星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間谷氨酰胺的轉(zhuǎn)運(yùn)研究現(xiàn)狀

王紅 王栓科 汪靜

蘭州大學(xué)第二醫(yī)院骨科研究所，蘭州 730000

星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間谷氨酰胺的轉(zhuǎn)運(yùn)研究現(xiàn)狀

王紅 王栓科 汪靜

蘭州大學(xué)第二醫(yī)院骨科研究所，蘭州 730000

從谷氨酰胺的星形膠質(zhì)細(xì)胞排除到神經(jīng)元對(duì)其進(jìn)行攝取，谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)是必不可少的一步，這也是神經(jīng)元補(bǔ)充谷氨酸的主要途徑。本文主要是對(duì)參與這一過(guò)程的谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體的類別和功能做一綜述。體內(nèi)大多數(shù)參與谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)體是相互關(guān)聯(lián)的，許多屬性都是相同的，如都對(duì)微小p H值變換很敏感等。介導(dǎo)成人大腦中谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)主要是N轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（S N1）和A轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（S A T/A T A），它們都是AAAP轉(zhuǎn)運(yùn)家族的成員。它們之間主要的區(qū)別就是生理?xiàng)l件下S N1對(duì)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)是可逆的，這使得S N1既可以維持星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺的濃度梯度，也可介導(dǎo)谷氨酰胺的凈外流。但在增值的星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，S N1的功能被A S C T2取代。

神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞；神經(jīng)元；谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)；A轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)；N轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

astrocyte; neuron; glutamate-glutamine cycle; system A transport; system N transport

谷氨酸是大腦興奮性突觸傳遞的重要神經(jīng)遞質(zhì)，釋放到突觸間隙的谷氨酸被星形膠質(zhì)細(xì)胞重?cái)z取后被酰胺化為一種非興奮性神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酰胺，谷氨酰胺被釋放到細(xì)胞外間隙，被神經(jīng)元重?cái)z取后轉(zhuǎn)化為谷氨酸[1,2]。這種將谷氨酰胺從星形膠質(zhì)細(xì)胞轉(zhuǎn)移到神經(jīng)元的過(guò)程就是大家熟知的谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)。但在此過(guò)程中谷氨酰胺的轉(zhuǎn)移到底是如何被介導(dǎo)和調(diào)控的直到現(xiàn)在還未達(dá)成共識(shí)，且谷氨酰胺還和其他許多中性氨基酸共用轉(zhuǎn)運(yùn)通道。

目前，對(duì)它們的研究有了很大的進(jìn)展。首先，在星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元內(nèi)的谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)的功能性研究已經(jīng)定位到特定的轉(zhuǎn)運(yùn)體上。其次，對(duì)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白新家族鑒定的突飛猛進(jìn)，使我們可以單獨(dú)的對(duì)這些谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體進(jìn)行研究。本綜述主要是對(duì)參與谷氨酰胺在細(xì)胞間轉(zhuǎn)運(yùn)的轉(zhuǎn)運(yùn)體的最新進(jìn)展進(jìn)行闡述。

1. 谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)

星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元是代謝偶聯(lián)的，其中最重要的途徑之一是谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)。研究表明，谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)并不是完全封閉的［3］。因?yàn)楣劝彼岵荒艽┻^(guò)血腦屏障，所以中樞神經(jīng)系統(tǒng)（C N S）中谷氨酸是葡萄糖經(jīng)糖酵解和三羧酸循環(huán)，由三羧酸循環(huán)的中間物合成的。在此過(guò)程中需丙酮酸羧化酶的作用，但該酶在神經(jīng)元中不存在，而大量存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞中并有功能性活性。谷氨酰胺的合成是谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)的重要部分。合成反應(yīng)由谷氨酰胺合成酶催化，該酶只存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞，在少突膠質(zhì)細(xì)胞中很少，神經(jīng)元中不存在，因此它是星形膠質(zhì)細(xì)胞的標(biāo)志性酶。星形膠質(zhì)細(xì)胞迅速攝取細(xì)胞外的谷氨酸［4］，谷氨酸載體和谷氨酰胺合成酶在星形膠質(zhì)細(xì)胞中的重疊分布表明，在突觸位置攝取釋放的谷氨酸和在星形膠質(zhì)細(xì)胞中轉(zhuǎn)變?yōu)楣劝滨０肥蔷o密聯(lián)系的［5］。谷氨酰胺從星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放作為谷氨酸的前體在神經(jīng)元中積累，在突觸前末端轉(zhuǎn)變成谷氨酸，進(jìn)入小泡準(zhǔn)備新一輪的興奮反應(yīng)。谷氨酸前體的返回保持了谷氨酸能神經(jīng)元的谷氨酸水平。由于谷氨酸不能穿過(guò)血腦屏障，所以多余的谷氨酸必須通過(guò)T A C氧化降解后再?gòu)腃 N S 中排出，多余的谷氨酰胺經(jīng)水解變成谷氨酸后也以相同的途徑氧化降解。

