Исследования последних лет позволили расширить представление о патогенезе основных психических расстройств. На сегодняшний день известен ряд нейробиологических аномалий, связанных с развитием шизофрении и депрессивных расстройств: нарушение баланса активности дофамин-, серотонин- и глутаматергических систем головного мозга, нейрогормональные нарушения, касающиеся в первую очередь функции гипоталамо-гипофизарно-адреналовой системы; иммунологические нарушения, структурно-функциональные изменения в лимбической системе мозга, снижение объема гиппокампа и т.д. [1, 2]. И хотя молекулярные механизмы, опосредующие нейробиологические изменения, в полной мере не расшифрованы [3], имеется возможность определения дополнительных мишеней в ряду психофармакологических воздействий.

Изучение киназных сигнальных путей - новое и быстро развивающееся направление в области нейрональной сигнальной трансдукции, связанное с нарушением нейробиологических процессов при психических расстройствах [4-6]. Одной из наиболее важных и представляющих интерес киназ, участвующих в регуляции процессов метаболизма, клеточной пролиферации, апоптоза, клеточного цикла, эмбриогенеза, нейротрансмиссии, нейродегенерации, синаптической пластичности, является киназа гликогенсинтазы 3β (GSK-3β) [7]. Особое положение GSK-3β в регуляции клеточных функций связано с тем, что она влияет на активность более 50 белков и сама в свою очередь зависит от большого количества внеклеточных стимулов, что схематично представлено на рисунке.

GSK-3 была впервые описана [10] более 30 лет назад как фермент, фосфорилирующий гликогенсинтазу в ответ на действие инсулина и тем самым ингибирующий ее активность. Позднее было обнаружено [11] несколько изоформ данного белка: α и β. GSK-3α является высокогомологичной изоформе 3β (98% идентичности в киназном домене), однако функция ее до конца не выяснена. Также открыты специфичные для нейронов изоформы GSK-3β1 и -3β2, высокоэкспрессируемые в ходе развития мозга [12]. GSK-3β является внутриклеточной серин/треониновой киназой, массой 47 кДа, обнаруженной в цитоплазме, ядре, митохондриях и синтезируемой во всех тканях организма. Белок кодируется геном GSK-3β, локализованном в длинном плече хромосомы 3 на участке 13.33 [13].

В клетке GSK-3β постоянно находится в активной форме и ингибируется путем фосфорилирования в ответ на действие различных стимулов (цитокины, нейромедиаторы, ростовые факторы и др.). Базальная активность GSK-3β определяется наличием фосфата в положении тирозина 216. Возможно, фосфорилирование в этом положении происходит через киназы Pyk2 и Fyn либо в результате аутокаталитического процесса [14]. Фосфорилирование по серину 9 ингибирует активность GSK-3β и является основным механизмом ее регуляции. Большое количество киназ фосфорилирует GSK-3β в этом положении: протеинкиназы A, B и С, киназы PrkG1, ILK, p70S6K и p90SRK, а дефосфорилирует протеин фосфатаза 2А (РР2А) [15]. Недавно было обнаружено [16], что активность GSK-3β также может ингибироваться через фосфорилирование по серину 389 с помощью митогенактивируемой протеинкиназы p38, вероятно, являясь основным путем регуляции GSK-3β в мозге.

