糖原合成激酶3（Glycogen Synthase Kinase 3，GSK3），最初作为骨骼肌糖代谢过程的关键酶被研究者发现，在神经发育与再生过程中也被证明起着关键作用。2010年我们团队发表在Nature Reviews Neuroscience杂志上题为“GSK3 signalling in neural development”【1】的综述概述了GSK3在神经发育中的作用。随着在体神经再生研究领域的发展，GSK3也被证明在这一过程中发挥着重要作用。近日，我们团队于Journal of Molecular Cell Biology 杂志上发表的题为“Glycogen synthase kinase 3 signaling in neural regeneration in vivo”的综述（图1）系统性地总结近年来GSK3在体调控外周和中枢神经再生相关研究，探讨其潜在机制并且提出未来可能的研究方向。
图1 原文链接
GSK3β在中枢与周围神经再生中的内源性调控机制
图2 GSK3信号轴在轴突再生中的作用
与本身具备一定再生能力的外周神经系统（PNS）相反，成熟哺乳类动物的中枢神经系统（CNS）几乎不具备再生能力。但研究者发现，GSK3抑制剂（锂或SB415286）的使用可以显著促进脊髓损伤模型动物皮质脊髓束再生。类似地，在另一种广泛使用的CNS损伤模型——视神经夹闭中，GSK3敲除或敲降都被证明可以促进视神经再生。此外，在PNS损伤模型——坐骨神经损伤中，保持GSK3较低的激酶活性和表达水平也是神经再生所必须的。值得关注的是，尽管GSK3β与GSK3α这两种GSK3亚型结构高度相似，但只有抑制GSK3β的活性能促进神经再生，这可能是由于两者的底物存在差异。
GSK3β作为神经再生分子调控网络中的核心成员之一，通过协调蛋白质翻译、基因转录和细胞骨架组织等不同的生物过程调控轴突再生（图2）。近期研究显示，多种上游分子通过调控GSK3激酶活性和表达水平参与轴突再生过程。例如，PTEN/PI3K信号激活下游分子AKT，活化的AKT通过mTORC1介导的蛋白质翻译机制和磷酸化调节GSK3β激酶活性两条独立的平行途径调控轴突再生。除此之外，miR-26a能够通过调控GSK3β表达水平控制神经元内在再生能力。GSK3下游信号则经由多种底物介导激活不同的生物过程协同控制轴突再生，包括转录因子Smad1介导的再生相关基因转录激活，eIF2Bε依赖的蛋白质翻译，以及细胞骨架蛋白动态调控等。
GSK3β通过mTOR非依赖性途径调控轴突再生
图3 GSK3β通过mTORC1非依赖性途径调控再生相关蛋白翻译
PTEN缺失和PI3K-AKT激活诱导的视神经再生可被mTORC1信号的特异性抑制剂雷帕霉素（Rapamycin）部分阻断，表明mTORC1介导的Cap依赖性蛋白质翻译在轴突再生过程中发挥重要调控作用。然而，GSK3缺失直接诱导的视神经再生仅被蛋白质合成抑制剂茴香霉素（Anisomycin）所阻断。同样，PI3K-AKT-GSK3信号介导的自发感觉轴突再生可被另一种蛋白质合成抑制剂放线菌酮（Cycloheximide）抑制。但是，上述GSK3信号介导的轴突再生均无法被雷帕霉素阻断。另据研究显示，GSK3失活可能通过eIF2B去磷酸化激活或mRNA甲基化调控Cap非依赖性蛋白质翻译。由此可见，PI3K-AKT信号下游mTORC1激活和GSK3失活分别触发Cap依赖性和Cap非依赖性蛋白质翻译机制调控轴突再生（图3）。
GSK3β通过调控表观遗传修饰水平影响轴突再生
图4 GSK3抑制mTORC1调控的5'帽依赖性起始转录
真核mRNA在5′端具有单甲基化的Cap结构，多个真核起始因子（eIFs）、甲硫酰基转移RNA（Met-tRNAi）和GTP形成蛋白质翻译复合体，通过识别5'端Cap结构起始蛋白质翻译。eIF2是Cap依赖性蛋白质翻译起始关键的限速点，而GSK3β可以磷酸化eIF2B抑制蛋白质合成。研究显示，GSK3β缺失可以通过降低eIF2磷酸化，激活其蛋白质翻译活性增强轴突再生。此外，mRNA甲基化能够介导Cap非依赖性蛋白质翻译机制。外周神经损伤后，多种再生相关基因（RAGs）mRNA的N6-腺苷酸甲基化水平（m6A）显著升高，暗示Cap非依赖性蛋白质翻译机制可能涉及神经元再生能力调控。例如，甲基转移酶METTL14缺失可显著降低蛋白质合成和神经再生能力。因此，GSK3信号可能参与再生相关基因mRNA甲基化调控，从而通过Cap非依赖性蛋白质翻译机制调控神经再生。然而，到目前为止依然缺乏直接证据支持，尚待进一步研究（图4）。
GSK3β通过重塑细胞转录组调控轴突再生
GSK3β也通过重塑细胞转录组特征调控神经再生。外周神经损伤后，神经元发生细胞状态重编程，转录组特征恢复年轻状态，这可能是其再生能力的根源之一。许多已知参与诱导多能干细胞（iPSCs）重编程因子，如Lin28、KLF4、Oct4、Sox2/11和c-Myc等，也能够促进神经再生。近期证据显示，GSK3信号参与细胞转录组重编程过程。例如，GSK3β是Wnt通路的关键下游分子之一，而Wnt通路在细胞多能性维持中扮演重要角色。更重要的是，操纵Wnt-GSK3β-β-catenin途径能够驱动胶质细胞重编程为神经前体细胞，并重新分化成为神经元。此外，GSK3信号也可以通过促进Oct3/4和Nanog的表达维持细胞多能性。综上所述，GSK3信号可能通过重编程细胞转录组特征，重塑细胞状态，从而调控神经元内在再生能力。
通过文献调研，我们回顾GSK3调节外周和中枢神经系统轴突再生的最新进展，概述了其参与轴突再生调控的多种分子机制，并讨论了一些争议的发现。总之，我们希望通过总结GSK3信号调控神经再生新进展和新观点，为进一步系统阐明GSK3信号调控神经再生的潜在分子机制和发展神经再生干预新策略提供帮助。
参考文献
1. Hur E-M, Zhou F-Q. GSK3 signalling in neural development. Nat Rev Neurosci 11, 539-551 (2010).
2. Zhang J, Yang S-G, Zhou F-Q. Glycogen synthase kinase 3 signaling in neural regeneration in vivo. J Mol Cell Biol, (2023).
章靖
本综述第一作者章靖为浙江大学医学院附属邵逸夫医院神经再生转化中心科研助理，主要研究方向为视神经再生与修复。
作者丨章靖
审稿丨杨树广、周峰泉
排版丨余滋恺
