MARCKS對突觸可塑性和認知功能的影響

張 帆，萬燕杰，，徐 靜

(1徐州醫學院、江蘇省麻醉與鎮痛應用技術重點實驗室，江蘇徐州221002; 2上海市浦東新區公利醫院)

樹突棘的可塑性是突觸發育及神經通路重塑的先決條件，也是大腦行使高級功能(如學習記憶)的重要機制。隨著分子生物學的迅速發展，對調控樹突棘可塑性的蛋白質分子有了進一步的認識，豆蔻酰化的富含丙氨酸的蛋白激酶C底物(MARCKS)蛋白廣泛分布于各種細胞，但主要表達于大腦皮層、海馬，因其強效的細胞骨架調節能力以及與認知功能的密切聯系，引起了人們的廣泛關注［1］。本文結合文獻就MARCKS對突觸可塑性和認知功能的影響作一綜述。

1 MARCKS概述

MARCKS蛋白是蛋白激酶C(PKC)的特異性底物，以磷酸化和非磷酸化的形式存在于體內，在G蛋白偶聯受體信號途徑中具有重要的作用。MARCKS蛋白的磷酸化位點區域稱為效應域(ED)，其結構高度保守，能夠與細胞膜、PKC、鈣/鈣調蛋白(CaM)和纖維狀肌動蛋白(F-actin)相結合。MARCKS與細胞膜的結合主要通過兩種方式，一是豆蔻酰化的N端直接插入細胞膜脂雙層;二是ED中的堿性殘基與膜上的酸性磷脂的靜電吸附。任何一種單獨作用都不足以維持MARCKS蛋白與膜的穩定結合。ED中的絲氨酸殘基是PKC磷酸化的位點，通過 PKC的磷酸化或與 Ca2+/CaM結合，MARCKS和細胞膜的靜電相互作用消除，從而引發MARCKS蛋白由細胞膜向胞質的轉移，發揮其生理學效應［2，3］。

2 MARCKS對樹突棘及神經突形態可塑性的影響

樹突棘是樹突分支上的棘狀突起，主要由F-actin骨架、突觸后致密物、神經遞質受體和信號蛋白分子等組成，是神經元間形成突觸的主要部位。MARCKS在樹突棘中起著調節肌動蛋白細胞骨架和細胞膜的作用，并以此改變棘突的形態和穩定性［4］。Calabrese等［5］用RNAi技術干擾發育早期海馬神經元中內源性MARCKS的表達，結果發現抑制MARCKS的表達后，樹突棘的密度、長度、棘頭的寬度都明顯下降，表明突觸后膜MARCKS的聚集是樹突棘形成過程中的重要步驟，抑制MARCKS則損害正常樹突棘的形成。然而，上調MARCKS水平后，也會出現樹突棘密度減少、長度增長、棘頭寬度下降。MARCKS表達減少或過表達均會造成樹突棘形態的改變，提示維持MARCKS的生理水平對形成形態正常的樹突棘具有重要意義。

生長錐是神經軸突生長的執行單元，向外部突出絲狀偽足，在內部的微管、微絲構成的動力骨架支撐下進行生長，從而決定軸突生長導向。Li等［6］研究發現，MARCKS增加了絲狀偽足的數量和長度。動態細胞成像技術顯示，MARCKS蛋白顯著增加絲狀偽足的活動性，并誘導更多的絲狀偽足從軸突上突出，推測MARCKS可能是通過對F-actin的動態調節引起絲狀偽足的形態變化。MARCKS也是生長錐粘連復合物的調節組件，磷酸化MARCKS表達缺陷的突變細胞能夠增加生長錐的粘連;相反，MARCKS表達沉默的細胞可引起生長錐區粘連減少，抑制生長錐擴展，從而證實了MARCKS通過與粘連蛋白作用，起著穩定生長錐粘連的作用［7］。

3 MARCKS對樹突棘及突觸功能可塑性的影響及機制

3.1 MARCKS對長時程增強(LTP)的影響 LTP是突觸可塑性的重要指標，反映了突觸水平上的信息貯存過程。MARCKS表達減少的大鼠會出現空間逆轉學習障礙［8］。Hussain等［9］對此進一步研究發現，MARCKS表達減少引起苔蘚纖維—海馬角3區通路LTP受損可能是大鼠空間功能障礙的原因。此外，PKC和MARCKS的磷酸化也涉及LTP、學習和記憶相關的突觸可塑性［10］，說明MARCKS在LTP中起重要作用。