Первой из открытых функций GSK-3β была регуляция синтеза гликогена. Активная GSK-3β фосфорилирует и ингибирует тем самым гликогенсинтазу. В результате связывания инсулина с рецептором на клетке через инозитол-3-фосфат происходит активация протеинкиназы В (Akt1), которая в свою очередь фосфорилирует и ингибирует GSK-3β. Действие инсулина также отменяет блокирующее действие GSK-3β на eIF-2, что активирует синтез белка [7]. Помимо этого, GSK-3β принимает участие в регуляции обмена глюкозы, ингибируя белки IRS (необходимы для трансдукции сигнала инсулина) и кинезины (обеспечивают перемещение транспортера глюкозы GLUT4 на мембрану клетки) [17]. Важнейшей функцией GSK-3β является ингибирование белка β-катенина и участие в Wnt-сигнальном пути, играющем важную роль в процессах эмбриогенеза, роста и дифференцировки клеток. В покоящейся клетке GSK-3β в комплексе с белками APC и Axin связывает и фосфорилирует транскрипционный фактор β-катенин, что приводит к его уби­квинтинизации и деградации. При действии на клетку белков Wnt происходит активация белка Dvl, который, связываясь с GSK-3β, высвобождает β-катенин, препятствуя его распаду [18]. Роль GSK-3β в регуляции клеточного цикла обусловлена ее способностью ингибировать циклин D1, необходимый для вступления клетки в S-фазу [19]. Антипролиферативная и проапоптотическая роль GSK-3β обусловлена ее возможностью подавлять связывание транскрипционных факторов с-Myc и с-Jun с ДНК.

GSK-3β занимает важное место в регуляции процессов нейропластичности, регулируя процессы нейронального морфогенеза и синаптической пластичности. Показано, что GSK-3β ингибирует активность белков, необходимых для реорганизации цитоскелета аксонов (CRMP2, APC, Tau и MAP1b), препятствуя росту и ветвлению данных нервных отростков. Ростовые факторы (нейротрофины, BDNF, IGF-1, NGF, GDNF) блокируют GSK-3β и способствуют нейрональной поляризации, росту и ветвлению аксонов [20]. Одним из недавних открытий является участие GSK-3β в синаптической пластичности, необходимой для регуляции процессов памяти, обучения, сна. Ингибирование GSK-3β в глутаматергических синапсах стимулирует долговременную потенциацию (LTP), в то время как ее высокая активность наблюдается при долговременной депрессии (LTD) [21].

GSK-3β играет роль в процессах нейродегенерации. Она участвует в образовании амилоидного β-пептида из его предшественника и ингибирует тау-белок, что является одним из механизмов патогенеза болезни Альцгеймера [22]. Ингибирование GSK-3β имеет нейропротективный эффект. Показано [23], что блокирование данного белка приводит к повышенной экспрессии шаперонов (важные нейропротективные факторы) и ингибированию про­апоптотического фермента каспазы-3.

GSK-3β является важным звеном в трансдукции сигнала серотонина через 5-HT1A, 5-HT2A и 5-HT1В рецепторы. Их активация приводит к ингибированию активности GSK-3β через протеинкиназы В (Akt1) и С. Кроме того, GSK-3β способна фосфорилировать внутриклеточные субъединицы 5-HT1В рецептора и блокировать его активность. Через дофаминовые рецепторы класса D2 при участии белков β-аррестина-2 (βArr2) и РР2А происходит активация GSK-3β [24]. Показано, что GSK-3β фосфорилирует и препятствует деградации транскрипционного фактора Rev-Erα, важного компонента в регуляции циркадных ритмов [25].

Провоспалительный эффект GSK-3β обусловлен ее участием в проведении сигнала от Toll-like рецепторов на моноцитах, что приводит к усилению продукции IL-1β, IFN-γ, IL-6, IL-12 и подавлению синтеза IL-10 [26].

Начало изучению роли GSK-3β как мишени для психотропных препаратов, а также участия ее в патогенезе аффективных расстройств положили исследования P. Klein и D. Melton, опубликованные в 1996 г. В их работе было показано, что в эмбрионах Xenopus, активно экспрессирующих GSK-3β, блокируется нейрональная индукция. Однако при добавлении лития сохраняется нормальное эмбриональное развитие. Авторы также продемонстрировали [27] блокирующий эффект лития в отношении GSK-3β in vitro. Позднее было установлено, что литий конкурирует с магнием, препятствуя связыванию АТФ в активном центре GSK-3β. Он также ингибирует данный фермент непрямым путем, подавляя активность PP2A и повышая за счет этого фосфорилирование GSK-3β [28].

