基于Glu/GABA分子系統的陰陽屬性探討?

王生萬,胡鏡清

(中國中醫科學院中醫基礎理論研究所,北京 100700)

1 概述

陰陽學說是中醫理論的基礎和重要支柱之一。中醫學借用陰陽概括一切生命現象，解釋人體生理病理。就人體而言，陰陽具有時間和空間屬性。時間上，陰陽聯系著日節律、年節律等自然節律。《素問》[1]81篇中有52篇、《靈樞》81篇中有62篇論及陰陽的時間特征。空間上，它聯系著人體陰陽在形體上下左右、臟腑內外陰陽之氣多少和其功能的差異。任應秋先生在1959年所著《陰陽五行》一書中談到人體陰陽時說：“臟腑內外、形體內外可以用陰陽的屬性來概括。[2]”《素問·天元紀大論》說：“陰陽之氣各有多少，故曰三陰三陽也。”三陰三陽是維系陰陽時空關系的紐帶。

我們通過對蛋白質組分子群篩選對比系統分析發現，從腦到脊髓再到臟腑(器)以及外周四肢的谷氨酸(Glu)系統和γ-氨基丁酸GABA系統的相對分布和協調為用顯示了上述陰陽屬性。

2 Glu和GABA系統

谷氨酸(glutame,Glu)和γ-氨基丁酸(GABA)是神經系統內最豐富的神經遞質。Glu存在于所有神經元和體細胞中，Glu對突觸后細胞有極強的興奮作用，是主要的興奮性氨基酸(excitatory aminoacid，EAA)。在Glu轉化酶(GAD)的作用下，Glu轉化為GABA[3-6]。GABA是哺乳動物體內最主要的抑制性神經遞質，廣泛存在于中樞、外周神經系統和體細胞。它對突觸后細胞起抑制作用，是主要的抑制性氨基酸(inhibitory aminoacid，IAA)。 Glu和GABA參與已知的各種分子途徑，參與調控神經元和體細胞幾乎所有的活動。Glu、GABA與其他神經遞質和調質的相互作用，調控細胞的興奮和抑制及其他分子過程。

Glu通過其促離子型受體GRINI(共22個)和促代謝型受體GRM(8個)介導其細胞的興奮性作用和相關生理功能。Glu轉運者SLC1A1、SLC1A2、SLC1A3、SLC1A6和SLC1A7把Glu從細胞外轉運至細胞內，囊泡轉運者SLC17A6、SLC17A7、SLC17A8從細胞質轉運Glu和其他遞質到突觸前囊泡發揮共表型作用(co-phenotype)。GABA通過其促離子型受體GABAA(共19個)和促代謝型受體GABAB(共2個)介導細胞的抑制性。GABA轉運者SLC6A1、SLC6A11、SLC6A12和SLC6A13把GABA從細胞外轉運至細胞內，囊泡轉運者SLC32A1從細胞質共轉運GABA和其他遞質到突觸前囊泡發揮共表型作用。GABA轉氨酶(GABA-T)是GABA降解酶。

圖1顯示，Glu產生自三羧酸循環，谷氨酰胺酶(CLS)是其合成酶，Glu脫氫酶1(CLUD1)、Glu脫氫酶2(CLUD2)為其代謝酶。由于Glu經GAD酶轉化為GABA，而Glu調節細胞興奮性，GABA調節細胞抑制性，GAD通過調控Glu向GABA的轉化而在分子水平對興奮和抑制起開關作用[4]。

圖1 Glu和GABA轉化示意圖(仿參考文獻4繪)

人體內上述Glu、Glu合成酶、降解酶、表達在突觸前后的受體、轉運者、囊泡轉運者構成Glu系統，GABA、GABA合成酶、降解酶、表達在突觸前后的受體、轉運者、囊泡轉運者構成GABA系統。

在Glu和GABA系統中，Glu和GABA進化高度保守，結構緊密連接，化學簡潔高效，發育過程高度依從，功能互相對立、互相依從、互相消長、互相轉化，顯示了類似陰陽的屬性。本文將重點討論Glu/GABA系統分子在人體所顯示出的陰陽時空屬性。

3 Glu/GABA在晝夜節律中的陰陽變化時間屬性

在適應自然界晝夜節律的長期進化過程中，人類形成自身的生物節律。自然日夜節律對人體的影響是由光信號經過視傳導系統把光信號轉化為化學信號Glu和GABA，然后通過不同化學和生物電級聯傳導進而觸發生物節律。