3.2 MARCKS對學習記憶的影響和機制 突觸可塑性是學習和記憶的分子機制，樹突棘是大腦神經元可塑性的重要位點。Timofeeva等［11］發現，腹側海馬注射MARCKS的大鼠在八臂水迷宮測試中表現出明顯的空間學習記憶受損，外源性MARCKS損害了海馬的某些具體功能，提示MARCKS在學習和記憶中有重要作用。Calabrese等［5］用PKC激活劑佛波酯作用于培養的神經元，結果發現，神經元樹突棘減少以及萎縮，其原因是直接調節脂筏對樹突棘形態的維持產生了強烈影響。MARCKS的磷酸化使其由細胞膜向細胞質易位，引起脂筏上的PIP2釋放，產生信號調節肌動蛋白細胞骨架，使細胞骨架與細胞膜之間的親和力增強，從而改變樹突棘的形態和運動。由此推測，MARCKS可能是通過調節樹突棘而在學習記憶中發揮作用。

4 MARCKS的分子調節機制

目前普遍認為，MARCKS在樹突棘的遷移與發育階段及神經功能狀態有關，但對具體調控分子及信號轉導通路的研究尚在探索階段。新近研究表明，MARCKS的磷酸化不僅受到PKC的調節，Ras同系基因家族成員A/Rho相關卷曲螺旋形成蛋白激酶(RhoA/ROCK)通路在MARCKS蛋白的ED區Serl59位點也參與其磷酸化的調節。ROCK抑制劑H-1152能夠抑制PKC激活劑佛波酯對MARCKS蛋白Ser159位點的磷酸化，ROCK直接參與了對MARCKS蛋白 ser159位點的磷酸化調節。另外，PKC抑制劑Ro-31-8220和RhoA抑制劑HA1077、Y27632都能夠抑制MARCKS的磷酸化活性，證實PKC和RhoA/ROCK通路對MARCKS的磷酸化具有調節作用。同時，佛波酯對RhoA的活化可以被Ro-31-8220抑制，推測PKC可能位于RhoA/ROCK通路上游，兩者共同調節 MARCKS的磷酸化活性［3，12］。此外，MAPK、Cdks等蛋白激酶也可以磷酸化MARCKS上的絲氨酸/蘇氨酸殘基［14］。泛素—蛋白酶體系統可降解MARCKS，導致肌動蛋白重組和樹突棘萎縮［15］。

5 與MARCKS相關的認知功能障礙

樹突棘對大腦神經元可塑性具有重要作用，它的數量以及形態的變化與神經突觸可塑性密切相關［4］。在細胞分子水平，MARCKS異常表達可影響樹突棘的形態功能可塑性，而行為學的研究也表明，MARCKS與認知功能存在密切聯系［5，11］。多數學者以阿爾茨海默病(AD)作為模型，對MARCKS與認知功能障礙進行了較為深入的研究。

AD是一種常見的老年性腦神經退行性病變，臨床表現為認知障礙、神經病學及精神病學改變。在AD患者腦內的淀粉樣斑塊中，發現有與小膠質細胞活化相關的MARCKS磷酸化。體外實驗證實，β樣淀粉蛋白(Aβ)可誘導巨噬細胞和小膠質細胞中MARCKS的磷酸化，說明MARCKS的磷酸化與AD的病理變化密切相關［16］。韓振蘊等［17］研究表明，側腦室注射Aβ(1～40)可明顯增加老齡大鼠海馬MARCKS mRNA表達，并且導致老齡大鼠學習記憶障礙。提示MARCKS表達異常可能是Aβ(1～40)致神經元可塑性降低的關鍵環節。上述動物模型和體內外研究都說明，MARCKS與認知功能存在密切聯系，其磷酸化表達升高或其mRNA水平升高時，均不同程度地影響認知功能;而在細胞水平導致的樹突棘形態和功能可塑性改變也是認知功能障礙的分子生物學特征之一。

綜上所述，樹突棘形態的穩定性及可塑性對大腦行使正常的認知功能必不可少。樹突棘數量和形態的改變與多種神經疾病有關。機體可通過多種機制對MARCKS的表達水平及功能狀態在不同層面進行調控，使其有利于神經功能的實現。MARCKS與認知功能及AD的多種影響因素(如突觸的可塑性、Aβ、淀粉樣斑塊等)密切相關，在AD的臨床癥狀及病理變化中都具有重要的意義。因此，深入探討MARCKS的作用及調控其機制，有助于為治療認知功能障礙提供新的靶點及理論基礎。

［1］Higo N，Oishi T，Yamashita A，et al.Expression of protein kinase-C substrate mRNA in the motor cortex of adult and infant macaque monkeys［J］.Brain Res，2007，1711:30-41.

