鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ在突觸可塑性和神經精神疾病中的作用

馬 婧，劉曉莉，喬德才

(北京師范大學體育與運動學院，北京 100875)

鈣/鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(calcium/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)是一種依賴于鈣/鈣調蛋白(calmodulin，CaM)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在腦組織中表達豐富，海馬腦區其含量甚至達到神經元總蛋白的2%[1]。CaMKⅡ是N-甲基-D-天門冬氨酸受體(N-methyl-D-aspatate receptor，NMDAR)下游的一個重要信號分子，能夠被Ca2+/CaM結合而激活。激活的CaMKⅡ在Thr286發生自身磷酸化，產生自發活性，由Ca2+依賴狀態轉變為非依賴狀態，使得CaMKⅡ在胞內Ca2+濃度降低后，仍能長時間保持較高活性。鑒于這一特性，CaMKⅡ被認為是一個“記憶分子”，在突觸可塑性和學習記憶中發揮重要作用。長時程增強(long-term potentiation，LTP)和長時程抑制(long-term depression，LTD)是突觸可塑性的兩種主要形式。CaMKⅡ在LTP中的重要作用已研究的比較廣泛，且被普遍認可。近年來研究發現，CaMKⅡ在LTD中也發揮重要作用[2]。此外，近期一系列研究報道，許多神經精神疾病的發生都與腦內CaMKⅡ的功能異常有關，包括藥物成癮、精神分裂癥、癲癇等[3]。本文對CaMKⅡ在LTP、LTD中的作用，CaMKⅡ對突觸可塑性方向的調控，以及CaMKⅡ在這些神經精神疾病中的作用做一綜述。

1 CaMKⅡ的分子結構和特征

CaMKⅡ由12個亞基組成兩個六聚體環，疊在一起形成同心環結構。CaMKⅡ一共有4種亞型，分別為α、β、γ、δ[4]，其中腦組織中主要表達α和β亞型。前腦α ∶β的含量比約為3 ∶1，小腦α ∶β的含量比約為1 ∶3。胞內的CaMKⅡ主要分布在突觸后致密區(postsynaptic density，PSD)，是PSD的主要成分，占PSD總蛋白的2%～6%[5]。0.1 μm2的PSD中大約含有80個CaMKⅡ全酶，1個蘑菇狀棘的PSD中大約含有90～240個CaMKⅡ全酶[6]。

CaMKⅡ單體由C-末端結合區、中間調節區和N-末端催化區組成[3]。C-末端結合區是不同單體組裝在一起形成六聚體環的連接部位。調節區又包括自身抑制區、鈣調蛋白結合區和自身磷酸化位點(Thr286和Thr305/306)。靜息狀態下，CaMKⅡ的催化區被自身抑制區覆蓋，處于無活性狀態。一定的刺激使NMDAR通道打開，Ca2+內流，Ca2+/CaM與CaMKⅡ的調節區結合，使得CaMKⅡ的分子構象發生改變，催化區暴露出來，解除了自身抑制區對活化位點的抑制作用[3]。同時，αCaMKⅡ的Thr286位點(βCaMKⅡ的是Thr287位點)發生自身磷酸化，產生自發活性。自身磷酸化的亞基可以繼續磷酸化其相鄰亞基，使CaMKⅡ由Ca2+依賴狀態轉變為非依賴狀態，在Ca2+濃度降低后，仍能長時間保持較高的激酶活性。CaMKⅡ的自發活性與Ca2+濃度變化的頻率、持續時間以及幅度直接相關。一個全酶共有12個亞基可以發生自身磷酸化，因此可以將不同頻率的Ca2+濃度變化分級轉變為高低不同的激酶活性。此外，Thr286自身磷酸化后，能夠增強相鄰亞基與Ca2+/CaM結合的親和力(這種現象叫做CaM捕獲)，使得相鄰亞基中已經去磷酸化的Thr286重新磷酸化，繼續提高CaMKⅡ的活性。除了Thr286位點，CaMKⅡ的Thr305/306位點也能發生自身磷酸化，其磷酸化后能夠阻止CaMKⅡ與CaM的進一步結合，因此，Thr305/306磷酸化的作用是抑制CaMKⅡ活性的提高，將CaMKⅡ的活性限制在一個較低的水平。

