GSK-3β: 结直肠癌发生发展中的重要调控分子

摘要

Wnt/β-catenin信号转导途径在结直肠癌的发生发展中起着至关重要的作用, 而糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3 beta, GSK-3β)作为一种特殊的多功能丝氨酸/苏氨酸激酶, 被认为是这一信号转导途径中的重要调节分子. 在针对GSK-3β与结直肠癌发生发展关系的研究中, 出现了截然相反的两种研究结果, 一些研究显示抑制GSK-3β会促进肿瘤发生发展, 而活化GSK-3β能抑制肿瘤生长. 另一些研究结果则与之相反, 他们显示抑制GSK-3β能治疗肿瘤, 而活化GSK-3β则会促进肿瘤的进展. 本文介绍GSK-3β分子的特性及其所调控的Wnt/β-catenin信号转导途径与结直肠癌发生发展的关系, 并重点讨论产生GSK-3β研究结果矛盾的可能原因.

关键词: 糖原合酶激酶3β; Wnt/β-catenin信号转导途径; 结直肠癌; 调控分子

GSK-3β: a key regulator in the initiation and progression of colorectal cancer

Hui-Li Li, Ji-Liang Wang, Guo-Bin Wang, Kai-Xiong Tao

Hui-Li Li, Ji-Liang Wang, Guo-Bin Wang, Kai-Xiong Tao, Department of Laparoscopic Surgery, Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430022, Hubei Province, China

Correspondence to: Professor Kai-Xiong Tao, Department of Laparoscopic Surgery, Union Hospital, Tongji Medical College, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430022, Hubei Province, China. tao_kaixiong@163.com

Received: May 22, 2010
Revised: August 3, 2010
Accepted: August 24, 2010
Published online: October 8, 2010

Abstract

The Wnt/β-catenin signal transduction pathway plays an important role in the initiation and progression of colorectal cancer. Glycogen synthase kinase-3beta (GSK-3β) is a multi-functional serine/threonine kinase that plays an important regulatory role in the Wnt/β-catenin signal transduction pathway. However, there are two opposing views on the role of GSK-3β in the pathogenesis of colorectal cancer. On one hand, some researchers believe that inhibition of GSK-3β can promote tumor initiation and progression, and tumor growth will be inhibited if GSK-3β is activated. On the other hand, some other researchers hold the view that inhibition of GSK-3β can prevent tumor development, and the initiation and progression of tumors will be promoted if GSK-3β is activated. In this paper, we will review the roles that the Wnt/β-catenin signal transduction pathway and GSK-3β play in the pathogenesis of colorectal cancer.

Key Words: Glycogen synthase kinase-3beta; Wnt/β-catenin signal transduction pathway; Colorectal cancer; Regulator

0 引言

结直肠癌是消化系统常见的恶性肿瘤之一[1], 其发病的分子机制目前尚未完全阐明, 其中Wnt/β-catenin信号转导途径在肿瘤的发生发展中起重要作用的观点已被广泛接受[2,3], 众多研究表明结直肠癌中Wnt/β-catenin信号转导途径处于激活状态[4-6], 因而该途径被认为是结直肠癌发生发展过程中的关键信号转导途径[7,8]. 而在Wnt/β-catenin信号转导途径中, 糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3 beta, GSK-3β)起着关键性的调节作用[9], 因而GSK-3β被认为是结直肠癌发生发展中的关键调控分子, 并且极有可能成为结直肠癌治疗的靶向分子. 然而目前针对GSK-3β在结直肠癌中作用的研究, 出现了截然相反的两种研究结果. 本文将着重介绍Wnt/β-catenin信号转导途径及其重要调控分子GSK-3β的特性, 以及他们与结直肠癌发生发展的关系, 并讨论产生GSK-3β矛盾研究结果的可能原因.