表1

2. 中性氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體

谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體家族主要分為兩類:鈉離子依賴性和非鈉離子依賴性。目前在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中已發(fā)現(xiàn)7個(gè)谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)體家族，鈉離子依賴性者包括s y s t e m A、s y s t e m N、s y s t e m y(+) L及A S C，s y s t e m B，非鈉離子依賴性者包括s y s t e m L、s y s t e m b。前者主要依靠N a+-K+-A T P酶提供能量，進(jìn)行膜內(nèi)外谷氨酰胺的轉(zhuǎn)運(yùn)；后者轉(zhuǎn)運(yùn)谷氨酰胺不需要N a+提供能量[6]。近幾年來(lái)，通過(guò)基因研究，獲得幾種編碼轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的c D N A，并證實(shí)谷氨酰胺載體蛋白系統(tǒng)分屬于4個(gè)不同的基因家族。如N a+依賴谷氨酰胺載體蛋白基因有:系統(tǒng)N(S N l)、系統(tǒng)A(A T A l，A T A2)，系統(tǒng)A S C／B0 (A S C T2或A T B0)，系統(tǒng)B0，+(A T B0，+)和系統(tǒng)y+L(y+L A T1，y+L A T2)。非N a+依賴谷氨酰胺載體蛋白基因編碼系統(tǒng)L(L A T1，L A T2)和系統(tǒng)b0，+(b0，+A T)，其中轉(zhuǎn)運(yùn)二性離子氨基酸用“0”上標(biāo)，轉(zhuǎn)運(yùn)陽(yáng)離子氨基酸用“+”上標(biāo)[7]。具體見(jiàn)表[8]。

3.N和A轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)

在星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元中，轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)N和A對(duì)于谷氨酰胺的轉(zhuǎn)運(yùn)作用最重要。培養(yǎng)的小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞中的谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)分析結(jié)果[9]顯示，N系統(tǒng)是谷氨酰胺攝取的主要通路。在腦組織，S N1 m R N A和載體蛋白僅限于膠質(zhì)細(xì)胞，S N1位于神經(jīng)元細(xì)胞。通過(guò)研究肝腺泡發(fā)現(xiàn)，末梢靜脈周圍的肝細(xì)胞質(zhì)膜富含S N1載體蛋白及谷氨酰胺合成酶，并且很活躍。S N1介導(dǎo)谷氨酰胺攝取的 K m值大約是1.1±1.6 m m，說(shuō)明S N1對(duì)谷氨酰胺攝取的過(guò)程不受膜去極化的影響。這種H+交換必將導(dǎo)致p H值的變化，這與谷氨酰胺攝取的p H依賴是一致的[10]。 更重要的是在生理水平下谷氨酰胺/H+交換是可逆的。神經(jīng)元活動(dòng)增加將降低星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)N a+和H+濃度梯度，最終通過(guò)S N1轉(zhuǎn)運(yùn)導(dǎo)致谷氨酰胺外流，使得星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)谷氨酰胺的重新分布[9]。

上述星形膠質(zhì)細(xì)胞對(duì)谷氨酰胺的轉(zhuǎn)運(yùn)主要是通過(guò)S N1，但是在神經(jīng)元主要是通過(guò)A系統(tǒng)。在過(guò)量的M e A I B不能抑制原代培養(yǎng)小鼠星形膠質(zhì)細(xì)胞谷氨酰胺的吸收，說(shuō)明其缺乏A系統(tǒng)介導(dǎo)的攝取。鼠S A T1/A T A1主要分布于神經(jīng)元，在大腦和脊髓廣泛表達(dá)[11]，在突觸小泡很少。原代培養(yǎng)大鼠小腦顆粒細(xì)胞中有S A T1的/ A T A1表達(dá)，但星形膠質(zhì)細(xì)胞中卻沒(méi)有。人A T A1 m R N A(9 k b)僅在胎盤和心臟有表達(dá)。在腦組織，無(wú)論鼠A T A1及A T A2均限于神經(jīng)元，膠質(zhì)細(xì)胞中不存在，與S N1、A S C T2／A T B0分布不同，后者在腦組織中僅表達(dá)在膠質(zhì)細(xì)胞中。