В последние годы проведены и обобщены работы по влиянию нормотимических антипсихотических препаратов и антидепрессантов на их способность регулировать функцию GSK-3β в экспериментальных условиях [9, 29], часть из которых представлена в таблице.

Учитывая свойства лития как психотропного препарата, возник вопрос, связан ли его нормотимический эффект с GSK-3β и какова роль GSK-3β в аффективных нарушениях? Для ответа был проведен ряд исследований с использованием моделей животных. Для оценки депрессивных симптомов у грызунов в зарубежных исследованиях используются два основных метода: FST (force swimming test, тест принудительного плавания) и TST (tail suspension test, тест подвешивания за хвост). Искусственное повышение либо угнетение активности GSK-3β у животных обычно достигается методом генетического нокаута либо активации. Было показано, что мыши с повышенной активностью GSK-3β имели на 20% меньший объем мозга и демонстрировали сниженную активность при FST [58]. Нокаутные мыши по гену GSK-3β более активны при FST, что совпадает с эффектами лития и пептидных ингибиторов GSK-3β [44, 56, 59-61]. У мышей, нокаутных по гену триптофангидроксилазы 2 (ключевого фермента синтеза серотонина), наблюдалась повышенная активность GSK-3β, что сопровождалось увеличением показателей FST и TST, которые, однако, нормализовывались при введении животным флуоксетина [44].

Продемонстрировано также, что GSK-3β принимает участие в реализации «манияподобных» симптомов у животных в моделях изучения двигательной гиперактивности. В исследовании J. Prickaerts и соавт. [62] показано, что высокая двигательная активность наблюдается у мышей с высоким содержанием фосформы GSK-3β. Генетический нокаут GSK-3β у мышей в свою очередь приводит к снижению амфетамининдуцированной гиперактивности [55]. J. Beaulieu и соавт. [31] продемонстрировали, что активация GSK-3β, наблюдаемая при «манияподобных» симптомах, происходит в ответ на действие дофамина через D2-рецепторы. В коре головного мозга мышей, нокаутных по гену дофаминового транспортера, в ответ на действие амфетамина наблюдается высокая активность GSK-3β, сопровождающаяся двигательной гиперактивностью, которая исчезает при использовании ингибиторов GSK-3β. Ряд исследователей также обнаружили [47, 63] снижение амфетамининдуцированной гиперактивности в ответ на действие ингибиторов GSK-3β. Исследования последних лет [64] доказали роль дофамина в активации GSK-3β и потенциации гиперактивности.

В связи с трудностями соотнесения результатов исследований, полученных на животных моделях, с аффективными расстройствами был проведен ряд исследований по изучению GSK-3β в тканях человека. Первой была работа M. Lesort и соавт. [65], в которой изучались экспрессия GSK-3β, а также уровни β-катенина и тау-белка в префронтальной лобной коре (аутопсийный материал) пациентов с биполярным расстройством, однако никаких различий с группой контроля выявлено не было. Аналогичные данные были получены в исследованиях N. Kozlovsky и соавт. [66] и C. Beasley и соавт. [67]. F. Karege и соавт. [68] продемонстрировали высокую активность GSK-3β и низкую - Akt1 в вентральной префронтальной коре жертв суицида, страдавших большим депрессивным расстройством. D. Oh и соавт. [69] обнаружили повышение экспрессии мРНК GSK-3β в аутопсийном материале гиппокампа больных с большим депрессивным расстройством. Активность GSK-3β изучается также в клетках крови. Известно [70, 71], что использование клеток периферической крови является удобной моделью для оценки различных молекулярных и биохимических процессов, протекающих в организме пациентов. В работе G. Pandey и соавт. [72] был показан повышенный уровень этого белка в тромбоцитах у пациентов с биполярным расстройством, увеличивающийся при приеме лития. У больных с большим депрессивным эпизодом подобных различий найдено не было. В исследовании X. Li и соавт. [35] повышенный уровень GSK-3β и низкое содержание ее фосформы было обнаружено в мононуклеарах крови больных биполярным расстройством. В похожей работе A. Polter и соавт. [73] различий в содержании общей фракции GSK-3β выявлено не было, однако обнаружено пониженное содержание ее неактивных фосфорилированных форм у пациентов с биполярным аффективным расстройством.

