離子型谷氨酸受體參與學習和記憶分子機制的研究進展1)

2010-02-09 15:03:49高維娟

中西醫結合心腦血管病雜志 2010年10期

李君,高維娟

學習和記憶是腦的高級功能,是一個相當復雜的生理過程,目前認為學習記憶機制是突觸傳遞效能的長時程增強(Longterm potentiation,LTP),被認為是學習與記憶的一個細胞模型[1]。LTP的形成與突觸前遞質的釋放、突觸后相關受體通道以及各種蛋白激酶、逆行信使、即早基因等密切相關。谷氨酸是哺乳動物中樞神經系統中最重要的興奮性神經遞質,主要在谷氨酸受體的介導下實現其在腦內的眾多功能。谷氨酸受體被激活后除參與快速的興奮性突觸傳遞外,還可以調節神經遞質的釋放、突觸的可塑性、LTP和長時程抑制(long-term depression,LTD)以及學習和記憶等中樞神經系統正常的生理功能[2]。本文就離子型谷氨酸受體參與學習和記憶的分子機制研究進展進行了綜述。

1 離子型谷氨酸受體概念及其組成

離子型谷氨酸受體(ionotropic glutamate receptor,iGluR)為配體門控離子通道型受體,它們與離子通道耦聯形成受體通道復合物,介導快信號突觸傳遞。根據特異選擇性激動劑的不同,離子型谷氨酸受體主要分為3種亞型:①N-甲基-D-門冬氨酸(N-Methy1-D-aspartic acid,NMDA)受體;②α-氨基羥甲基惡丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methy1-4-isoxazole propionic acid,AM PA)受體;③海人藻酸(kainic acid,KA)受體。NMDA受體由 NR1、NR2、NR33個亞單位,NR2亞單位又可以進一步分為NR2A-D4 個亞型;AM PA 受體由 GluR1、GluR2、GluR3、GluR44個亞型構成;GluR5、GluR6、GluR7和 KA1、KA2構成了 KA 受體。

2 學習記憶的生理基礎

2.1 LTP的發現及概念 1973年,Bliss等[3]發現家兔海馬神經元在短暫高頻刺激后,興奮性突觸后電位(excitatory postsynaptic potential,EPSP)增大,海馬突觸傳遞可在數秒內增強,其增強效果能持續數小時至數周,他們把這一現象稱為突觸傳遞的長時程增強。目前普遍接受LTP是單突觸受到重復刺激或兩組突觸共同活化后產生的谷氨酸鹽興奮性突觸后反應的增強,這種突觸后反應的增強可引起突觸傳遞效能的持續變化。根據LTP的持續時間將其分為早時相LTP(earlyphase LTP,E-LTP)和晚時相LTP(late phaseLTP,L-LTP),前者持續1 h～3 h,不需要合成蛋白[4];后者可持續24 h以上,需要合成新的蛋白[5]。

2.2 LTP的特征 LTP有三個基本特征,①協同性:誘導 LTP需要很多纖維同時被激活;②聯合性:有關纖維和突觸后神經元需要以聯合的形式一起活動;③特異性:所誘導的LTP對被激活的通路是特異的,在其他通路上不產生LTP。

2.3 LTP產生機制 LTP是突觸可塑性的一種模式,NMDA受體與遞質結合后,導致細胞內級聯反應,觸發神經元內一系列生化反應,最終改變突觸后膜的性質,建立LTP。LTP的形成一般分為誘導與表達兩個階段[6],LTP的誘導以突觸后膜成分變化為主,主要包括:①突觸后膜去極化;②NMDA受體的激活;③鈣離子內流。其表達則是由突觸前膜和突觸后膜共同參與的過程,主要包括:①突觸前膜遞質釋放增加;②突觸后膜受體與遞質作用效應增強;③突觸形態學變化使突觸的整合效應增強;④逆行信使向突觸前釋放。

