Посещений:
GSK3

Multi-tasking with GSK3

The renaissance of GSK3

Philip Cohen & Sheelagh Frame
Nature Reviews Molecular Cell Biology 2, 769-776 (2001)

Glycogen synthase kinase 3 (GSK3) была первоначально описана как ключевой энзим гликогенеза. Оказалось, что GSK3 выполняет ключевы роли во многих клеточных функциях, включая передачу сигналов с помощью insulin, ростовых факторов и пищевых веществ и спецификацию судьбы клеток во время эмбриогенеза. Она участвует также в контроле клеточных делений, апоптоза и функции микртрубочек.  Выявлены неожиданные механизмы, которые выключают активность GSK3 в клетках в ответ на различные сигналы, которые связаны с уникальной субстрат специфичностью этого энзима.
Boxes




Box 1 | Treating diabetes

Type II или non-insulin-dependent diabetes mellitus (NIDDM), which accounts for~90% of all cases of this disease, is characterized by insulin resistance; that is, an inability of the tissues to respond to the insulin secreted by the pancreas. Interestingly, an elevated level of GSK3 has been observed in diabetic и obese strains of mice. As insulin induces the inhibition of GSK3, small cell-permeant compounds that inhibit this protein kinase would be expected to mimic some of the actions of insulin, such as its ability to activate glycogen synthase и stimulate the conversion of glucose to glycogen. Indeed, relatively specific inhibitors of GSK3 that have recently been developed by GlaxoSmithKline have precisely this effect. In addition, these compounds have recently been shown to mimic another action of insulin, namely its ability to repress transcription of the rate-determining enzymes in the gluconeogenic pathway. This raises the exciting possibility that these compounds might be able to lower blood glucose by inhibiting the production of glucose by the liver, as well as by aiding its disposal. Indeed, some GSK3 inhibitors have recently been reported to lower blood glucose levels in vivo.

Although the use of GSK3 inhibitors to treat diabetes is a potentially exciting development, further research is still needed to find out whether the inhibition of the other cellular processes in which GSK3 is implicated will lead to unacceptable side effects (Box.3)

Box 2 | Criteria for a protein to be truly regarded as a physiological substrate for GSK3

*The substrate should be shown, by phosphopeptide mapping и sequence analysis, to be phosphorylated by GSK3 in vitro at the same residue(s) that is (are) phosphorylated in vivo.

* Phosphorylation should be abolished by mutagenesis of this site to a non-phosphorylatable residue.

* The phosphorylation of the endogenous protein in cells should decrease in response to one или more signals that are known to inhibit GSK3. Dephosphorylation should occur with similar kinetics to the inhibition of GSK3.

* The endogenous protein should become dephosphorylated at the relevant site(s) in vivo when cells are incubated with cell-permeant inhibitors of GSK3.

* Phosphorylation of the residues targeted by GSK3 should affect the function of the protein in a manner that is consistent with physiological effects of the agonist(s) that regulate(s) GSK3 activity.

* Phosphorylation of the protein at the GSK3 site(s) should not occur in cells that carry targeted disruptions of the genes that encode GSK3.

* Dephosphorylation of the protein at the GSK3 site(s) should not occur in response to the appropriate signal in cells that do not express one of the protein kinases that lies upstream of GSK3. For example in PDK1-/- embryonic stem cells, PKB/AKT, MAPKAP-K1 и S6K are not activated, и GSK3 is not inhibited, in response to IGF1 или tumour-promoting phorbol esters (Рис. 5).

(IGF1, insulin-like growth factor 1; MAPKAP-K1, mitogen-activated protein kinase (MAPK)-activated protein kinase 1; PDK1, 3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1; PKB/AKT, protein kinase B; S6K, ribosomal protein S6 kinase.)