H. Joaquim и соавт. [74] обнаружили, что при приеме сертралина в течение 12 мес у пожилых пациентов с диагнозом «большое депрессивное расстройство» происходит снижение фосформы GSK-3β и увеличение ее общего содержания в тромбоцитах. Эффективный ответ на терапию оценивался по шкале HRDS-21 и он не коррелировал с параметрами GSK-3β. В исследовании B. Diniz и соавт. [75] было выявлено снижение общей GSK-3β и ее фосформы в тромбоцитах у пожилых пациентов с депрессивными расстройствами. Авторы также продемонстрировали, что активность белка положительно коррелирует с тяжестью депрессии и когнитивных нарушений.

Изменение нормального баланса нейромедиаторов является вероятным механизмом дизрегуляции GSK-3β при аффективных расстройствах. Дефицит серотонина и нейротрофинов, в норме поддерживающих GSK-3β в неактивном состоянии, приводит к ее активации, что выражается в появлении депрессивных симптомов. Симптомы мании могут возникать вследствие избыточной дофамин­ергической сигнализации, результатом которой является повышение активности GSK-3β [8].

Изучение аутопсийного материала больных выявило значимые различия в активности и содержании GSK-3β. В лобной коре больных шизофренией было обнаружено [66, 73] значимое снижение активности и содержания GSK-3β. Также показано [76, 77] снижение мРНК GSK-3β в образцах дорсолатеральной префронтальной коры и гиппокампа у больных шизофренией. E. Emamian и соавт. [78] обнаружили низкую активность и содержание GSK-3β в лимфоцитах больных, однако С. Nadri и соавт. [79] в аналогичной работе подобных различий не выявили. Результаты исследований на животных также могут свидетельствовать о роли GSK-3β в патогенезе шизофрении.

У мышей, нокаутных по гену DISC1 (disrupted in schizophrenia 1), регистрируется высокая активность GSK-3β. Показано, что белок DISC1 способен блокировать GSK-3β в результате прямого взаимодействия [80]. С. Nadri и соавт. [81] использовали неонатальное эксайтотоксическое повреждение гиппокампа как модель шизофрении для крыс. У данных животных было обнаружено снижение содержания GSK-3β без изменения активности. Кроме того, антипсихотические препараты, как традиционные, так и атипичные нейролептики, способны существенно изменять активность GSK-3β (см. таблицу).

Гены ряда киназ, участвующих в регуляции нейрональной пластичности, выдвигаются в качестве перспективных генов-кандидатов предрасположенности к шизофрении и биполярным аффективным расстройствам на позиционном и функциональном основаниях [82, 83]. Полиморфные варианты генов, ассоциированные с заболеванием, могут обладать измененной функциональной активностью. В настоящее время ведется поиск ассоциации GSK-3β с психическими расстройствами.

На данный момент не выявлен полиморфный участок данного гена, отвечающий за риск развития аффективной патологии. Однако в ряде исследований найдены ассоциации SNP (single nucleatid polymorphism) гена GSK-3β c клиническим полиморфизмом аффективных расстройств. В исследованиях, проведенных на итальянской популяции, была изучена ассоциация SNP rs334558, находящегося в промоторе гена GSK-3β , с биполярным расстройством. Было показано, что аллель С ассоциирован с поздним началом биполярного расстройства. Носители аллеля С лучше отвечали на лечение литием нормотимиками, а также депривацией сна [84-86]. Однако в работе А. Szczepankiewicz и соавт. [87] не было показано связи данного полиморфизма с эффективностью профилактической терапии литием. В работе A. Serretti и соавт. [88], выполненной на итальянской популяции, была обнаружена ассоциация полиморфизма SNP rs334558 c наличием бредовой симптоматики у пациентов с биполярным расстройством.

