艾德思：GSK3与肺发育肺部疾病的关系

摘要: 糖原合成酶激酶-3β(Glycogen synthase kinse-3β)是一种多功能的丝氨酸/ 苏氨酸蛋白激酶,参与糖代谢,细胞增殖/分化/凋亡等生命活动,也调节细胞内多种信号通路,如Wnt 信号通路/胰岛素信号通路/NK-κB 信号通路等.GSK-3β 在肺发育过程中通过WNT 信号通路参与肺发育的调控.当 GSK-3β 表达异常或异常活化作用于细胞因子及靶基因,可能与导致肺纤维化/支气管肺发育不良及支气管哮喘的病理机制有关.目前,GSK-3β 已被证明参与多种疾病的发病机制,已然成为临床及基础研究热点.本文就 GSK-3β 与肺发育/肺疾病的关系做一综述,探讨GSK-3β 与肺疾病的关系.

关键词: GSK-3β;WNT 信号通路;NF-κB;肺发育;支气管肺发育不良;肺纤维化;哮喘

0引言

        糖原合成酶激酶 -3β(Glycogen synthase kinse-3β)是一种多功能的丝氨酸 / 苏氨酸蛋白激酶 GSK-3 的其中一种亚型,除此之外还有 GSK-3α,它们共同参与糖代谢,胚胎的发育,细胞的增殖/粘附,炎症等分子生命活动 [1].而 GSK-3β 参与调节细胞内多种信号通路,如 Wnt 信号通路/NK-κB 信号通路/胰岛素信号通路等.其参与调节以上通路的机制相当复杂和多样性,主要有磷酸化/形  成蛋白复合体/受抑制剂调节等 [2-3].目前以 GSK-3β为治疗靶点 的多项研究表明,GSK-3β     在糖尿病/神经退行性疾病/肿瘤/炎症等疾病中均呈高表达状态,故GSK-3β  表达异常可能与多种疾病的发生发展有关,未来有可能成为新药开发/疾病治疗的新思路及  新靶点.本文就 GSK-3β 参与调节肺部疾病发生机制进行探讨.

1参与的信号通路 信号通路

        Wnt 信号通路是广泛存在于真核生物中的一条高度保守的信号通路,其在胚胎的早期发育/器官形成/组织再生等生理过程中发挥重要的作用 [4].Wnt 信号通路是从其细胞膜上的卷曲蛋白 ( Frizzled,Frz) 受体开始的,其结构类似于 G 蛋白偶联型受体,Frz 胞外 N 端具有富含半胱氨酸的结构域 (cysteine rich domain,CRD). 其与 Wnt 蛋白结合后,胞 内的 APC-β-catenin- GSK-3β-Axin 多聚蛋白复合体解体,GSK-3β 游离出来负向调节 Wnt 信号通路,磷酸化 β-catenin 的丝氨酸和苏氨酸位点,使 β-catenin 在细胞积累并转移到细胞核内,激活 Wnt 信号通路可通过抑制 GSK-3β 活性使 β-catenin 稳定存在,后者进入细胞核与TCF/LEF 转录因子家族结合,启动下游靶基因 [5].

κB 信号通路

        细胞核转录因子 NF-κB 是一类能与多种基因启动子或增强子部位 κB 位点发生特异性结合并促进其转录的蛋白质,其属于Rel 蛋白家族.其NF-κB/Rel 家族蛋白可形成同源或异源二聚体, 以 p50/p65 异源二聚体最常见,即通常所讲的 NF-κB.NF-κB 作为一种多向性调节功能的转录因子,广泛调控多种基因的转录活性,发挥多种生物学功能,包括参与炎症/免疫反应;调控细胞周期;调节细胞凋亡;参与肿瘤的发生/发展和耐药等 [6].其机制是, 当细胞受到内毒素/TNF-α 等刺激后,胞浆中抑制 NF-κB 的抑制蛋白 IκB 被其激酶 (IκB kinase,IKK) 磷酸化,并快速发生泛素化.随后即被蛋白酶降解,NF-κB 与 IκB 解离并暴露出其核定位信号,转移进入细胞核成为活化的 NF-κB,并与相应靶基因的顺式作用元件特异性结合,调节细胞因子/趋化因子和黏附分子 等靶基因的表达,参与炎症反应 [7].