4. p H值對(duì)N和A轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)的影響

神經(jīng)元的電活動(dòng)使得星形膠質(zhì)細(xì)胞H+、N a+和跨膜電位梯度下降，促使谷氨酰胺通過(guò)S N1[9]排除。活躍神經(jīng)元釋放K+使星形膠質(zhì)細(xì)胞發(fā)生去極化，從而加速了電依賴的N a+- H CO3-同向轉(zhuǎn)運(yùn)體對(duì)H CO3

-的轉(zhuǎn)運(yùn)。這將使得星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)部發(fā)生堿化，并促使谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)大量激活，從而加速了谷氨酸的攝取以及谷氨酰胺的合成[12]。堿化過(guò)程必然伴隨著對(duì)應(yīng)的細(xì)胞外酸化，導(dǎo)致跨膜H+梯度下降或反轉(zhuǎn)，促進(jìn)S N1介導(dǎo)的谷氨酰胺外流交換H+。接下來(lái)我們還需進(jìn)一步對(duì)S N1轉(zhuǎn)運(yùn)體的能學(xué)進(jìn)行研究，以便于我們更好模擬細(xì)胞活動(dòng)變化對(duì)電化學(xué)梯度的影響，以及對(duì)谷氨酰胺外流的作用。相比于S N1，沒(méi)有跡象表明p H值變化可通過(guò)S A T1/A T A1或S A T2/A T A2扭轉(zhuǎn)谷氨酰胺轉(zhuǎn)。S A T/A T A轉(zhuǎn)運(yùn)體主要的功能是在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)儲(chǔ)積谷氨酰胺，尤其是在神經(jīng)元。然而，當(dāng)p H值從7.4下調(diào)到7.0時(shí)，S A T1/A T A1或S A T2/A T A2轉(zhuǎn)運(yùn)速率下降一半，但當(dāng)上調(diào)到7.8時(shí)，速率明顯加快，將近翻了一倍[11]。 這種酸堿度敏感性的機(jī)制尚不太清楚。對(duì)系統(tǒng)A的功能研究發(fā)現(xiàn)[13]，細(xì)胞內(nèi)和細(xì)胞外p H改變也可導(dǎo)致類似情況發(fā)生，表明是依賴p H感受器調(diào)節(jié)的，而不是H+的濃度梯度。到目前為止，表達(dá)性研究還是證明不了是通過(guò)S A T/A T A轉(zhuǎn)運(yùn)體導(dǎo)致的H+轉(zhuǎn)移。

5. 小結(jié)

在成人腦組織中，星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間谷氨酰胺轉(zhuǎn)移主要是由N轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（S N1）和A轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)（S A T/ A T A）介導(dǎo)的，它們都是A A A P轉(zhuǎn)運(yùn)家族的成員，在形態(tài)和功能上是相聯(lián)系的，如在生理范圍內(nèi)，都對(duì)微小的p H變化敏感等。兩者主要的區(qū)別在于在生理?xiàng)l件下，S N1對(duì)谷氨酰胺的內(nèi)流轉(zhuǎn)運(yùn)表現(xiàn)為穩(wěn)定的可逆性，這可維持星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)的谷氨酰胺濃度梯度，且可調(diào)節(jié)谷氨酰胺的凈外流。雖然在過(guò)去的十幾年中研究者對(duì)于星形膠質(zhì)細(xì)胞和神經(jīng)元之間谷氨酰胺轉(zhuǎn)運(yùn)的研究取得了一定的成就，但要進(jìn)一步了解其機(jī)制，仍有很長(zhǎng)的一段路要走。

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Research Status of the Transfer of glutamine between astrocytes and neurons

Wang hong Wang shuan-ke Wang jing
Institute of Orthopedics，Lanzhou University Second Hospital，Lanzhou 730000，China

The export of glutamine from astrocytes, and the uptake of glutamine by neurons, are integral steps in the glutamate-glutamine cycle, a major pathway for the replenishment of neuronal glutamate. We review here the functional and classification of the transporters that mediate this transfer. The participating glutamine transporters are functionally and structurally related, sharing the following properties，such as they are sensitive to small pH changes in the physiological range. The emerging picture of glutamine transfer in adult brain is of a dominant pathway mediated by system N transport (SN1) in astrocytes and system A transport (SAT/ATA) in neurons, they are members of the AAAP family of transporters. A key difference between SN1 and the SAT/ATA transporters is the reversibility of glutamine fluxes via SN1 under physiological conditions, which allows SN1 both to sustain a glutamine concentration gradient in astrocytes and to mediate the net outward flux of glutamine. It is likely that the ASCT2 transporter displaces the SN1 transporter as the main carrier of glutamine export in proliferating astrocytes.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.078