光刺激視網膜，視網膜引發一系列由日節律誘導的級聯反應，傳導至下丘腦主起搏器視交叉上核(suprachiasmatic nucleus，SCN)，SCN輸出產生不同的生理效應。SCN是哺乳動物最主要的晝夜節律起搏器。圖2顯示[7]，在視網膜光由黑視蛋白陽性的固有感光神經節細胞(intrinsically photoreceptive ganglion cell，IPGCs)轉導為神經信號，并沿著視網膜下丘腦束(retinohypothalamic tract，RHT)傳送到SCN核，引起神經遞質Glu釋放到SCN視網膜接收細胞。Glu活化N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體，通過級聯反應后將輸出電信號和化學信號經輸出纖維投射到其他起搏器和顱內其他結構。

圖2 光周期分子和細胞基礎(由外界光引起的節律產生和陰陽)(轉自參考文獻7)

節律性SCN殼細胞包括一套分子鐘，由聯鎖的正負自調節轉錄-翻譯反饋環(如Per，Cry，Rev-Erba，BMAL1)驅動。它們由Glu和GABA系統級聯調節，精確地調控人體的時間節律，這符合陰陽日夜節律和人體陰陽節律相應的時間特點。

黃昏到黎明的暗光觸發體內褪黑素的產生，其受體引起級聯反應產生生理效應，由此而產生的GABA引發睡眠。褪黑素是晝夜生理節律轉換的重要激素[8-9]，產生于松果體，其合成和分泌呈24 h周期性變化，高峰期在夜晚，與其相關的酶和中間產物均呈24 h周期變化。

圖3 褪黑素分泌的三個時相(仿參考文獻9繪)

圖3顯示，褪黑素分泌三個時相[9]，暗光褪黑素分泌開始(dim light melatonin onset，DLMO)；暗光褪黑素分泌消退(dim light melatonin onset，DLMOff)(亮光抑制褪黑素分泌，暗光刺激其分泌)和褪黑素合成消退(melatonin synthesis offset，SynOff)。SynOff是指褪黑素分泌開始下降的時間。SynOff由一個提示黎明(平旦)的單獨起搏器調節。平旦是陰消陽長的重要時間節點，中醫認為平旦陽氣生。這一時相褪黑素顯示，分泌消長特征是人體夜節律分段的依據。腦所攝取的褪黑素濃集于中腦和丘腦下部，它增強腦吡多醛激酶(brain-pyridoxal kinase)的活性，從而促進Glu脫羧形成GABA[10]。

把晝夜分為兩段，晝的變化對人體的影響是通過Glu系統，夜的變化對人體的影響是通過GABA系統。晝夜節律陰陽消長對應人體生物節律陰陽的消長和轉化。平旦是陰陽轉化的一個重要的轉折節點(上述SynOff)。

4 Glu/GABA形體解剖及其功能協調的陰陽空間分布屬性

4.1 Glu/GABA 在腦、脊髓和軀干四肢功能的陰陽空間分布屬性

脊髓是神經系統把大腦的信號傳遞到外周組織的中繼站。由大腦和小腦傳出的Glu和GABA化學信號，通過神經纖維經脊髓中繼傳導到外周器官和組織，作用于外周組織不同受體，產生不同的生理作用，它們的分布顯示了明顯的位置特征。

分子解剖學顯示，大腦皮層錐體細胞傳出Glu能纖維[11],易化伸肌,抑制屈肌[12]。小腦惟一的傳出纖維浦肯野纖維為GABA能神經纖維，通過紅核脊髓束易化屈肌[12]抑制伸肌。大腦的Glu能神經纖維傳出支配部位屬性為陽，小腦的GABA能神經纖維傳出支配部位屬性為陰。

成體脊髓內Glu的含量雖較腦區低，但其分布呈現出背根高于腹根、背部灰質高于腹部灰質的特點[11]。Shh是一個主要的人體腹背軸腹側發育基因，它是GABA能神經元的重要命運決定基因[13-16]，也是所有腹側結構形成的關鍵基因。從分布上看，背側興奮性Glu能神經元較多，腹側抑制性GABA能神經元較多，符合中醫背為陽、腹為陰的劃分。

