AMPA 受體在阿爾茲海默癥中的研究進展

王晨旭 綜述，于泳浩，謝克亮，王國林 審校

（天津醫科大學總醫院麻醉科，天津300052）

AMPA 受體（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors，AMPARs） 的合成、膜轉運、降解和翻譯后修飾等過程受到嚴格調控。AMPARs 最重要的功能包括支持突觸可塑性，與學習和記憶的亞細胞改變有關[1]，同時也參與了中樞神經系統老化的過程。但是AMPARs 在自然衰老和神經退行性疾病中是如何變化的，目前尚不清楚。隨著人口老齡化的進程，認知功能障礙性疾病的發病率也逐年上升，阿爾茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）等神經退行性疾病越來越多的受到人們關注。AD癡呆最早的生物學表現之一就是是突觸AMPARs的改變以及突觸可塑性的損傷。在分子水平上，AD的兩種標志性病理代謝產物為淀粉樣蛋白Aβ 和神經纖維τ 鏈形成的斑塊[2]。本綜述簡要概述了AMPARs 轉運模型，重點介紹了生理性衰老以及AD 過程中AMPARs 的變化。

1 AMPARs 在生理狀態下的轉運與調節

AMPARs 是由 4 個亞基(GluA1-GluA4)組合的兩個二聚體構成，其80%由GluA1/GluA2 和GluA2/GluA3 異質體組成。每個亞基都有一個可變的C 末端，這是AMPARs 轉運的一個關鍵因素。GluA1 亞基的 C 末端是鈣/鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ(calmodulin dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)的主要靶標，突觸后膜瞬時插入含GluA1 的AMPARs是誘導長時程增強（long-term potentiation，LTP）的重要步驟。GluA2 和GluA3 亞基的短C 末端則存在與PDZ 結構域相互作用的基序，介導AMPA 受體與幾個分子及鄰近突觸相互作用。

有假說提出，在LTP 期間缺乏GluA2 的AMPARs可能通過周圍其他突觸后膜轉移而來，迅速插入突觸。突觸和突觸外AMPARs 可以通過外吞補充，提供了足夠多的受體參與構成轉運。隨后，缺乏GluA2的AMPARs 可逐步被含有GluA2 的受體所取代，這些受體在基礎轉運和長時程抑制（long-term depression，LTD）期間更容易受到動態調節。然而，也有觀點提出AMPAR 亞基的組成并不是LTP 的決定性因素[3]。

磷酸化是AMPARs 轉運和功能的一個關鍵決定因素。一般而言，導致AMPARs 磷酸化的激酶活性與LTP 有關，而磷酸酶活性和去磷酸化則與LTD有關。CaMKⅡ和蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）的一個重要磷酸化靶點是GluA1 C 末端的絲氨酸831（S 831），在突觸可塑性和記憶保持過程中有潛在作用[3]。蛋白激酶 A（protein kinase A，PKA）使另一個 GluA1 殘基（S 845）磷酸化，使 LTP 期間 AMPARs 更容易到達突觸。

這些調控通路也可能相互匯合，進而影響AMPARs 磷酸化。在正常狀態下AMPARs 磷酸化水平較低，受到神經元活動的調控時[4]，AMPARs 磷酸化的改變要比轉運變化更為明顯。強調了磷酸化的重要作用，當然還有其他轉錄后修飾在控制AMPARs 轉運和功能方面也發揮了重要作用。其中，泛素化和磷酸化可能是神經退行性疾病的特點，可溶性淀粉樣-β斑塊（amyloid-β，Aβ）寡聚體增加了 AMPARs 泛素化[5]，并減少了GluA1 S 845 的磷酸化，同時使AMPARs細胞膜上的表達降低。

2 AMPARs 通路在生理性衰老中的變化

在深入研究AD 的病理改變之前，更重要的是探討正常衰老過程中AMPARs 介導分子通路的變化。目前，生理性衰老的機制研究僅限于對突觸可塑性的分析，即老年動物的LTP 較弱，需要更強的刺激誘導。人們懷疑老年人的AMPARs 總體功能低下，但尚不清楚這是突觸穩定性降低還是電導率降低的結果。也可能是由于AMPARs 減少或修飾受體增加而導致，因最近有研究表明，AMPARs 正變構調節劑的應用對恢復與年齡有關的記憶和突觸增強缺陷有著有益的作用[6]。

其中，關于AMPARs 的改變有兩種假設比較主流。一種理論認為，衰老改變了突觸前功能，減少了谷氨酸的釋放，影響AMPARs 與內源性激動劑的結合。第二種假設是修飾后的AMPARs 增加，使其在突觸上更不穩定。在這種情況下，AMPARs 興奮劑的應用可以暫時緩解其功能的喪失。并且改變AMPARs 的磷酸化和/或其亞基組成，可以引起不穩定性的增加和電導率的降低。Hara 等[7]的一項研究認為，AMPARs 亞基組成的改變可能與生理性認知能力下降有關，清除GluA2 的機制將很大程度影響衰老大腦中的突觸傳遞和可塑性。