(Box.3) Box 3 | Continuing development of GSK3 inhibitors

Box 4 | Neuronal diseases

The microtubule-associated protein Tau, which is thought to stabilize microtubules in vivo и to promote their polymerization, is phosphorylated at relatively high levels in fetal brain и in the brains of newborn animals, but at much lower levels in adult brain. However, in Alzheimer's disease и several other neurodegenerative diseases, Tau is found in an abnormally hyperphosphorylated, filamentous и insoluble form. Such hyperphosphorylation is believed to be an early event that precedes its assembly into filaments. Whether hyperphosphorylation is necessary или sufficient for filament assembly is unclear; however, hyperphosphorylation of Tau does prevent it from binding to microtubules, leaving it free и available to undergo the aberrant filament assembly that might underlie the degeneration of nerve cells in these diseases. Many of the sites that are hyperphosphorylated in filamentous Tau are phosphorylated efficiently by GSK3 in vitro. Moreover, inhibitors of GSK3, such as lithium ions и insulin, induce a partial dephosphorylation of Tau in newborn animals и human neuronal cells. These observations raise the possibility that GSK3 inhibitors might reduce the abnormal hyperphosphorylation of Tau, thereby enhancing its interaction with microtubules и reducing the pool of Tau available for aberrant assembly.

Interestingly, GSK3 inhibitors have been shown to prevent the apoptosis of neuronal cells that can be induced by the removal of survival factors from the medium или by lowering the extracellular concentration of potassium ions. This supports earlier work based on overexpression studies that had implicated GSK3 in the regulation of cell survival. These observations indicate that GSK3 inhibitors might have therapeutic potential for the prevention of neuronal apoptosis after a stroke. This would require a relatively short-term treatment compared with that needed to treat diabetes, и potential side effects might, therefore, be minimal.



Links


FlyBase: | wingless | zeste-white 3 |
InterPro: | PH | SH2 |
Locuslink: | APC | axin | β-catenin | CDK4 | CDK6 | c-jun | CK2 | c-myc | cyclin D1 | DVL | DYRK | eIF2B | FRAT | frizzled | glycogen synthase | GSK3 | IGF1 | insulin | insulin receptor | IRS1 | IRS2 | MAPKAP-K1 | mTOR | PDK1 | 6-phosphofructo-1-kinase | PI3K | PKA | PKB | retinoblastoma | S6K | Tau | WNTs |
OMIM: | Alzheimer's disease | NIDDM |
Swiss-Prot: | GBP


GSK3 inactivation by phosphorylation

GSK3 идентифицирована в 1980 (см. TIMELINE) как одна из нескольких протеин киназ, которые м. фосфорилировать glycogen synthase, энзим, который катализирует последнюю ступень синтеза гликогена. В отличие от большинства киназ, которые индуцируют активацию субстрата, действие GSK3 ингибирует гликоген синтазу. В 1983 установлено, что инсулином индуцированная активация glycogen synthase связана с ее дефосфориированием по тому самому сериновому остатку, который является мишенью для GSK3, указывая тем самым, что передача сигналов от insulin receptor м. ингибировать GSK3. Это было подтверждено в 1990s (TIMELINE), когда было установлено, что protein kinase B (PKB, наз. также AKT ) отвечает за обоспечение инсулином-индуцировнного подваления GSK3 путем катализа фосфорилирования сериновго остатка  на N-конце GSK3. Это, в свою очередь, привело к идентификации протеин киназы, которая активирует PKB/AKT — 3-phosphoinositide-dependent protein kinase 1 (PDK1).  PDK1-катализируемая фосфориляция PKB/AKT происходит только в присутствии phosphatidylinositol-3,4,5-trisphosphate (PtdIns(3,4,5)P3), который продуцируется в результате действия  энзима phosphatidylinositol-3-kinase (PI3K) на PtdIns(4,5)P2. Т.к.  PI3K ингибиторы супрессируют почти все метаболические действия  инсулина, то PtdIns(3,4,5)P3 является ключевым медиатором действия инсулина. Открытие PDK1 заполнило всю цепь событий, с помощью которых инсулин ингибирует GSK3 (Рис. 1). Супрессия активности GSK3 приводит к тому, что ее субстраты, такие как glycogen synthase и the eukaryotic initiation factor 2B (eIF2B), становятся дефосфорилированными (и тем самым активированными) благодаря действию  protein phosphatases, вносящей вклад в индуцированную инсулином стимуляцию как синтеза гликогена, так синтеза белка ( Box1).