2GSK-3β 与肺发育的关系

        肺脏起源于中胚层,其胚胎时期的肺发育受多种信号途径 调控 [8].在胚胎肺发育过程中,β-catenin 起到至关重要的作用,有研究表明,在 β-catenin 异常表达的动物模型中,肺组肺泡形态异常,肺泡上皮细胞异常分化,肺顺应性降低 [8-10].而可以推论,在肺发育中经典的 wnt 信号途径参与调控肺上皮细胞和间质细胞命运/细胞增殖及凋亡等过程.调控过程中,GSK-3β  也参与关键一环,其负性调节使β-catenin 在细胞积累并转移到细胞核内,作用于下游靶基因.

3GSK-3β 与肺部疾病的关系

β 与肺纤维化的关系

        肺纤维化(Pulmonary fibrosis)是一种多原因所致的慢性的不可逆性疾病,以成纤维细胞增殖及大量细胞外基质聚集并伴炎症 损伤/组织结构破坏为特征的一大类肺疾病的终末期改变 [11].正常肺组织受到损伤时,上皮间充质转化或上皮 - 间质转化为成纤维细胞和肌成纤维细胞,后者分泌以胶原蛋白为主的细胞外基质 以修补损伤的肺基质,转归为瘢痕化及蜂窝变,伴有肺泡壁增厚及 支气管鳞状上皮化生.临床表现为咳嗽/呼吸困难/肺功能表现为 限制性通气功能障碍/弥散功能障碍.

        上文提到,胚胎肺发育过程中,通过 wnt 信号途径 β-catenin在其过程中表达明显增高,促进肺组织Ⅱ型上皮细胞发育.当其受到异常刺激后,wnt 信号途径的过度激活,促使肺Ⅱ型上皮细胞过度增殖,胶原蛋白分泌明显增加,致使肺纤维化形成.在Caraci[13] 研究中显示,GSK-3β 的非活化形态 GSK-3β-Ser9 的过度表达会抑制其活化,抑制 β-catenin 在胞浆中的释放,阻断其转移入核调控下游基因,减少 α-SMA 表达,完全阻断 TGF-1 诱导的α-SMA 与纤维连接蛋白的表达,从而抑制其肺纤维化发生.在博来霉素诱导小鼠纤维化模型 [14,15] 中,纤维化的肺组织中 western blot 蛋白检测 GSK-3β 及 β-catenin 表达均较对照组明显上升, 且随着造模时间增加,表达进行性增高.而当应用 GSK-3β 抑制剂 SB216763 作用于肺纤维化模型时 [16] 可激活胶原蛋白降解从而减轻胶原沉积/减少炎性细胞浸润;改善包括小鼠肺顺应性/深吸气量/气道阻力在内的肺功能;通过抑制 Bcl-2 与 Beclin-1 结合适度活化自噬活性,从多方面抑制阻断肺纤维化.以上均提示GSK-3β/β-catenin 通路在肺纤维化中占有重要作用,使用抑制剂后肺纤维化情况显著改善.

β 与哮喘的关系

        支气管哮喘(Bronchial asthma)简称哮喘,是由包括嗜酸性粒细胞/T 淋巴细胞/气道上皮细胞/中性粒细胞等多种细胞及细胞 组分参与的慢性气道炎症,此慢性炎症可导致气道高反应 [17].该疾病的明确发病机制尚不明确,但大致可涵盖为免疫一炎症反应/ 神经机制和气道高反应性气道重塑过程.免疫反应目前的学说有Th1/Th2 细胞失衡/Treg/Th17 细胞失衡/Th9 细胞及 γδT 细胞的作用等.气道重塑是由气道上皮细胞受到抗原刺激后活化分泌产  生炎症及趋化因子,引发气道炎症;而同时上皮细胞受到损伤修复  异常化生造成上皮下纤维化形成及气道壁胶原的沉积 [18].

         支气管哮喘反应了机体内免疫应答的失调,免疫应答从树突 状细胞作为抗原提呈细胞摄取/提呈抗原开始,树突状细胞不仅 激活 T 细胞开启免疫应答反应,还与诱导建立免疫耐受有关.而有研究表明 [19],树突状细胞的 Wnt/β-catenin 信号通路与炎症有关,而使用 GSK-3β 抑制剂氯化锂进一步下调树突状细胞中的β-catenin 水平后,小鼠调节性 T 细胞数量增高,炎症反应减低.