1 Wnt/β-catenin与结直肠癌

Wnt/β-catenin信号转导途径中的终末效应分子β连环蛋白(β-catenin)是一种转录调控因子[10]. 当没有细胞外的Wnt信号刺激时, β-catenin在细胞内通过磷酸化介导的降解保持低水平状态, 导致其下游的转录因子T淋巴细胞因子/淋巴增强因子(T-cell factor/lymphoid enhancer factor, TCF/LEF)处于抑制状态[9]. 胞质内β-catenin的降解是通过一种由GSK-3β、支架蛋白(axis inhibition protein, Axin)和腺瘤性结肠息肉病抑制蛋白(adenomatous polyposis coli, APC)的多蛋白复合体介导的. 在胞质中, 这种多蛋白复合体与β-catenin结合并使其磷酸化, 进而使其泛素化并被蛋白酶体降解. 当Wnt信号刺激之后, Axin-GSK-3β-APC复合体活性被抑制, β-catenin不能被降解, 于是在胞质中累积, 随后进入胞核. 在胞核内, β-catenin与TCF/LEF家族的转录因子结合来共同促进Wnt靶向基因的转录[11], 包括细胞周期蛋白D1(cyclin D1)和细胞癌基因(cellular oncogene, c-Myc). cyclin D1和c-Myc的激活成为肿瘤形成的基础. Wnt/β-catenin信号转导途径介导的TCF/LEF的靶向基因的转录激活促进了结直肠癌最初的转变. 因而Axin-GSK-3β-APC复合体对Wnt/β-catenin信号途径起到负向调控作用. 当这种复合体失活时, 如APC、Axin、β-catenin发生基因突变, 或者GSK-3β被磷酸化(GSK-3β的非激活状态), 则会消除其对于β-catenin的负调节机制, 导致β-catenin在胞质中的累积并转移入细胞核, 这也将促进癌基因的表达[11].

Ougolkov等[12]测定了人类结直肠癌标本中β-catenin活性的差异, 证实了在肿瘤侵袭的边缘组织中, β-catenin的活化能确切地预测那些预后更差的患者. 而且Hashimoto等[13]、Mikami等[14]、Wang等[15]都曾报道在平坦型结直肠癌(恶性度高)细胞中β-catenin的表达水平较凸起型结直肠癌(恶性度较低)更高. 这些临床发现证实了结直肠癌中Wnt/β-catenin信号转导途径确实处于激活状态, 也确立了对β-catenin活化程度与结直肠癌发生发展的关系及对β-catenin表达进行分子调控机制研究的重要性.

2 GSK-3β: 一种特殊的多功能激酶

GSK-3β是一种多功能的丝氨酸/苏氨酸(Ser/Thr)激酶, 在身体各处的细胞中他几乎无所不在, 依赖其对底物的磷酸化作用参与多种病理生理过程并调节多种细胞信号转导途径. 在脑中, GSK-3β的高表达与阿尔茨海默病(alzheimer's disease)、双向情感障碍(bipolar disorder)以及亨廷顿病(huntington disease)等神经系统疾病密切相关[16,17]. 在胰岛素信号转导途径中, GSK-3β通过调节糖原合酶的活性来影响糖原的合成[18,19]. 在Wnt/β-catenin信号转导途径中, GSK-3β的主要功能是使β-catenin的N端的丝氨酸/苏氨酸磷酸化进而使β-catenin降解, 从而调节β-catenin的细胞内含量、定位和功能[20,21].

除了其繁多的功能, GSK-3β的一个特殊之处在于其大多数底物被磷酸化之前需要经历一个称之为"初始磷酸化(priming phosphate)"的过程, 即在GSK-3β磷酸化靶向氨基酸残基(丝氨酸或苏氨酸)之前, 其靶向氨基酸C端第4个氨基酸残基(丝氨酸或苏氨酸)应已处于磷酸化的状态[22-24]. 底物虽然各不相同, 但需具备共有氨基酸序列, 即N端-Ser/Thr-(X-X-X)-pSer/pThr-C端(X代表任意氨基酸残基, pSer/pThr代表磷酸化的丝氨酸或苏氨酸), 其中的pSer/pThr就是"初始磷酸化位点". 没有被"初始磷酸化"的底物也能够被GSK-3β磷酸化, 但是其磷酸化效率较已被初始磷酸化的底物大大降低[25]. GSK-3β的3个氨基酸残基Arg 96、Arg 180和Lys 205组成一个"初始磷酸化位点结合袋", 而另外3个残基Phe 67、Gln 89和Asn 95则对底物的识别起着至关重要的作用, 其中任何一个位点的突变都会导致底物的磷酸化过程受阻[26].