［2］Solomonia RO，Apkhazava D，Nozadze M，et al.Different forms of MARCKS protein are involved in memory formation in the learning process of imprinting［J］.Exp Brain Res，2008，188(2):323-330.

［3］Shiraishi M，Tanabe A，Saito N，et al.Unphosphorylated MARCKS is involved in neurite initiation induced by insulin-like growth factor-I in SH-SY5Y cells［J］.Cell Physiol，2006，209(3):1029-1038.

［4］Matus A.MARCKS for maintenance in dendritic spines［J］.Neuron，2005，48(1):4-5.

［5］Calabrese B，Halpain S.Essential role for the PKC target MARCKS in maintaining dendritic spine morphology［J］.Neuron，2005，48 (1):77-90.

［6］Li H，Chen G，Zhou B，et al.Actin filament assembly by myristoylated alanine-rich C kinase substrate-phosphatidylinositol-4，5-diphosphate signaling is critical for dendrite branching［J］.Mol Biol Cell，2008，19(11):4804-4813.

［7］Gatlin JC，Estrada-Bernal A，Sanford SD，et al.Myristoylated，alanine-rich C-kinase substrate phosphorylation regulates growth cone adhesion and pathfinding［J］.Mol Biol Cell，2006，17(12):5115-5130.

［8］Betti M，Ambrogini P，Minelli A，et al.Maternal dietary loads of α-tocopherol depress protein kinase C signaling and synaptic plasticity in rat postnatal developing hippocampus and promote permanent deficits in adult offspring［J］.Nutr Biochem，2011，22(1):60-70.

［9］Hussain RJ，Stumpo DJ，Blackshear PJ，et al.Myristoylated alanine rich C kinase substrate(MARCKS)heterozygous mutant mice exhibit deficits in hippocampal mossy fiber-CA3 long-term potentiation［J］.Hippocampus，2006，16(5):495-503.

［10］Yi H，Kim SH，Park HG，et al.The effect of systemic injection of cyclosporin A on thephosphorylation ofthePKC substrates MARCKS and GAP43 in the rat hippocampus［J］.Neurosci Lett，2011，497(1):17-21.

［11］Timofeeva OA，Eddins D，Yakel JL，et al.Hippocampal infusions of MARCKS peptides impair memory of rats on the radial-arm maze［J］.Brain Res，2010，1308:147-152.

［12］Tanabe A，Kamisuki Y，Hidaka H，et al.PKC phosphorylates MARCKS Ser159 not only directly but also through RhoA/ROCK［J］.Biochem Biophys Res Commun，2006，345(1):156-161.

［13］Yamaguchi H，Shiraishi M，Fukami K，et al.MARCKS regulates lamellipodia formation induced by IGF-I via association with PIP2 and beta-actin at membrane microdomains［J］.Cell Physiol，2009，220(3):748-755.

［14］Toledo A，Arruti C.Actin modulation of a MARCKS phosphorylation site located outside the effector domain［J］.Biochem Biophys Res Commun，2009，383(3):353-357.

［15］Meller R，Thompson SJ，Lusardi TA，et al.Ubiquitin proteasomemediated synaptic reorganization:a novel mechanism underlying rapid ischemic tolerance［J］.Neurosci，2008，28(1):50-59.

［16］Eun SY，Kim EH，Kang KS，et al.Cell type-specific upregulation of myristoylated alanine-rich C kinase substrate and protein kinase C-alpha，-beta I，-beta II，and-delta in microglia following kainic acid-induced seizures［J］.Exp Mol Med，2006，38(3):310-319.

［17］韓振蘊，蘇芮，范吉平.淀粉樣蛋白(1～40)對癡呆老齡大鼠海馬MARCKS mRNA表達及學習記憶的影響［J］.中國病理生理雜志，2010，26(7):1404-1406.