2 CaMKⅡ與突觸可塑性

突觸可塑性被認為是學習與記憶的細胞機制。突觸可塑性主要有兩種形式，即LTP和LTD。大量的研究已經證實，CaMKⅡ在海馬腦區的突觸可塑性和學習記憶中發揮著重要作用。

2.1CaMKⅡ與LTPLTP最初由Bliss等[7]于1973年在家兔海馬腦區的前穿質纖維-齒狀回通路發現，是指給突觸前纖維一個短暫的高頻刺激后，突觸傳遞效率明顯增強，且這種增強能夠維持數小時，甚至數天的現象。此后，研究者們對海馬腦區的LTP展開了大量的研究，發現CaMKⅡ及其Thr286的自身磷酸化對于海馬LTP的形成是必需的。例如，1992年，Silva等[8]發現，特異性缺失CaMKⅡ的小鼠海馬腦區的LTP受損，為CaMKⅡ參與LTP的形成提供了最早的直接證據。Stanton等[9]發現，無論是胞外孵育，還是向胞內灌注CaMKⅡ的拮抗劑KN-62，均能阻斷海馬腦區LTP的產生。抑制CaMKⅡ Thr286自身磷酸化的突變小鼠(286位點的蘇氨酸突變為丙氨酸)，其海馬腦區的LTP嚴重受損[10]。

LTP的誘導和維持是突觸前和突觸后的聯合作用，以突觸后機制為主。CaMKⅡ無論是在突觸前機制，還是突觸后機制中均發揮重要作用。突觸前，激活的CaMKⅡ可以磷酸化突觸素Ⅰ(synapsin Ⅰ)，促進神經遞質的釋放。突觸素I是神經元特有的一種位于突觸前的蛋白質。非磷酸化狀態的突觸素Ⅰ與突觸前的突觸囊泡結合，在突觸囊泡周圍形成1個“小籠子”，或將突觸囊泡與細胞骨架中的F-肌動蛋白連接，使突觸囊泡不能輕易地與突觸前膜融合，因此，抑制神經遞質的釋放。激活的CaMKⅡ能夠磷酸化突觸素Ⅰ，突觸素Ⅰ磷酸化后，與突觸囊泡脫離，突觸囊泡得以“出籠”，或使突觸囊泡從F-肌動蛋白上釋放，突觸囊泡與突觸前膜融合，從而促進神經遞質的釋放[11]。在CaMKⅡ的作用下，突觸素I被磷酸化，導致興奮性神經遞質釋放增多，這可能是LTP的突觸前機制之一。

研究發現，CaMKⅡ的自發活性對于LTP的誘導是必需的，而對于LTP的維持卻不是必需的。Buard等[14]使用低濃度(5 μmol·L-1)的tatCN21抑制CaMKⅡ的自發活性，能夠明顯損害LTP的誘導和記憶的獲得，但并不影響LTP的維持和記憶的儲存。CaMKⅡ/NMDAR復合體對于LTP的維持是必需的。對已經成功誘導出LTP的腦片孵育較高濃度的tatCN21短肽(20 μmol·L-1的tatCN21能夠與CaMKⅡ結合，競爭性抑制CaMKⅡ與NR2B亞基的結合)，抑制CaMKⅡ /NMDAR復合體的形成，結果發現LTP的維持嚴重受損，而將tatCN21洗脫后，LTP又得以恢復[15]。因此，CaMKⅡ/NMDAR復合體對于LTP的維持是必需的。