GSK-3β不但通过对其底物的磷酸化来调节底物的活性, GSK-3β自身的活性变化也是通过其分子中氨基酸残基的磷酸化来实现的. GSK-3β中N端第9位丝氨酸残基(Ser 9)的磷酸化对GSK-3β的活性起到抑制作用, 磷酸化的Ser 9作为"假底物"阻止GSK-3β的"初始磷酸化位点结合袋"与底物的"初始磷酸化位点"结合, 从而导致了GSK-3β的失活. GSK-3β中C端第216位酪氨酸残基(Tyr 216)的磷酸化会活化GSK-3β, 此位点的变异将降低GSK-3β的活性. 以上两个位点对GSK-3β的调节作用已被广泛接受, 近来又有新的调节机制被发现, Thornton等[27]发现p38丝裂原活化蛋白激酶(mitogen activited protein kinase, MAPK)能特异性地磷酸化GSK-3β的C端第390位苏氨酸残基, 从而抑制GSK-3β的活性并加剧β-catenin在细胞中的积聚.

3 GSK-3β与结直肠癌

前文中已经提到, 促进β-catenin在胞内的稳定和累积是Wnt信号转导途径中的最关键事件. 因为原癌蛋白β-catenin被公认为是GSK-3β的磷酸化依赖性失活的底物, 所以我们可以认为GSK-3β干预细胞的癌变和肿瘤形成过程是通过其在Wnt/β-catenin信号途径中的作用来实现的. Wang等[15]、 Li等[28]曾报道, GSK-3β的失活导致β-catenin在胞内的累积, 从而在肿瘤发生发展中起重要作用. Caspi等[29]曾报道GSK-3β能进入核内与β-catenin形成复合体, 降低β-catenin/TCF依赖的基因转录活性, 从而抑制癌基因的表达. Takahashi-Yanaga等[30]报道, 通过分化诱导因子(differentiation inducing factors, DIFs)激活GSK-3β能抑制Wnt/β-catenin信号转导途径, 从而使人类肿瘤细胞生长停滞. Song等[31]报道, 乳糖凝集素-3(galectin-3)能抑制GSK-3β的活性, 从而使β-catenin在胞内累积进而提高β-catenin/TCF的转录活性, 而使其下游癌基因的表达增加. Tighe等[32]曾提出, GSK-3β在维持染色体的均等分裂中起作用, 而GSK-3β抑制剂则可能导致染色体的不稳定从而诱发肿瘤. 这些证据都支持抑制GSK-3β会促进肿瘤发生发展, 而活化GSK-3β能抑制肿瘤生长的观点.

但是与此相反的, Shakoori等[11]曾分别对胃癌、结肠癌、胰腺癌和肝癌细胞系中GSK-3β的含量和活性进行了测定, 结果显示在以上细胞系中GSK-3β的含量和活性较HEK293细胞系均有显著提高, 并且分别应用GSK-3β活性抑制剂SB-216763和AR-A014418加入细胞培养基中, 他们观察到以上癌细胞系的存活和增殖较对照组有显著下降, 凋亡率显著上升. Gustin等[33]则应用GSK-3β活性抑制剂锂剂成功抑制人乳腺癌和结肠癌细胞的增殖, 且口服锂剂能抑制移植于裸鼠身上的结肠癌细胞HCT-116的生长. Mai等[34]也曾报道过, 在胃癌、结肠癌、胰腺癌和肝癌细胞系中, GSK-3β的活性形式水平均较HEK293细胞中显著升高, 应用GSK-3β的活性抑制剂能显著抑制肿瘤细胞的存活和增殖, 并诱导其凋亡, 但并不影响HEK293细胞. 不仅在消化系统肿瘤中, 2008年Wang等[35]发表了他们关于调控GSK-3β治疗混合性白血病(mixed lineage leukemia, MLL)的研究成果. 他们发现抑制GSK-3β可能有助于治疗MLL. 实验结果显示, 使用GSK-3β抑制剂治疗过的小鼠比未用此药治疗的小鼠存活期大大延长. 且采用不同的GSK-3β阻断剂, 都能阻止白血病细胞的生长. 他们认为这可能与GSK-3β调控Wnt/β-catenin信号途径的功能有关. 这个事实说明GSK-3β确实可以成为肿瘤调控的靶分子. 以上证据又都支持抑制GSK-3β能治疗肿瘤, 而活化GSK-3β则会促进肿瘤发生发展的观点, 与前段所述观点截然相反.