脊髓傳出神經纖維作用于肌組織從而調節運動行為。行走動物前后肢的運動有賴于伸肌和屈肌交替興奮和抑制，而這種興奮和抑制是由Glu和GABA介導的。實驗顯示[17]，鼠胚胎第11天，脊髓dI6發育相關基因為WT1，胚胎化學表型為GABA/Glycine；脊髓V0發育相關基因為Evx1/2，胚胎化學表型為V0b GABA/Glycine，脊髓V0v胚胎化學表型為Glu；脊髓V1發育相關基因為En1，胚胎化學表型為GABA/Glycine；脊髓V2發育相關基因V2a為Chx10，V2b為Gata3，胚胎化學表型V2a為Glu，V2b為GABA/Glycine；脊髓MN發育相關基因為Hb9、Isl1，胚胎化學表型為Ach、Glu；脊髓V3發育相關基因為Sim，胚胎化學表型為Glu。這種脊髓腹側神經元Glu和GABA的交替表達，為我們理解屈伸肌交替運動從而產生運動興奮抑制網絡打開了思路。Glu和GABA化學表型的交替，表達顯示了它們支配肌的陰陽協調屬性。

胚胎脊髓傳出神經纖維化學表型的支配范圍，規劃了成體脊神經傳出纖維化學表型對四肢肌的支配范圍藍圖。骨骼肌蛋白質組分析顯示，骨骼肌表達的Glu受體是GRINA，一種Glu相互作用蛋白2(glutamate receptor interacting protein GRIP2)，在骨骼肌中表達超過正常組織表達5倍以上，表達的GABA受體是GABBR1、GABRP。對于硬線連接的神經纖維而言，有受體表達的地方就有神經纖維。脊髓Glu能化學表型脊髓細胞投射纖維到達肌組織外側， GABA能化學表型脊髓細胞投射纖維到達肌組織內側。表1顯示，V0和V2區Glu和GABA化學表型的共表達，它們的纖維投射應該到達一個從屈肌到伸肌、從伸肌到屈肌的轉圜區。

表1 鼠脊髓胚胎發育模式化學表型的陰陽屬性

中醫認為，四肢伸肌側的屬性為陽，屈肌側為陰，這些脊髓腹側神經元相關基因產生的化學表型及其投射的相應肌群符合陰陽空間的劃分。

4.2 Glu/GABA臟器功能的陰陽空間分布屬性

從大腦到脊髓神經硬線連接投射來源的Glu系統和GABA系統，除了有與肢體連接協調四肢的功能外，還有與內臟連接共同協調其功能，形成人體中臟腑形體共同協調作用網絡,它們表現為相互依存和相互協調。Glu/GABA主要通過自主神經系統調節臟器功能。應用蛋白質組對照研究方法，可獲得肝、膽、心、小腸、脾、胃、肺、大腸、腎、膀胱等臟器組織的細胞表面Glu和GABA受體及其轉運者的類型和數量。初步分析，各臟器組織內部Glu和GABA的合成、細胞膜上表達的Glu和GABA受體以及轉運者的類型和數量，似乎與中醫學所定義的臟腑陰陽屬性及其內部陰陽互存、協調為用相一致。

肝臟組織Glu系統包含1種促離子型Glu受體、1種促代謝型Glu受體和3種Glu轉運者。肝組織內Glu合成酶2(GLS2)mRNA表達豐度為其他RNA的5倍以上。GABA系統包含1種促離子型GABA受體、3種GABA轉運者，其中SLC6A1、SLC6A12的mRNA表達豐度為其他RNA的5倍以上。它們共同參與調節肝臟的生理功能，并通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

膽囊組織Glu系統包含4種促離子型Glu受體和4種Glu轉運者，其中SLC1A7 RNA表達豐度為其他RNA的5倍以上，包括1種Glu囊泡轉運者SLC17A7。膽囊組織GABA系統包含5種促離子型GABA受體和2種GABA轉運者，它們共同參與并調節膽囊的生理功能，通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

心臟組織Glu系統包含5種促離子型Glu受體、2種促代謝型Glu受體和2種Glu轉運者，其中促代謝型受體GRIN2CmRNA表達豐度為其他RNA的5倍以上；心臟組織GABA系統包含5種促離子型GABA受體和1種GABA轉運者，它們共同參與并調節心臟的生理功能，通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

小腸組織Glu系統包含3種促離子型Glu受體、3種Glu轉運者和1種Glu囊泡轉運者，其中SLC1A1、SLC17A8 mRNA表達豐度為其他mRNA的5倍以上。小腸組織GABA系統包含3種促離子型GABA受體、1種促代謝型GABA受體，它們共同參與并調節小腸的生理功能，通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