3 離子型谷氨酸受體與學習記憶

3.1 NMDA受體

3.1.1 NMDA受體對于學習記憶形成的機制 NMDA受體對于學習記憶的重要作用已經得到肯定,但是其作用的機制還都主要集中在Ca2+-鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)途徑上。Miyamoto[7]報道,NMDA受體是一種電壓、配體雙重門控通道,既受電壓門控,也受遞質門控,主要對Ca2+高度通透,對Na+和K+有一定的通透性。在靜息電位下,突觸前釋放的興奮型氨基酸可同時作用于NMDA受體和非NMDA受體,此時Na+和K+可通過非NMDA受體通道,但不能通過NMDA受體通道,因為靜息水平的膜電位不能使Mg2+移開,NMDA受體因與Mg2+結合而受到阻滯,NMDA受體通道也就不能打開。而當外界刺激信號刺激機體使得突觸后膜去極化后,堵塞通道的Mg2+就可以移開,此時興奮型氨酸與NMDA受體結合使通道打開。當遞質與受體結合導致通道開放后,Ca2+大量進入胞內與鈣調蛋白(CaM)結合,Ca2+/CaM復合物結合于自動抑制序列的臨近序列,去除后者與CaMKⅡ的催化結構域的結合,CaMKⅡThr286發生自身磷酸化而活化,活化后的CaMKⅡ變為不依賴于Ca2+/CaM的形式,并且移位于突觸后致密結構(postsynaptic density,PSD)內形成復合物參與NMDA受體磷酸化的調節,cAMP依賴性蛋白激酶的激活等過程,從而啟動下游一系列生化反應包括cAMP反應元件結合蛋白(cAMP response element-binding protein,CREB)的轉錄因子磷酸化、CREB與 DNA分子上的特定區域也稱為 cAM P反應元件(CRB)結合、基因的表達的啟動等形成LTP產生學習記憶,此為學習記憶形成的經典途徑。同時Hawkins等[8]報道,學習記憶形成時包括短時記憶和長時記憶的產生,短時記憶的產生涉及3條途徑,即突觸前膜cAMP-PKA、Ca2+/CaMKⅡ途徑以及瞬時性的Ca2+內流、K+外流;長時記憶的產生涉及突觸前膜PKA-MAPK-CREB、PKC以及突觸后膜Ca2+/CaMKⅡ 3條途徑。但是NMDA受體對于學習記憶的調節是否還有其他途徑還有待進一步的研究。

3.1.2 NMDA受體亞單位對學習記憶的作用 NR1是NMDA受體的功能亞單位,是NMDA受體的必需組分,在腦內各區廣泛表達,通過調節Ca2+內流而保持神經元正常的生理功能。選擇性敲除小鼠海馬CA1區錐體細胞的NR1亞單位后,其NMDA受體誘導的LTP被破壞,在小鼠表現為空間記憶障礙[9]。最近的研究發現,NMDA受體介導的信息參與皮層內突觸結構和功能的調節[10]。在皮層NR1亞單位對樹突棘的發育有重要影響,通過共聚焦顯微鏡和電鏡成像技術,發現皮層2/3層的錐體細胞樹突棘頭部體積增大,同時突觸前的軸突終扣體積和PSD區域明顯增大,PSD厚度是反映突觸功能的活性指標,在突觸的可塑性中發揮重要的作用。皮層N R1亞單位基因敲除的小鼠,減少了NMDA受體的反應,PSD厚度變小,突觸功能活性降低,突觸傳遞效率減退,引起學習記憶能力減退。同時有報道顯示,癲癇患者學習記憶發生障礙的原因之一既是NR1mRNA表達減少所致,鉛暴露以后損傷學習記憶也和海馬區NR1mRNA轉錄和蛋白表達減少有關[11],因此,認為NR1亞單位與學習記憶關系非常密切,是學習記憶形成過程中必不可少的NM DA受體亞基。