2.2CaMKⅡ與LTDLTD是突觸可塑性的另外一種形式。1977年，Lynch等[16]最早報道了海馬腦區存在突觸傳遞活力依賴性的抑制現象，即LTD。近年來研究發現，LTD過程中，CaMKⅡ也會被激活，CaMKⅡ及其自發活性對于LTD也是必需的。敲除CaMKⅡ或者抑制CaMKⅡ的自發活性，均能阻斷LTD的形成[2]。有文章報道，CaMKⅡ能夠磷酸化AMPAR 的GluA1-Ser567位點，促進AMPAR從突觸位點上移除，減少AMPAR在突觸后膜上的數量，從而產生LTD[17]。在LTD中，CaMKⅡ還能磷酸化AMPAR調節支架蛋白A-激酶錨定蛋白79/150(AMPA-receptor regulatory scaffold protein A-kinase anchoring protein 79/150，AKAP79/150)，使AKAP79/150從突觸上移除，樹突棘皺縮。關于CaMKⅡ在LTD中的其他作用機制仍不清楚，還需要進一步研究。

2.3CaMKⅡ對突觸可塑性方向的調控傳統認為，CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化只發生在LTP過程中。但近年來研究發現，無論是代謝型谷氨酸受體 (metabotropic glutatamate receptor，mGluR) 依賴的LTD，還是NMDAR依賴的LTD中，CaMKⅡ的Thr286都會發生自身磷酸化。因此，無論誘導LTP還是LTD，CaMKⅡ都會被激活，并發生Thr286自身磷酸化，產生自發活性，但是其自發活性的高低以及時間常數明顯不同。

CaMKⅡ在LTP過程中的自發活性水平要明顯高于LTD過程。通過熒光共振能量轉移技術檢測單個突觸棘中CaMKⅡ的實時活性，發現LTP刺激誘導后，CaMKⅡ的活性迅速升高，并在1 min內又迅速回落，表現出1個明顯的活性尖峰[18]。而LTD刺激誘導后，CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化增加緩慢，CaMKⅡ的活性在5 min時達到峰值，然后持續穩定在較低的水平[19]。因此，決定突觸可塑性向LTP還是LTD方向發展的決定因素不在于CaMKⅡ是否發生Thr286自身磷酸化，而在于其磷酸化后自發活性水平的高低和時間特性，以及由此引發的CaMKⅡ的進一步調節作用，例如CaMKⅡ的Thr305/306是否發生自身磷酸化，以及CaMKⅡ與不同蛋白的結合等。

Thr305/306是CaMKⅡ活性的抑制性位點，在LTD過程中，Thr305/306發生自身磷酸化，將CaMKⅡ的活性限制在較低水平。而在LTP中，Thr305/306不發生自身磷酸化，使得CaMKⅡ能夠被大幅度激活，而處于較高的活性狀態。研究發現，持續表達有活性CaMKⅡ的T286D突變小鼠，直接誘導出LTD還是LTP，取決于Thr305/306的磷酸化同時被促進，還是被抑制。如果Thr305/306的磷酸化被促進，則誘導出LTD；而如果Thr305/306的磷酸化被抑制，則誘導出LTP。此外，在LTP和LTD過程中，CaMKⅡ被激活運輸到PSD后，其結合的蛋白分子也不同。在LTP中，CaMKⅡ激活后，與突觸后膜上NMDAR的NR2B亞基結合[20]。而在LTD中，CaMKⅡ可能與突觸后膜上的densin-180結合，因為densin-180敲除的小鼠表現出海馬LTD的受損[21]。

3 CaMKⅡ與神經精神疾病

近期一系列研究發現，許多神經精神疾病的病人或模式動物的腦區，包括藥物成癮、精神分裂癥、癲癇等，都表現出CaMKⅡ的功能異常。CaMKⅡ的功能障礙導致谷氨酸能信號通路異常以及突觸可塑性異常，可能是這些神經精神疾病的發病機制之一[3]。