脾臟組織Glu系統包含5種促離子型Glu受體和1種Glu轉運者，其中GRIN3BmRNA表達豐度為其他mRNA的5倍以上；脾臟組織GABA系統包含5種促離子型GABA受體、1種促代謝型GABA受體，它們共同參與并調節脾臟的生理功能，通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

胃組織Glu系統包含2種促離子型Glu受體，3種Glu轉運者。胃組織GABA系統包含2種促離子型GABA受體、1種促代謝型GABA受體和1種GABA轉運者。它們共同參與并調節胃的生理功能，通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

肺臟組織Glu系統包含2種促離子型Glu受體和3種Glu轉運者。肺臟組織GABA系統包含3種促離子型GABA受體、1種促代謝型GABA受體和3種GABA轉運者，它們共同參與并調節肺臟的生理功能，通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

大腸組織Glu系統包含2種促離子型Glu受體、1種促代謝型Glu受體和2種Glu轉運者和1種Glu囊泡轉運者。大腸組織Glu系統包含3種促離子型GABA受體和1種GABA轉運者，它們共同參與并調節大腸的生理功能，并通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

腎臟組織Glu系統包含3種促離子型Glu受體和1種Glu轉運者，腎臟組織GABA系統包含4種促離子型GABA受體和2種GABA轉運者，其中SLC6A12、SLC6A13 mRNA表達豐度為其他RNA的5倍以上；GABA合成酶GAD1，是臟腑組織中惟一表達GAD的組織，它們共同參與并調節腎臟的生理功能，通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

膀胱組織有Glu受體和GABA受體[18]，暫無蛋白質組學資料，它們共同參與并調節膀胱的生理功能，通過神經聯絡和其他臟器、四肢頭面形成網絡。

4.3 Glu/GABA在顱面器官中功能的陰陽空間分布屬性

有研究資料顯示，所有顱神經感覺神經纖維的興奮和抑制均由Glu/GABA調控。以三叉神經為例，在出生前發育鼠丘腦腹后內側核(Ventral posteromedial nucleus VPM)，興奮性反應完全由Glu受體NMDARs(GRINs)介導，而GABA在胚胎第18天(E18)開始起作用。VPM接受來自三叉神經嘴側主核(Rostral Principal nucleus PrV)和尾側三叉神經脊束核(Caudal spinal nuceulSpV)的投射[19]。

脊椎動物運動結構研究顯示，在前腦、腦干和脊髓，興奮性神經元是Glu能的，它們活化突觸后AMPA受體(GRIAs)和NMDA受體(GRINs)，GABA神經元下調運動活性[20]。

視網膜雙極細胞接受來自光受體的Glu傳入和水平細胞的GABA傳入，它們既介導生物節律(前述)又參與視覺感知，既探測可見光，也參與視網膜的發育。視網膜雙極細胞接受來自光受體的Glu能傳入和來自水平細胞的GABA能輸入。Glu輸入提供Glu興奮性輸入到視網膜節細胞，GABA抑制性輸入到無長突細胞，這些輸入對感光具有開關作用[21]。開的作用由Glu介導，關的作用由GABA介導。介導視覺感知的分子包括促離子型Glu受體GRIN1、GRIN2、促代謝性Glu受體GRM6和GRM8等。

聽覺傳導經毛細胞通過聽神經到耳蝸核，再經上橄欖核到外側丘系和上丘，到達下丘腦內側膝狀體，最后到達聽覺皮層。投射纖維為Glu能和GABA能(或Gly)的化學表型[22]。介導聽覺感知的興奮性分子為促代謝型Glu受體GRM7。上橄欖核對聽覺靶細胞的功能由GABA介導，包括促離子型GABA受體GABRA5、GABRB2、GABRB3等。研究還顯示，聽覺系統GABA突觸抑制具有聲音定位作用[23]。同臟器傳出纖維一樣，顱面結構內臟傳出纖維中Glu/GABA通過自主神經傳遞。Glu/GABA也介導嗅覺和味覺功能[24]。

5 結語

通過上述討論， Glu和GABA系統分子功能符合中醫陰陽理論中陰陽互相對立、互相依從、互相消長、互相轉化的屬性(圖4)，也符合晝夜節律、形體內外、臟腑之間位置關系決定的時空陰陽屬性，可能是人體陰陽變化的分子基礎之一。

圖4 GLU和GABA

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