突觸可塑性相關物質基礎研究進展

突觸可塑性相關物質基礎研究進展

宋宛珊郭威張玉蓮1孫偉明曹楊王一夫

(天津中醫藥大學,天津300193)

關鍵詞〔〕突觸可塑性；學習記憶；NMDA；AMPA

中圖分類號〔〕R338〔文獻標識碼〕A〔

基金項目：國家自然基金(面上)項目(No.81273940)；高等學校博士學科點專項科研基金(博導類)(No.20131210110012)

通訊作者：張玉蓮(1963-)，女，博士，主任醫師，博士生導師，主要從事中西醫結合腦病臨床與基礎研究。

1天津中醫藥大學第二附屬醫院

第一作者：宋宛珊(1987-)，女，博士，主治醫師，主要從事中西醫結合腦病臨床與基礎研究。

突觸可塑性是指突觸在形態和功能上的改變，是學習和記憶活動的神經生物學基礎，在神經系統的發育、成熟及學習記憶中起重要作用。突觸的傳遞可塑性是決定整個突觸可塑性最關鍵的部分。多項研究表明，突觸可塑性與阿爾茨海默病(AD)患者認知功能下降密切相關，修復受損突觸結構，提高突觸傳遞可塑性，可有效改善AD患者認知功能，提高學習記憶能力〔1〕。本文就影響突觸結構及傳遞可塑性的物質基礎進行綜述，以期為臨床治療AD認知功能障礙提供可行途徑及依據。

1突觸傳遞效率的物質

1.1N-甲基-天冬氨酸(NMDA)受體的功能與突觸可塑性NMDA受體是興奮性氨基酸受體，是由3種不同亞基(NR1、NR2、NR3)構成的陽離子通道。NR1是NMDA受體復合物的功能性亞單位，參與離子通道的形成，是調節能力最強的神經遞質受體〔2〕，NR2 是NMDA受體的調節亞基，獨立存在時并不表達，主要作用是修飾整個受體的功能特性，增強了NR1對興奮性氨基酸的反應〔3〕，NR3的功能是抑制NMDA受體通道的開放〔2〕，結合NR3受體亞型可降低NMDA受體通道內鈣離子的通透性，而且在突觸和突觸外的NMDA受體反應性中起著一定的保護作用〔4〕。NMDA受體主要是由NR1 和NR2 亞基構成的四聚體復合物，存在于谷氨酸能神經元突觸后膜的致密體(PSD)內，靜息的NMDA受體可電壓依賴性被Mg2+阻斷，開放時主要允許K+、Na+及部分Ca2+通過。一般情況下，在海馬的CA1 區，高頻刺激引起樹突棘內NMDA受體的激活，Ca2+濃度升高，Ca2+/鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)活化，突觸蛋白質磷酸化，進而誘發長時程增強(LTP)；相反，低頻刺激引起樹突棘內Ca2+濃度輕度升高，從而激活磷酸蛋白磷酸化酶，突觸AMPA受體去磷酸化，進而誘發長時程抑制(LTD)〔5〕。突觸后膜上NMDA受體的數量對突觸可塑性具有重要的調節作用，研究發現，β淀粉樣蛋白(Aβ)可通過減少神經元內突觸后致密物蛋白95(PSD-95)的含量，從而降低穩定NMDA受體的數量，進而影響突觸的可塑性〔6〕。NMDA受體除了直接在突觸后膜和細胞胞質庫間垂直運動外，還能沿突觸后膜表面在突觸和突觸外位作側向移位，這種在細胞膜表面的移位可以改變突觸受體的數目和組成，對突觸傳遞效率的改變起著重要作用〔7〕。