3 AMPARs 在 AD 中的變化

3.1 Aβ 對 AMPARs 的影響

3.1.1 Aβ 在突觸可塑性中的作用 Aβ 通過改變突觸的形態和組成來誘導突觸畸變，從而導致樹突棘的大量喪失，阻斷AMPARs 的內吞作用可防止由Aβ 誘導的樹突棘的喪失。Aβ 導致的 AMPARs 突觸后膜移位與LTD 有相似的信號通路，同樣涉及到N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）的參與，但 Aβ 誘導的突觸抑制也參與了其他的信號轉導級聯反應[8]。

Aβ 能還改變CaMKⅡ的亞細胞分布，破壞突觸AMPARs，并阻礙突觸增強。可溶性Aβ 還可通過降低NMDARs 的細胞膜表達，從而影響LTP 過程。然而，表面NMDARs 的減少又可能具有保護作用，表明NMDARs 可能是Aβ 的突觸作用靶點。有實驗指出，Aβ 能激活含GluN2B 的NMDARs，從而導致神經元過度活化并阻斷LTP[9]。另有實驗表示，可溶性Aβ 低聚物可通過改變 NMDARs 和 AMPARs 的轉運和功能而導致突觸的功能障礙[10]。

3.1.2 Aβ 對AMPA 受體亞單位的作用 有觀點提出，Aβ 斑的存在不一定導致神經變性，可能是Aβ誘導的神經毒性需要激活額外的配體，迄今為止，研究最廣泛的配體是細胞朊病毒蛋白。其中有一種假設為Aβ 本身就是一種可以自我繁殖的朊蛋白，能夠誘發神經變性[11]。有研究用蛋白沉淀等實驗方法鑒定腦脊液中與Aβ 結合的內源性配體，目前已確定了大約100 個參與脂質代謝、內穩態和免疫應答的分子[12]，這表明Aβ 可能通過多種潛在的結合配體影響多種細胞功能。

同時，Aβ 低聚物也可以結合不同的AMPARs亞單位[13]。研究發現，Aβ 低聚物與GluA2 形成復合物，從而影響AMPARs 的轉運及表達。由于含Glu－A2 的AMPARs 主要在生理性老化期間受到影響，表明Aβ 可能通過天然存在的機制加重正在進行的突觸老化。Reiners 等[13]指出，GluA3 缺乏小鼠的海馬腦片LTP 在外源性Aβ 的作用下保持不變，而正常小鼠的LTP 則明顯降低。可能是Aβ 低聚物有利地結合含有GluA2/GluA3 的AMPARs，從而觸發這些受體從突觸表面的向細胞內移動。其結合的潛在靶點是 PICK1（protein interaction with C-kinase 1），這一過程中表面含GluA1 的AMPAR 基本保持不變，但是缺乏PICK1 的小鼠可以抵抗Aβ 誘導的上述作用[14]，表明突觸的損傷變化是PICK1 與GluA2/3 AMPAR 相互作用的結果。

3.1.3 AMPAR 亞基可能是治療AD 的新靶點 Aβ通過誘導GluA 2/3 的選擇性內吞作用，觸發突觸抑制，降低突觸穩定性。因此，降低含GluA 2/3 的AMPARs 可能減輕Aβ 的損傷。事實上，最近對與輕度認知障礙相關的基因表達譜的篩選發現，GluA3基因與神經變性呈負相關[15]。有人提出，含有GluA1的AMPARs 主要是在LTP 期間植入突觸的[16]，因此在LTP 過程中會產生GluA2/3 水平較低的突觸。然而，降低含GluA2/3 的AMPARs 而有提高GluA1 的表達可能會產生意想不到的不良反應。雖然在一般情況下，可溶性Aβ 促進突觸抑制，阻礙突觸增強，但在某些情況下，胞內Aβ 也能增加含GluA1 的AMPARs 表達，進而引起鈣依賴的興奮性毒性[17]。因此招募含有GluA1 的AMPARs 增強突觸強度，這一方法可能會產生一些不良反應。不過更為合理的假設是，保持智力活躍的生活方式可以防止Aβ 斑塊引發的一些分子改變，因為這些斑塊通常也出現在自然老化的大腦中[18]。