N R2亞單位主要分布在前腦和海馬腦區,是NMDA受體的調節亞單位,對NMDA受體通道功能起一個修飾作用,完整的有功能的NMDA受體必須至少要有1個NR2亞單位參與組成。Rondi-Reig等[12]發現,由不同的NR2亞單位參與組成的NMDA受體對學習記憶功能的貢獻不一樣,其中NR2A和NR2B在學習記憶形成的過程中都有表達,并且二者有著一致性的關系,即隨著神經系統的發育成熟NR2A的表達增加而NR2B的表達減少,NR2C的表達局限在丘腦并且是在學習記憶產生的后期才有表達;與此相反,NR2D是在學習記憶形成的早期表達并且是在丘腦和下丘腦有表達。NR2B轉基因動物表現為海馬LTP增強、海馬NMDA受體通道長久開放,用NR2B選擇性拮抗劑艾芬地爾阻斷杏仁核內的NR2B后,動物表現為劑量依賴的情緒學習能力的損害。同時有報道顯示,缺血/再灌注動物模型后期記憶功能損害是由NR2B基因表達減少所致,大鼠重復注射氯胺酮以后會使學習記憶功能受損,與此同時可以檢測到海馬內NR2A、N R2B含量減少[13],由此可以證明NMDA受體的 NR2也是參與學習記憶產生過程中必不可少的一種亞單位。

N R3亞單位的功能目前尚不清楚,但是M adry等[14]利用Western blot方法檢測到,不管是在胚胎還是成人大腦皮質中,NR3的含量都是非常豐富的,具有和N R1一樣的甘氨酸結合位點,因此有可能替代NR1亞基的作用,將人類N R3克隆發現其還有一個和胞內SH3序列結合的聚脯氨酸位點,由此假設NR3結合于SH3序列再構架在特異性增強突觸后膜致密物(postsynaptic density,PSD-95)中,從而達到對學習記憶的調節。但是利用不同的蛋白序列將PSD-95和NR3結合在一起,無論在體外還是體內都無法發揮作用,因此N R3參與學習記憶的調節的具體機制還是沒有得到闡述,NR3可能與NR1和NR2一起形成多聚體,參與甘氨酸的激活。

3.1.3 NM DA受體對學習記憶的雙重影響一方面NMDA受體促進學習記憶。當遞質與NMDA受體結合后,通過其信號轉導級聯反應經典途徑,導致突觸后神經元產生LTP生理效應,促進學習與記憶。另一方面引起學習記憶障礙。目前認為主要機制是NMDA受體介導的興奮毒作用,其機制主要有兩種:①由NMDA受體過度興奮介導的神經細胞遲發性損傷,可推遲數日發生,主要與Ca2+超載有關,這種遲發性損傷是谷氨酸興奮性毒性損傷的主要途徑,與海馬區細胞遲發性神經元壞死密切相關[15];②谷氨酸超常釋放造成海馬區內病理性LTP并造成了以后的信息傳遞障礙形成學習記憶障礙[16]。

3.2 AMPA受體 AMPA受體是由GluR1～GluR44種結構極為相似的亞基組成的同聚性或異聚性五聚體,介導中樞神經系統中快速的突觸傳遞。目前有關AMPA受體功能的研究大多集中在海馬的聯接上[17]。海馬LTP的形成需要通過兩條途徑強化AM PA受體的作用:其一,AMPA受體GluR1亞單位第831位絲氨酸在鈣離子/CaMKⅡ作用下磷酸化,使整個受體通道電導增加從而使量子流增大;其二,CaMKⅡ易化儲備的AM PA受體從胞質動員,插入突觸后細胞膜,從而使神經末稍釋放的量子化谷氨酸有更多突觸后反應位點。

在成年嚙齒類動物的海馬CA1、CA2、CA3區的錐體細胞和齒狀回的顆粒細胞中,大部分AMPA受體都是GluR1/2異二聚體通道,一些是GluR2/3異二聚體通道,極少數為GluR1同二聚體通道。GluR1和GluR3敲除小鼠的學習測試顯示,是GluR1而不是 GluR3敲除導致了小鼠空間記憶的損害[18]。成年GluR1敲除小鼠在大部分行為模式中都是正常的[19],提示含有GluR1的AM PA受體對于規則的快速興奮性傳遞并非必需。然而,GluR1丟失可能導致以下損害:損害空間工作記憶;在CA1突觸外區缺乏AMPA受體;無法誘發CA3-CA1突觸的場LTP(field LTP)[20]。所有三種表型損害都可以通過轉基因控制的GluR1在成年GluR1敲除小鼠海馬錐體細胞中的再表達而部分恢復,表明含有GluR1亞單位的AM PA受體對于空間工作記憶極為關鍵[21]。

