GSK3α通过降低GSK3β蛋白水平与酶活性调控小鼠胚胎干细胞命运的新机制

这篇研究揭示了糖原合成酶激酶3α（GSK3α）在小鼠胚胎干细胞（mESCs）中作为GSK3β负调控因子的全新机制。通过遗传操作和小分子抑制剂，研究者发现GSK3α通过其N端甘氨酸富集区降低GSK3β蛋白水平，并通过AKT信号促进GSK3β Ser9磷酸化抑制其下游信号。该发现为理解GSK3亚型互作及干细胞命运调控提供了新视角，对神经分化障碍疾病治疗策略开发具有重要启示。

　　

引言

糖原合成酶激酶3（GSK3）作为丝氨酸/苏氨酸激酶家族成员，在Wnt/β-catenin、胰岛素和Hedgehog等信号通路中发挥核心作用。哺乳动物中存在两种亚型：GSK3α和GSK3β，其激酶域序列相似度高达97%，但功能存在显著差异。既往研究表明，GSK3β在维持胚胎干细胞（ESC）多能性中起关键作用，而GSK3α的功能仍不明确。本研究通过化学遗传学方法和结构域互换策略，首次揭示GSK3α通过独特机制负调控GSK3β，进而影响干细胞命运决定。

结果

抑制GSK3α导致GSK3β底物超磷酸化

通过磷酸化蛋白质组学分析发现，选择性抑制GSK3α会显著增加mTOR通路相关蛋白（如eIF4G1和RPS6）的磷酸化水平。Western blot验证显示，GSK3α抑制后p70 S6K（Thr389）磷酸化水平升高，而GSK3β抑制无此效应。在GSK3β单敲除细胞中，剩余GSK3α仍能维持p70 S6K磷酸化，但激酶失活型GSK3α（K148R）则丧失该功能，证实生理状态下GSK3β是p70 S6K的主要磷酸化激酶。

GSK3α调控GSK3β蛋白表达

通过四环素诱导系统发现，GSK3α过表达可时间依赖性降低GSK3β蛋白水平，而激酶失活型GSK3α无此作用。使用GSK3α特异性抑制剂BRD0705处理野生型mESC，同样观察到GSK3β蛋白水平上升。值得注意的是，GSK3α过表达虽降低GSK3β蛋白，却上调其mRNA水平，提示调控发生在翻译后阶段。神经分化实验显示，GSK3α过表达显著减少Sox1⁺
神经前体细胞比例，与GSK3β促神经分化作用形成鲜明对比。

甘氨酸富集区是关键功能域

通过构建六种嵌合体蛋白（如βαα、αββ等），发现将GSK3β的N端替换为GSK3α（25-83位氨基酸）即可获得抑制GSK3β的能力。该区域包含甘氨酸富集片段，其缺失会完全破坏GSK3α对GSK3β的调控功能。有趣的是，Ser21磷酸化位点突变（S21A/S21D）不影响该功能，表明激酶活性与结构域功能相对独立。

GSK3α通过AKT信号促进GSK3β Ser9磷酸化

时间进程实验显示，GSK3α过表达可剂量依赖性增加GSK3β Ser9磷酸化水平。PI3K抑制剂LY294002能阻断该效应，证实其依赖AKT信号通路。在GSK3激酶免疫株（GSK3KI）中，GSK3β-S9A突变虽不影响GSK3α介导的蛋白降解，但完全阻断了其对下游底物（如β-catenin）磷酸化的调控，凸显Ser9磷酸化的功能特异性。

讨论

本研究首次阐明GSK3α通过双重机制调控GSK3β：①通过甘氨酸富集区降低GSK3β蛋白稳定性（可能通过mTORC1-自噬轴）；②通过AKT信号增强其Ser9抑制性磷酸化。进化分析显示，鸟类基因组中GSK3α基因缺失，而GSK3β高度保守，暗示GSK3α可能是高等生物为精细调控GSK3β功能而进化的"刹车系统"。该发现不仅为理解干细胞命运决定提供新范式，也为阿尔茨海默病（AD）等神经退行性疾病的靶向治疗提供新思路——GSK3α特异性抑制剂可能通过解除对GSK3β的抑制发挥治疗作用。