4 结论

Wnt/β-catenin信号途径最终是由β-catenin发挥效应, 促进下游基因的转录, 而在正常细胞中β-catenin是由Axin、APC和GSK-3β组成的复合体降解从而保持β-catenin在细胞内的低水平, 所以Axin、APC和GSK-3β组成的复合体一定是调节Wnt/β-catenin信号途径的关键所在, 而负责磷酸化β-catenin的GSK-3β则是关键中的关键. 依照这样的思路进行推理就会得出这样的结论-抑制GSK-3β会导致β-catenin的降解减少, 使其在细胞内蓄积并进入细胞核, 进而促进其下游基因的表达, 从而促进肿瘤的发生发展. 也确有研究结果支持这一观点. 然而, 有些文献虽然报道了GSK-3β对肿瘤的负向调节作用, 支持以上推论, 但其肿瘤抑制作用并不是通过磷酸化β-catenin并使其降解产生的, 而是通过GSK-3β进入胞核直接抑制β-catenin-TCF/LEF复合物的转录活性来实现的. 相对地, 有些文献报道了截然相反的结果: 结直肠癌细胞较正常细胞中GSK-3β的表达水平和活性升高, 抑制其活性能抑制癌细胞增殖并促进其凋亡, 其核心思想是认为GSK-3β是一种肿瘤发生发展的正向调控因子.

以上两种矛盾结果的出现, 究其原因有以下两点: 其一, GSK-3β是一种多功能激酶, 他在许多信号转导途径中起着重要作用, 有可能GSK-3β能够通过另外一条截然不同的信号转导途径影响结直肠癌的发生发展; 其二, GSK-3β本身活性的调节, 涉及到的氨基酸残基就有3个, 而他与底物结合并使其磷酸化时涉及到的氨基酸残基多达6个甚至可能更多, 其中的任何一个残基由于基因突变而改变, 都将影响其对底物的磷酸化. 而Axin或APC的突变也会影响GSK-3β对β-catenin的磷酸化. β-catenin本身的突变导致其氨基酸残基的改变而无法被磷酸化进而降解, 导致β-catenin在细胞内水平升高. 只有全面考虑了以上突变可能性的结论才是可靠的结论, 才能阐明GSK-3β在结直肠癌发生发展中的确切作用及其机制, 而这需要更深入的研究, 而且也将为开发基于调节GSK-3β活性的新型结直肠癌化疗药物奠定理论基础.

评论

背景资料

Wnt/β-catenin信号转导途径被认为是结直肠癌发生发展过程中的关键信号转导途径. 而在Wnt/β-catenin信号转导途径中, 糖原合酶激酶3β(GSK-3β)起着关键性的调节作用, 因而GSK-3β被认为是结直肠癌发生发展中的关键调控分子, 并且极有可能成为结直肠癌治疗的靶向分子.

同行评议者

王正康, 教授, 北京中日友好医院普外科

相关报道

Song等报道, 乳糖凝集素-3能抑制GSK-3β的活性, 从而使β-catenin在胞内累积进而提高β-catenin/TCF的转录活性, 而使其下游癌基因的表达增加.

创新盘点

本文首次以综述的形式介绍Wnt/β-catenin信号转导途径中重要调控分子GSK-3β的特性及其与结直肠癌发生发展的关系, 并讨论在针对GSK-3β的研究中出现相互矛盾结果的原因.

应用要点

本文发现了一个在针对GSK-3β的研究中出现的矛盾, 解决此矛盾并阐明其确切分子机制对了解结直肠肿瘤的发生发展过程及其影响因素具有重要的意义, 而这也将为开发基于调节GSK-3β活性的新型结直肠癌化疗药物奠定理论基础.

同行评价

本文创新性较好, 有一定的参考价值.

备注

编辑:曹丽鸥 电编:何基才

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