3.1CaMKⅡ與藥物成癮藥物成癮是一種反復發作的慢性腦部疾病，其主要特征為強迫性用藥和高復發性[22]。藥物成癮的“谷氨酸穩態假說”認為，皮層投射到伏隔核的谷氨酸能突觸傳遞異常可能是藥物成癮的病理機制，且有證據表明，CaMKⅡ 在其中發揮重要的調節作用。慢性苯丙胺和可卡因暴露導致伏隔核腦區αCaMKⅡ的活性異常升高，而且可卡因暴露后，αCaMKⅡ啟動子的表觀遺傳狀態發生改變。慢性可卡因暴露引起伏隔核腦區轉錄因子△FosB與αCaMKⅡ啟動子的特異性結合，隨后激活的CaMKⅡ磷酸化△FosB的Ser27位點，并增加其穩定性，最終導致藥物的突觸和精神興奮作用所需的前饋循環[23]。利用藥理學方法阻斷伏隔核腦區CaMKⅡ的活性，能夠降低對苯丙胺和可卡因的行為敏感化；而在伏隔核過度表達CaMKⅡ，能夠提高對苯丙胺的敏感化以及成癮性。

3.2CaMKⅡ與精神分裂癥精神分裂癥是一種涉及多個腦區的復雜的精神障礙，關于其發病機制主要有“多巴胺功能紊亂假說”和“谷氨酸能功能低下假說”。使用NMDAR的拮抗劑苯環己哌啶(phencyclidine，PCP)和氯胺酮能夠誘導出精神分裂癥樣行為，基于此，“谷氨酸能功能低下假說”被提出。越來越多的證據提示，精神分裂癥與谷氨酸能系統的多種基因有關，包括NMDAR的亞基、NMDAR下游的激酶CaMKⅡ等[3]。精神分裂癥的發病機制可能與CaMKⅡ的功能降低有關。雜合的CaMKⅡ敲除小鼠，具有不成熟的海馬齒狀回(dentate gyrus，DG)腦區，并且表現出一系列與精神分裂癥患者相似的異常行為，包括多動、工作記憶障礙、社交退縮等。缺乏CaMKⅡ錨定蛋白densin-180的模式小鼠，表現出短期記憶受損、感覺運動門控功能障礙、筑窩能力受損、攻擊性增加等一系列精神分裂癥行為表現[21]。

3.3CaMKⅡ與癲癇癲癇是谷氨酸能與GABA能神經傳遞失衡，導致的神經元大量同步化放電引起的。在不同的癲癇模式動物中，均發現CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化水平降低。有趣的是，雖然在癲癇發作后24 h， CaMKⅡ Thr286的磷酸化水平恢復正常，但是CaMKⅡ的總含量降低了35%[24]。CaMKⅡ活性和表達含量的降低反映了機體的一種穩態機制，有利于降低癲癇中大量神經元同步化興奮而產生的Ca2+超載的影響[24]。此外，癲癇發作過程中，CaMKⅡ在胞內的分布也發生變化，由PSD轉移至胞質中[25]。

CaMKⅡ的功能正常對于腦區行使其正常生理功能是必需的。CaMKⅡ活性過高或過低，都可能導致神經精神疾病的發生。某些神經精神疾病伴隨著腦區CaMKⅡ活性的異常升高。例如，除了藥物成癮，在注意力缺陷多動癥、敲除ATRX的智力障礙、帕金森病等模式動物中，也都發現CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化增加，CaMKⅡ的活性提高。另外，還有一些神經精神疾病伴隨著CaMKⅡ功能的降低。例如，在創傷后應激障礙模型動物和雙相情感障礙病人中，都檢測到CaMKⅡ的表達降低。

4 總結與展望

盡管CaMKⅡ在海馬腦區突觸可塑性和學習記憶中的重要作用已經被人們熟知，但是由于腦區不同，其表達水平、亞型構成以及功能也不相同，CaMKⅡ在其他腦區的突觸可塑性和學習記憶中的作用尚未被完全揭示。此外，雖然在許多神經精神疾病中檢測到CaMKⅡ的活性異常，但是其中的因果關系，以及CaMKⅡ在病因中的具體作用機制仍不清楚。因此，對CaMKⅡ的研究仍有很長的路要走。揭示CaMKⅡ在調節突觸功能以及神經精神疾病中的作用及分子機制，是我們探究大腦功能和研究疾病分子基礎的核心焦點。