1.2Ca2+對突觸后可塑性的誘導起決定作用Ca2+是神經元細胞內重要的第二信使，與基因表達，膜興奮性調節，樹突的發育，突觸的發生和神經元信息加工、記憶儲存等功能有關。刺激后突觸后膜內Ca2+濃度變化的差異導致神經元產生不同的生理反應。在長時程增強過程中，高頻刺激引起的谷氨酸大量釋放激活了突觸后膜的NMDA受體，導致突觸后神經元內突觸后神經元內Ca2+大幅升高，Ca2+激活CaMKⅡ，進使α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(AMPA)受體通道磷酸化而增加其電導，也能使儲存于胞質中的AMPA受體位移到突觸后膜上而增加其密度，因而使突觸后的反應增強。在長時程抑制過程中，低頻刺激引起突觸后胞質內Ca2+濃度輕度升高，優先激活蛋白磷酸酶，結果使AMPA受體去磷酸化而電導降低，突觸后膜上AMPA受體的數量減少，從而產生LTD。同時突觸后神經元內的Ca2+濃度水平也影響著高頻刺激引起的突觸可塑性過程，高頻電刺激海馬齒狀回激活NMDA受體，既可引起LTP，也可引起LTD，這種突觸可塑性取決于細胞內Ca2+緩沖劑的濃度和種類。在細胞內存在高濃度Ca2+緩沖劑的條件下，高頻電刺激主要誘發LTD，在細胞內Ca2+緩沖劑濃度較低的情況下產生LTP，提示細胞內游離鈣的濃度決定NMDA受體調控的突觸可塑性變化方向〔8〕。

1.3Ca2+CaMKⅡCaMKⅡ在大腦皮質和海馬中大量存在，在突觸中分布密集，是突觸后致密物的主要成分，其磷酸化狀態可間接調節如神經遞質的合成與釋放、離子通道的活性、突觸可塑性及基因表達等神經活動。谷氨酸NMDA受體是CaMKII的直接底物，研究表明CaMKII直接與NMDA受體胞內C末端相互結合，催化一特定絲氨酸(S1303)的磷酸化。CaMKII也加強谷氨酸AMPA受體的磷酸化，通過磷酸化AMPA受體C末端特定的絲氨酸(S831)，CaMKII增強AMPA受體的功能。CaMKⅡ在正常狀態下與mGluR5受體結合以儲存于突觸內，刺激mGluR5受體時，CaMKⅡ與mGluR5受體分離，轉運至NMDA受體，以介導mGluR5信號對NMDA受體的增強作用。在大鼠海馬CA1 區LTP誘導和維持依賴于CaMKⅡ的活化。最新的體內實驗研究也表明，動物在經過行為學訓練以后，其海馬中磷酸化的CaMKⅡ蛋白含量升高〔9〕，進一步證實CaMKⅡ在學習記憶和突觸可塑性中的關鍵作用。

1.4AMPA受體介導LTP的增強AMPA受體是興奮性谷氨酸受體，是由GluR1、GluR2、GluR3和GluR4四種亞基選擇性組裝構成同源或異源四聚物。中樞神經系統中大多數AMPAR受體含有GluR2亞基，這類AMPA受體對Ca2+不通透，在LTP過程中具有重要作用。以往的研究認為在具有NMDA受體的突觸上，NMDA受體介導的AMPA受體的插膜和內吞過程分別是LTP、LTD發生的機制之一，對突觸后膜上的受體數目進行調控是進行突觸可塑性改變的有效途徑，尤其在沉默突觸喚醒的過程中，AMPA受體的插膜是關鍵性的步驟。但研究顯示GluR2缺失的AMPA受體對突觸功能、突觸可塑性、神經局部環路傳導等有特殊的作用〔10〕。研究表明，表達GluR2缺失AMPA受體的突觸可以產生非NMDA受體依賴的LTP，且這種LTP的誘導需要突觸后Ca2+水平的升高，據此推測由GluR2缺失的AMPARs對Ca2+通透性改變可誘導LTP的發生〔11〕。

1.5NO是重要的逆信使NO由一氧化氮合酶(NOS)催化而成，屬于非典型神經遞質，以擴散的方式到達臨近靶細胞，直接結合并激活一種可溶性鳥苷酸環化酶，使細胞內的cGMP水平升高而產生效應。NO在中樞神經系統中參與LTP和LTD等突觸可塑性，作為一種逆行信使，由突觸后產生作用于突觸前神經元。試驗研究發現，條件刺激大鼠離體海馬腦片10min后，LTP產生，NO含量和NOS活性均顯著升高，條件刺激60min后，LTP穩定維持，但NO含量和NOS活性卻恢復到條件刺激前水平，提示NO及NOS的活性升高參與了LTP的形成〔12〕。Wu等〔13〕運用NOS抑制劑能夠抑制海馬腦片齒狀回的LTP，而NO的底物L-精氨酸可逆轉這種抑制作用。NO通過增加海馬齒狀回區細胞外液中天冬氨酸、葡萄糖和甘氨酸的分泌來增強習得性的LTP形成及維持過程〔14〕。NO可通過激活可溶性鳥苷酸環化酶途徑催三磷酸鳥苷轉變成環磷酸鳥苷,進而激活環磷酸鳥苷依賴性蛋白激酶，并催化有關蛋白或酶的磷酸化〔15〕，促進突觸前遞質的釋放。