GluR2是 AM PA受體的一種控制Ca2+滲透的關鍵亞單位。在AMPA受體的四個亞單位中,GluR2是唯一一種經過RNA編碼后在M2區域含有精氨酸殘基的亞單位。GluR2亞單位的Q/R位置影響AMPA受體對二價陽離子的通透性。缺乏GluR2的AMPA受體具有極高的Ca2+滲透性,表現出雙曲線性I/V關系,而含有GluR2的AMPA受體Ca2+不可滲透,表現出線性I/V關系[22]。GluR2基因敲除小鼠表現為運動協調性差、探測能力低下[23],其中樞神經系統最有可能被AM PA受體介導的Ca2+流入所誘發的長時程改變所介導。而這些長時程改變在出生后前腦主要神經元條件性GluR2缺失的基因修飾小鼠中可以被探測到[24]。在前腦特異性GluR2基因敲除小鼠,盡管突觸的興奮性增加,但興奮性突觸的CA3-CA1傳遞反而減少。這些變化沒有改變CA3-CA1LTP,但海馬環路的改變影響到空間學習和記憶[24]。

3 KA受體

近年來,分子生物學及藥理學技術的發展大大加快了對KA受體的研究進程。迄今為止,已經克隆出五種KA受體的亞型(GluR5,GluR6,GluR7,KA1,KA2),他們廣泛的分布于中樞和外周神經系統內,不僅存在于突觸前膜調節神經遞質的釋放,而且存在于突觸后膜在突觸傳遞中發揮作用。由于KA受體在海馬區,尤其在苔狀纖維和CA3區錐體細胞分布密集,功能特性較為典型,目前圍繞此區域有關KA受體的研究較多。

研究顯示KA受體拮抗劑LY382884可選擇性阻斷海馬CA3區的突觸前KA受體,進而阻礙苔蘚纖維LTP的產生,可能與KA受體易化谷氨酸釋放有關[25],在不影響 AMPA和NMDA受體的情況下,發現KA受體拮抗劑LY382884對NMDA受體依賴性LTP無效,但可阻斷苔蘚纖維非NMDA受體依賴性LTP,說明KA受體作為突觸傳遞LTP的觸發點,對LTP的形成起促進作用。

GluR5基因敲除小鼠的海馬腦片突觸生理功能并無異常,興奮性突觸后電流(excitatory postsynaptic current,EPSC)也無改變;GluR6基因敲除小鼠的苔蘚纖維LTP顯著減弱并且EPSC完全喪失,證明GluR6亞單位是KA受體的關鍵亞單位,其表達增強對學習記憶有促進作用。KA2亞單位是苔蘚纖維突觸前和突觸后KA受體功能的重要決定因子。KA2基因突變小鼠的苔蘚纖維突觸前和突觸后KA受體功能均發生改變。突觸前KA受體對外源性激動劑的親和力下降,突觸后由低濃度KA刺激產生的EPSC幅度未增大,且EPSC的半衰期縮短[26],可能與KA受體抑制谷氨酸釋放有關,其對學習記憶的分子作用機制有待進一步研究。

4 小結

離子型谷氨酸受體通過影響LTP的誘導和維持從而發揮對學習記憶功能的調節作用,但是離子型谷氨酸受體對于學習記憶調節的具體的機制還存在一些疑惑:①離子型谷氨酸受體除了在突觸后參與學習記憶的調節外,在突觸前是否有調節作用及其作用的方式怎樣尚未明確;②NMDA受體在突觸后的作用除了通過Ca2+-Ca2+/CaMKⅡ、cAM P依賴性蛋白激酶-生化反應途徑外是否還有其他途徑,還有待進一步研究。

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