Timeline | Key events in the field of GSK3 research



(Рис.1.)  |  The signalling pathway by which insulin inhibits GSK3 и contributes to the stimulation of glycogen и protein synthesis.

A common phosphate-binding site

Специфичность GSK3 уникальна среди протеин киназ, она нуждается, чтобы многие из ее субстратов сначала были фосфорилировны с помощью других протеин киназ по  сериновым или треониновым остаткам — называемых 'priming phosphate' — расположенным на 4 остатка С-терминальнее по отношению к GSK3 фосфорилирования (Рис. 2). Сайт связывания с первичным фосфатом  на GSK3 идентифицирован недавно, он содержит три ключевых основных остатка  — arginine 96 (Arg96), Arg180 и lysine 205 (Lys205). Трехмерная структура GSK3 наиболее похожа на структуру членов семейства mitogen-activated protein kinase (MAPK), активирование которых необходимо для фосфорилирования треониновых и тирозиновых остатков, которые расположены в TXY консенсусных последовательностях (T, threonine; X, любой аминокислотный остаток; Y, tyrosine). Интересно, что фосфотреониновый остаток, находящийся в MAPKs взаимодействует с теми же самыми тремя базовыми остатками, которые связываются с priming phosphate субстрата GSK3 . Более того,  GSK3 сам себя фосфорилирует постоянно в клетках млекопитающих по тирозиновому остатку, который расположен в положении, эксивалентном фосфотирозину  в MAPKs. Итак, активация GSK3, по-видимому, аналогична таковой MAPKs, за исключением того, что активная конформация индуцируется, когда priming phosphate субстрата связывается GSK3 (Рис. 3).

(Рис.2.)  |  The unique substrate specificity of GSK3.

(Рис.3.)  |  Comparison of the activation loops of GSK3 β.

Итак, когда сериновый остаток, расположенный вблизи N-конца GSK3 становится фосфорилированным, он м. взаимодействовать с тем же самым остатком, который участвует в связывании priming phosphate (Рис. 4). Фосфорилирование, следовательно, супрессирует активность путем превращения N-конца GSK3 в 'pseudosubstrate'. Это не только предупреждает субстрат от связывания, но и блокирует доступ к каталитическому центру.

(Рис.4.)  |  The molecular mechanism by which phosphorylation inhibits GSK3.

More activators/substrates of GSK3

GSK3 участвует в форсфорилировании многих белков и в регуляции некоторых клеточных событий. Кроме того, тот же самый сериновый остаток на GSK3, который обнаруживается с помощью PKB/AKT , как известно, фосфорилируется с помощью др. протеин киназ в ответ на другие сигналы. Напр., ростовые факторы м. ингибировать активность GSK3 посредством классического MAPK каскада, а также с помощью PtdIns(3,4,5)P3-зависимого пути. Сходным образом аминокислоты м редуцировать активность GSK3 с помощью пути, который использует mammalian target of rapamycin (mTOR) (Рис. 5). Фосфорилирование GSK3 м. также катализироваться с помощью цАМФ-зависимой протеин киназы/protein kinase A (PKA) в ответ на агонисты, которые поовышают внутриклеточную концентрацию цАМФ. Ингибрование GSK3 с помощью этих путей м. позволить разным сигналам обеспечивать дефосфорилирование некоторых из многих белков, которые являются субстратами для  GSK3. Напр., GSK3 фосфорилирует cyclin D1 по треонину 286 (Thr286), и транскрипционный фактор c-myc по Thr58, которые направляют эти белки на ubiquitylation и последующую протеолитическую деструкцию. При ингибировании же GSK3, факторы роста м. способствовать дефосфорилированию  и стабилизации cyclin D1 и c-myc. Это м. повышать активность f cyclin-dependent protein kinases 4 (CDK4) и 6 (CDK6), которые нуждаются в cyclin D1, позволяя им инактивировать продукт гена retinoblastoma и тем самым облегчать вступление в S фазу клеточного цикла. Это должно также увеличивать способность c-myc стимулировать пролиферацию и выживаемость клеток. Кроме того, GSK3 фосфорилирует некоторые остатки в транскрипционном факторе c-jun, супрессируя его связвание с ДНК. Итак. ингибирование GSK3 м. повышать потенциал c-jun по стимуляции транскрипции некоторых генов, включая и cyclin D1.