         另有Th1/Th2 细胞失衡学说,即 Th1 功能不足,Th2 功能亢进.机体受到过敏原刺激后,通过上述抗原提呈细胞将信号传递给 Th 细胞,使得 Th0 细胞激活并分化为 CD4+Th2 细胞,Th2 细胞诱导体液免疫,并分泌 IL-4,IL-5,IL-10,IL-13 等细胞因子,其可通过促进 IgE/嗜酸性粒细胞/杯状细胞的生成而参与哮喘的疾病进程.

         Elaine[22] 研究表明,应用 GSK-3β 抑制剂抑制其活性,可促进CD4+Th2 细胞分泌 IL-10 增多.但在 IL-4 存在的情况下,IL-4 的增加会导致优先级的转换,由过敏原产生的 IgE 特异性过敏反应会被抑制 [23].故这种有益作用可能以 GSK-3β 抑制剂为过敏 源特异性免疫治疗新靶点提供一些新的思路.

β 与支气管肺发育不良的关系

          支气管肺发育不良 bronchopulmonary dysplasia,BPD)又称新生儿慢性肺病(chronic lung disease,CLD),常见于早产儿,随着产前激素/产后 PS/机械通气等治疗方案的进步,其病理特点也有相应的改变,目前"新型'BPD 的病理特征主要有肺泡及微血管发育不良为主要特征,有肺泡数目减少/体积增大/结构简单化等肺泡发育过程中解剖结构改变,炎症及气道损伤较轻,纤维化程度较轻. 支气管肺发育不良的明确机制尚不清楚,但有不少研究表明,GSK- 3β 在 BPD 的疾病发生过程中起重要作用,并作用于下游靶基因参与炎症反应及肺血管重塑等重要病理变化.Hummer[24] 的研究在因BPD 死亡的婴儿肺增厚的肺泡间隔中检查出明显增高的 p-GSK- 3β.同时,使用其抑制剂 SB216763 的实验组通过使NF-κB p65 蛋白磷酸化增强转录因子活性下调 MCP-1 靶基因活性,从而减少巨噬细胞个中性粒细胞在高氧暴露期间流入肺泡腔的数量.上述研究还进一步证明了 GSK-3β 还可改善高氧状态下的肺泡发育.炎症介质通过 NF-kB 激活下调生长因子表达,抑制气道分支,从而导致肺形态发生阻滞.高氧暴露可刺激 β-catenin 核易位/细胞增殖/细胞外基质生成,以及肺周围血管广泛的肌肉化.我们发现 GSK- 3β 抑制降低了 β-catenin 核易位和细胞增殖,降低了 MWT 和血管血运,说明 GSK-3β 在肺血管重构中发挥重要作用.而 SB216763 对 GSK-3β 的抑制降低了血清刺激下血管平滑肌的增殖.这些结果共同提示 GSK-3β 影响血管平滑肌的分化和增殖,抑制 GSK-3β 有利于防止血管重构.在 Li J[25] 的大鼠新生鼠高氧暴露致 BPD 动物模型中,检测到肺组织胞质中 NF-κB 的表达量降低,核内其表达量明显升高,且肺泡灌洗液中 TNF-α,IL-1β,IL-6 等炎症因子随之升高,而应用 GSK-3β 抑制剂 Genipin 后这一核转移机制受到明显抑制,炎症因子的表达同时也受到抑制.这表明,在 BPD 炎症浸润病理机制中,触发其发生的分子机制很可能与 GSK-3β 有关的NF-κB 核转移机制密切相关.同时,GSK-3β 也通过通过激活纤维化因子(Col- Ⅰ/α-SMA/FN 等)及氧化应激因子(SOD/GSH/MDA 等)来参与 BPD 的纤维化及氧化应激反应.

4结语          GSK-3β 作为一种常见的细胞信号因子,存在于细胞内,参与多种信号通路,是多个细胞信号通路的调控汇合的枢纽,联结多个 信号通路.同时参与机体的多种分子生命活动,参与各种组织分化/发育,细胞分化/凋亡,疾病的发生发展/炎症反应.随着各种 研究的深入,GSK-3β 与肺部疾病机制的研究不断取得进展,对于以 GSK-3β 为突破靶点的药物开发具有深远意义,可能对于这种疾病的新思路有新的启发.

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