor expression and signaling mechanisms in Alzheimer's disease~is this type 3 diabetes .2005 Feb;7(1):63-80
[11]J Neurochem. Alzheimer-like changes in protein kinase B and glycogen synthase kinase-3 in rat frontal cortex and hippocampus after damage to the insulin signalling pathway. 2006 Feb;96(4):1005-15. Epub 2006 Jan 12
作者單位：110001中国医科大学