(Рис.5.)  |  Several signalling pathways induce the inhibition of GSK3 by phosphorylating the same serine residue near the amino terminus.

Одно предостережение предположению, что  cyclin D1 субстрат GSK3 in vitro, нет прямых доказательств (Box 2).

Specifying cell fate in embryogenesis

В 1992 у Drosophila melanogaster был 'заново открыт' GSK3 в сигнальном пути секретироемого гликопротеина Wingless (TIMELINE). Этот путь обеспечивает паттерн сегментной полярности у мух, который характеризуется изменяющимис рядами щетинок и голыми областями без щетинок. Мутации потери функции zeste-white 3 (zw3; Drosophila гомолог GSK3) ведет к потере щетинок, тогда как мутации потреи функции в wingless имеют противоположный фенотип. Это указывает на то, что Wingless супрессирует активность GSK3 в этом пути. В 1995 (TIMELINE), исследования на Xenopus laevis показали, что экспрессия каталитически неактивной мутации GSK3 на вентральной стороне эмбриона индуцирует удвоение дорсальной оси  — тот же фенотип, что налюдается при индукции ионами лития. В1996, установлено, что ионы лития довольно специфично ингибируют GSK3.
Механизм, с помощью которого Wingless ( и его гомолог у позвоночных WNTs) ингибируют GSK3 совершенно отличен от того, что используется инсулином (Рис.6). В частности , пул GSK3 , который участвует в передаче сигналов WNT , не свободен, а присутствует в виде мультибелкового комплекса, включающего axin, β и белок adenomatous polyposis coli (APC) . В отсутствии сигнала WNT, GSK3 активен и фосфорилирует axin, β-catenin и APC. Это стабилизирует axin и облегчает взаимодействие APC с β-catenin, но отправляет β-catenin на ubiquitin- обеспечиваемую протеолитическую деструкцию. После связывания  WNTs своих frizzled рецепторов, активность GSK3 в направлении этих трех белков  ингибируется с помощью мезанизма, который до конца неясен, но который, по-видимому. связан с нарушением взмимодействия axin с GSK3 с помощью др. белкового комплекса.Этот комплекс содержит, по крайней мере, два белка : dishevelled (DVL) и FRAT (frequently rearranged in advanced T-cell lymphomas), Гомолог у млекопитающих GSK3-binding protein (GBP), впервые обнаружен у Xenopus. Механизм не связан с фосфорилированием GSK3 по отстаткам, на которые нацелен  PKB/AKT, но м.б. облегчен фосфорилрованием DVL и/или FRAT, и вообще фосфорилированием GSK3 по др. сайтам. Во всяком случае, это ведет к стабилизации  и накоплению β-catenin, его транслокации в ядро и его взаимодествию с транскрипционными факторами  T-cell factor (TCF) family (известный также как lymphoid-enhancer factor (LEF) family), что сопровождается транскрипцией  генов, необходимых  для спецификации  судьбы клеток во время эмбриогенза.

(Рис.6.)  |  The mechanism by which WNTs prevent the GSK3-catalysed phosphorylation of axin, APC и β-catenin.