3.2 τ 神經纖維纏結（NFT）在AMPAR 通路中的作用

3.2.1 NFT 在突觸傳遞及可塑性中的作用 對寡聚體Aβ 在AMPARs 轉運過程中的作用研究較少，但是有大量證據表明，AMPARs 特別容易受到τ 蛋白病理的影響。有研究顯示，在體外培養接受突變τ蛋白處理的神經元以及τ 蛋白基因突變小鼠中均發現大量表面受體丟失，但也有少數研究報道指出突觸密度或形態沒有變化[19]。產生不同結果的原因可能為人類突變型和野生型異構體的不同，以及內源性τ 在體外和體內模型差異等。另外，NFT 在破壞神經元功能方面的效率可能不如可溶性τ 蛋白。因此，τ 蛋白的病理損傷和突觸毒性可能在很大程度上取決于聚集形式和游離形式之間的比例。然而，突觸超微結構的重組可能不會引起突觸密度的顯著重塑。最近的一項研究結果表明，雖然突觸密度保持不變，但GluN1 和GluA1 表達減少，二者均含有包括 PSD-95（postsynaptic density protein 95）在內的關鍵突觸蛋白[20]。這些發現表明，暴露在異常τ 蛋白中的突觸可能在超微結構水平上表現出微妙的變化，顯著影響突觸的功能。

τ 蛋白異常的模型中突觸強度發生了改變，突觸可塑性似乎是由于異常τ 的表達而中斷。在高頻刺激下，老年的τ 轉基因小鼠海馬CA1 區LTP 的基礎突觸傳遞受到干擾，表明τ 蛋白依賴的分子信號能夠干擾AMPARs 的轉運和突觸可塑性。有趣的是，重組人τ 寡聚體被證明可以阻止LTP，并導致記憶障礙[21]，或是是增強LTD，而這一過程是獨立于Aβ 存在的。這一差異的產生可能是由于二者采用的轉基因模型不同。盡管存在差異，越來越多的證據均表明τ 蛋白依賴的信號轉導在調節突觸結構和功能中起著至關重要的作用。

3.2.2 NFT 介導的神經毒性 τ 蛋白不僅可以定位于軸突微管，也可以少量定位于突觸后膜。并且，樹突棘中如果積累了過度磷酸化的τ，就可以與一些關鍵信號分子一起調節AMPARs 的轉運。τ 蛋白的錯誤定位引起的突觸損傷可獨立于神經變性而發生，這表明τ 可能在明顯的認知缺陷出現之前就導致了突觸功能障礙。除了中斷AMPARs 的轉運之外，τ 蛋白還會對關鍵的信號通路產生破壞性影響。

雖然磷酸化的τ 蛋白通常被認為有潛在的神經毒性，但最近的證據表明，磷酸化τ 在維持正常突觸傳遞和可塑性方面起著至關重要的作用。生化和電生理的分析結果表明，海馬LTD 的形成需要τ蛋白絲氨酸396 位點特異性磷酸化[22]。此外，Ittner等[23]最近的一份報告顯示，在AD 動物模型中，早期的τ 蛋白磷酸化起到了積極作用。特別是，在蘇氨酸205 位點上模仿τ 蛋白磷酸化可以減輕Aβ 誘導的神經元死亡，并在疾病的早期階段提供保護。此外，τ 蛋白介導的AMPARs 變化機制在AD 早期可能被作為潛在的代償機制，提示在神經退行性變的初始階段激活τ 蛋白磷酸化可能是有益的。

除磷酸化外，τ 蛋白乙酰化在病理老化過程中也有重要作用，因為τ 賴氨酸K 274 和K 281 的異常乙酰化與AD 中的癡呆有關[24-25]。含有賴氨酸-谷氨酰胺突變的轉基因小鼠可以表現出與AD 相關的記憶缺陷和海馬LTP 受損。同時，增強τ 乙酰化能破壞海馬突觸可塑性，減少突觸后腎臟腦蛋白（recombinant kidney and brain protein，KIBRA）表達，并與癡呆AD 患者KIBRA 的表達減少有關。綜上所述，阻止τ 蛋白乙酰化可能對AD 認知功能下降有治療作用。

AMPAR 的動態調控是支持突觸傳遞和可塑性的關鍵因素。因此，在自然衰老和病理老化過程中，AMPAR 失調是突觸衰變的基礎。近幾年來，在AD這類神經退行性疾病的研究中，NFT 和Aβ 干擾谷氨酸受體及其下游通路的機制取得了很大進展，不僅影響了AMPAR 的構成及轉運，也影響了突出可塑性，因此AMPAR 可能會成為AD 的一個治療靶點。其中有多項研究表明，選擇性調節含GluA2/3 的AMPARs 可能影響自然衰老和病理衰老的過程。其中，GluA2 亞基對AMPAR 的轉運和鈣通透性有著深遠的影響，不含GluA2 的AMPAR 鈣內流增加，可導致神經元的興奮性毒性。并且在病理條件下，含有GluA2/3 的AMPARs 常出現異常，也提示其調控的分子機制可能是神經退行性疾病新療法的基礎。所以，更好地理解AMPAR 轉運涉及的分子基礎，將是發現治療認知功能障礙疾病至關重要的步驟。