2突觸可塑性相關蛋白

在突觸重塑的過程中，許多蛋白質參與其中，這些蛋白質不僅能夠促進神經元生長發育，調控神經遞質釋放、受體蛋白轉運，也參與突觸的可塑性過程和損傷后突觸結構、功能的修復。

2.1神經生長相關蛋白神經生長相關蛋白(GAP-43)是一種快速胞膜磷酸蛋白，與神經發育、突觸重建、軸突再生密切相關。GAP-43在發育中的神經元沿整個軸突表達，在生長錐表達尤其豐富，調控軸突生長，對突觸可塑性具有重要意義。對發育期大鼠GAP-43 表達的檢測發現，剛出生的大鼠的神經元GAP-43主要在胞體和初生突起中高表達，胞漿中含量極低，而在實質錐和突觸前膜的動態結構中含量極高。對人神經發育不同時期GAP-43表達研究顯示，出生后1w達到表達最高峰,而后隨著年齡增加而逐步下降。成年時，神經系統的大部分區域GAP-43表達水平很低，但在嗅球、新皮質、海馬和腦干部分區域內的單胺類神經元內，GAP-43一直維持在較高水平，說明GAP-43與神經元的正常活動是密切相關的。除了促進神經元的發育，GAP-43與突觸的生長和損傷后修復關系也密切相關。損傷周圍的神經元時，受損區域GAP-43水平再次升高，受損神經元可出現側枝發芽和軸突再生以進行功能代償，但GAP-43水平隨著時間的延長逐漸下降〔16〕。動物試驗發現，GAP-43在誘導LTP過程中有重要作用，在海馬CA1 區高頻刺激誘導出LTP，在NMDA受體的激活之后，對GAP-43磷酸化程度進行監測發現，大鼠海馬腦片CA1區僵直刺激后10至60min可出現GAP-43 磷酸化程度的提高，至120min后不再增加，用NMDA受體阻斷劑AP5抑制LTP后，GAP-43磷酸化程度的提高也受到抑制，這說明GAP-43磷酸化程度與LTP的表達正相關〔17〕。

2.2神經細胞黏附分子(NCAM)NCAM是屬于細胞表面糖蛋白的一種，主要功能介導細胞黏附和識別，分布集中在神經組織中，參與神經細胞黏附、髓鞘形成、神經元出芽、軸突再生等神經生長及修復過程，并具有促進突觸可塑性并維持突觸結構的功能，是突觸可塑性的標志之一〔18〕。NCAM的一個重要特征就含有以α-2，8鍵相連的多聚唾液酸復合物(PSA)，研究發現，PSA-NCAM在中樞神經的分化、遷移、突起長芽、突觸聯系的建立以及神經元發育和突觸可塑性的許多過程中發揮作用〔19〕。PSA-NCAM在成年動物中樞神經系統中含量很少，但在海馬齒狀回顆粒細胞層的最深部表達較多，與學習、記憶相關的突觸重塑過程密切相關。研究認為，通過PSA-NCAM對海馬錐體細胞和齒狀回顆粒細胞通過NMDA受體發揮調節功能，促使齒狀回顆粒細胞發出苔狀纖維軸突，與錐體細胞頂樹突的近端形成突觸，然后與NMDA受體結合位點連接在一起，給予這些突觸短暫重復刺激可引起LTP，且該增強作用可完全被NMDA受體拮抗劑阻斷，同時缺乏PSA-NCAM也引起NMDA受體依賴性LTP減弱〔20〕。

2.3微管相關蛋白蛋白(MAP)-2MAP-2是組成神經元的結構蛋白，哺乳動物腦中含量豐富，是神經細胞的骨架成分，主要在神經元胞體、樹突和樹突棘表達，能調節微管蛋白組裝，穩定細胞骨架結構。研究顯示海馬梗死大鼠MAP-2蛋白表達增加的同時有腦梗死大鼠行為學的改善，并且與學習記憶功能的恢復呈正相關。同樣的動物實驗也表明，在大腦缺血初期，受損區域神經元樹突和結構受損、MAP-2表達水平下降，在3至7天后MAP-2表達逐漸升高，提示MAP-2與神經可塑性密切相關。趙暉等〔21〕研究表明豐富環境干預可改善慢性低灌注大鼠的學習記憶能力，其作用機制與上調海馬突觸素、MAP-2蛋白表達，提高突觸可塑性有關。