WNT-induced inhibition of GSK3

В противоположность  'primed' субстратам, тамим как glycogen synthase и eIF2B, не получено доказательств, что  GSK3- катализируемое фосфорилирование аксина, APC и β-catenin необходимо priming phosphate. На самом деле фосфорилирование этих белков м.б. просто базироваться на взаимодействиях высокого сродства с GSK3 в мультибелковом WNT сигнальном комплексе. Взаимодействие axin ( а, следовательно, и β-catenin) с GSK3 не использует сайт связывания для priming phosphate, а происходит в определенной области GSK3. Phosphohexapeptide, который происходит от N-конца GSK3, и который взаимодействует с сайтом, который  связывает priming phosphate, и, следовательнро, ингибирует фосфорилирование  primed субстраты, не нарушая при этом фосфорилирования аксина и β-catenin. Нaпротив,  GSK3-связывающих фрагмент FRAT, которым обладает axin ( а, следовательно,β-catenin), предупреждает фосфорилирование этих двух белков, но не фосфорилирование primed субстратов. Кроме того, фосфорилирование axin/β-catenin или фосфорилирование primed substrates м.б. ингибированы избирательно разными точковыми мутациями GSK3. Итак, активация WNT сигнального пути м. и не копировать передачу сигналов инсулина, т.к. блокируется фосфорилирование только аксина, APC и β-catenin, тогда как  фосфорилирование primed субстратов не затрагивается.
Хотя фосфорилирование GSK3 с помощью PKB/AKT и ингибирует фосфорилирование аксина и β-catenin in vitro (возможно локируя доступ к каталитическому центру ), insulin и др. агенты, которые повышают уровень PtdIns(3,4,5)P3, такие как  insulin-like growth factor 1 (IGF1), не стабилизируют β-catenin или стимулируют β-catenin- зависимую транскрипцию генов. Причина, по которой эти агонисты не копируют передачи сигналов WNT  in vivo , возможно та, что их действие ограничено свободным пулом GSK3. Кргда GSK3 участвует в передаче сигналов  WNT, то она присутствует в мультибелковом комплексе и не фосфорилируется на своем N-конце с ответ на инсулин. Возможно, что  дефосфорилированный N-конец GSK3 является недоступным для PKB/AKT, и вообще и.к. она взаимодействует специфически с компонентом WNT сигнального комплекса (Box 3).

Concluding remarks

Пока наши знания о биологической роли GSK3 зачаточны и не могут помочь в поиске лекарств для эффектиного лечения (Box 4). Разработка мощных и специфических ингибиторов GSK3 будет иметь важное значение  для поиска настоящих физиологических субстратов для GSK3. Факт, что мыши, неспособные экспрессировать GSK3β, погибают in utero из-за апоптоза в печени, является неожиданным и ждет объяснения 



GSK-3: tricks of the trade for a multi-tasking kinase
Bradley W. Doble and James R. Woodgett
JCS 2003 116: 1175-1186. [Abstract] [Full Text]


(Рис.1.)  |  Central role of GSK-3 in the Wnt/β-catenin pathway.

Glycogen synthase, GSK3 является многофункциональной киназой, которая регулирует многочисленные клеточные процессы. В отличие от большинства киназ, она обычно активна в клетках и ингибируется с помощию передаваемых сигналов; более того, она обнаруживат склонность к предпочитаемым ею субстратам, которые уже были фосфорилированы (`primed') с помощью др. киназ. В работе на p. 1175, Bradley Noble и James Woodgett рассматривают недавние достижения в нашем понимании структуры и функции GSK3. Установление её кристалической структуры, напр., позволило определить, где связывается priming phosphate группа на субстрате и показать, что это оптимизирует ориентацию киназного домена и правильно выбирает позиции субстрата в каталитической борозде. Др. исследования показали, что основные трансдукторы в передаче сигналов Wnt и Hedgehog — β-catenin and Cubitus interruptus — являются мишенями GSK3 и primed с помощью casein kinase I и protein kinase A. Учитывая аномальную активность GSK3, ассоциированную с заболеваниями, такими как Alzheimer's и диабет, разработка некоторых низкомолекулярных ингибиторов GSK3 перспективна — хотя Noble and Woodgett отмечают, что их терапевтический успех м.б.лимитирован ее киназной плеотропной природой.


Сайт создан в системе uCoz