В исследовании М. Adli и соавт. [89] у пациентов с биполярным и депрессивным расстройством, резистентных к терапии антидепрессантами и имевших аллель С SNP rs334558, терапия литием была более эффективна. S. Tsai и соавт. [90] провели фармакогенетическое исследование по изучению ассоциации четырех SNP гена GSK-3β (rs334558, rs13321783, rs2319398, rs6808874) у пациентов с депрессивным расстройством китайской популяции. Исследование показало, что три SNP (rs334558, rs13321783, rs2319398) ассоциированы с эффективным ответом на терапию антидепрессантами (флуоксетин и циталопрам). При анализе ассоциации гаплотипов авторы показали, что пациенты с гаплотипом TAGT слабо отвечают на терапию. В работе E. Saus и соавт. [91], выполненной на европеоидной популяции, были проанализированы 11 SNP гена GSK-3β. Авторы продемонстрировали, что генотип CC по SNP rs334558 связан с более ранней манифестацией большого депрессивного расстройства. Недавнее исследование B. Inkster и соавт. [92] выявило ассоциацию гена GSK-3β c характером морфологических изменений головного мозга при большом депрессивном расстройстве.

В работе были проанализированы 15 SNP данного гена. Полиморфизм rs6438552 был ассоциирован с изменениями объема коры в области гиппокампа и верхней латеральной височной извилины. У пациентов, имевших генотип АА, наблюдалось снижение объема коры в данных областях по сравнению с группой контроля.

Исследования по изучению ассоциаций гена GSK-3β с шизофренией немногочисленны. В работе K. Lee и соавт. [93], проведенной на корейской популяции, не было найдено связи полиморфизма rs334558 с риском развития шизофрении. R. Souza и соавт. [94] на европеоидной популяции показали, что SNP rs7624540, rs4072520 и rs6779828 не ассоциированы с риском развития шизофрении, но связаны с ответом на терапию клозапином. Этой же группой исследователей была обнаружена [95] ассоциация трех SNP гена GSK-3β (rs6805251, rs6438552 и rs9878473) с развитием тардивной дискинезии у больных шизофренией европеоидной популяции.

Таким образом, GSK-3β является важным белком, регулирующим функции нейронов, принимающим участие в нейромедиаторном обмене, процессах нейрогенеза и синаптической пластичности. Достаточно убедительно продемонстрировано, что высокая активность данного фермента обусловливает развитие депрессивных и маниакальных симптомов. Доказанная специфичность многих известных психотропных препаратов в отношении блокирования GSK-3β позволяет говорить о данном белке как новой мишени для фармакотерапии. Немногочисленность исследований, посвященных изучению функции GSK-3β у пациентов, пока не позволяет сформировать единую гипотезу. Результаты, полученные на аутопсийном материале, являются спорными в связи с тем, что активность GSK-3β начинает убывать в первые минуты после смерти [96]. Недостаточно изучена связь GSK-3β с клиническим полиморфизмом психических расстройств и применяемой фармакотерапией. Тем не менее анализ данных литературы свидетельствует о существенной роли нарушения функциональной активности GSK-3β в патогенезе шизофрении и аффективных расстройств и возможности использования киназы в качестве молекулярной мишени для разработки терапевтических стратегий.

Обзор подготовлен в рамках выполнения гранта РФФИ №12-04-31268 мол_а «Роль киназы гликогенсинтазы 3-β в патогенезе депрессивных и биполярных аффективных расстройств» (2012-2013) и ФЦП 2012-1.2.1-12-000-1014-1009 «Разработка комплекса маркеров основных социально значимых психических расстройств на основе изучения молекулярно-генетических механизмов дизрегуляции нейрональных протеинкиназных сигнальных путей» (2012-2013).