2.4突觸素突觸素是和突觸功能和結構密切相關的一種膜蛋白。有學者對人、牛等動物的突觸素研究發現，其廣泛分布在各種神經元的突觸前囊泡中，突觸素在所有的神經末梢均呈點狀分布，而在白質及膠質細胞中未發現突觸素存在。突觸素參與神經遞質的釋放，突觸囊泡的導入、轉運，突觸囊泡再循環和突觸發生〔22〕。神經元受到刺激后產生神經沖動可沿軸突傳至突觸前膜，進而引起突觸前膜去極化，突觸前膜上的Ca2+通道開放，細胞外Ca2+進入軸漿內，由此出發囊泡向突觸前膜導入和融合，通過過胞吐的方式，將囊泡內的神經遞質釋放入突觸間隙。研究顯示，突觸素免疫活性增高與軸突末端出芽、側支形成、囊泡數量遞升、活性增強密切相關，提示神經元突觸可以發生重塑〔23〕。突觸素影響突觸可塑性的途徑是：突觸素通過磷酸化的方式與肌動蛋白和突觸囊泡結合，調節神經末梢突觸囊泡的運動和釋放，進而調控神經遞質的釋放。

2.5ReelinReelin細胞外基質糖蛋白，具有調節神經元的發生和遷移的作用，也能調控突觸的結構和功能。reelin表達異常與雙向情感障礙、精神分裂癥和阿茲默海病等神經系統疾病密切相關〔24〕。研究發現，Reelin可通過抑制Aβ導致的LTP和NMDAR的衰減〔25〕。Reelin對于突觸可塑性的作用體現在以下幾方面：①reelin在Src族激酶(SFK)和PSD-95參與下，通過激活SFK促使NMDA受體磷酸化，促進Ca2+內流，進而增強LTP；同時這種促使NMDA受體磷酸化可以組織Aβ介導的NMDA受體內吞作用；②Reelin可增強AMPA受體傳遞功效的途徑，對靜默突觸的有削減作用，通過提高AMPA受體/NMDA受體的比例，增強AMPA受體介導的突觸后電位。③Reelin的過度表達在強化LTP的同時，也可使樹突棘更加膨大。

3總結與展望

突觸可塑性是鈣離子和多種受體蛋白介導的突觸傳遞效能和結構變化的復雜過程，是影響學習記憶能力的關鍵因素之一，多種物質參與了突觸可塑性的調節。但何種因素是決定突觸可塑性的主導因素還尚未確定，目前研究僅僅局限于對突觸可塑性部分指標的檢測及評價，因此現階段大部分研究對于突觸可塑性的評價尚存在片面性。

在有關藥物對突觸可塑性影響的研究中，我們不難發現中藥及其單體可通過影響相關物質基礎調節突觸可塑性，且對突觸可塑性具有長期的治療效果，相比于西藥具有獨特的優勢。但是目前針對中藥干預影響突觸可塑性的研究還處于初步階段，尚存在以下幾方面的問題：①實驗模型不同：AD有不同的致病機理觀點造成了所造動物及細胞模型的相同，在不同模型基礎上進行突觸可塑性的研究，實驗之間缺乏可比性；②評價的指標不同：由于實驗目的不同及條件的差異，在突觸可塑性研究中選擇的指標也有很大的差異性，選擇中藥種類較多，但有關突觸可塑性的研究卻較少，很難客觀全面的評價中藥對突觸可塑性的影響；③研究不全面：中藥對突觸可塑性的研究基本上為部分結構或功能的初步研究，缺乏對中藥影響突觸可塑性結構和功能具體機制的系統研究，及相關臨床驗證。

綜上所述，突觸可塑性的研究仍需進一步的系統化，而對于藥物尤其是中藥對于突觸可塑性的研究仍需制定較為公認的動物模型標準、評價體系及相關臨床驗證系統，方能進一步推動藥物對突觸可塑性的深入研究，為改善AD學習記憶能力提供有力實驗支撐。

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〔2015-01-18修回〕

(編輯李相軍)