GluRs 介導的神經突觸內級聯反應對視神經元可塑性調節機制的研究進展

闞麗麗, 劉安國, 孫 燕, 王 覺, 馬重兵, 嚴興科

（1. 甘肅省中醫院痹病科，甘肅 蘭州 730050；2. 甘肅中醫藥大學針灸推拿學院，甘肅 蘭州 730000）

谷氨酸（glutamate，Glu）是中樞神經系統中常見的神經遞質，在大腦中分布廣泛，借助于不同亞型谷氨酸受體（glutamate receptor，GluRs） 的激活參與許多重要的神經生理功能，如調控神經興奮性傳導，參與感覺傳導和藥物成癮等生物學過程［1］。在視功能傳導方面，Glu 已被證實是視網膜到外側膝狀體再到視皮層投射軸突末梢主要的興奮性神經遞質，與視覺通路的興奮性傳導和視功能的正常發揮有密切關聯［2］。研究［3］表明：在形覺剝奪性弱視、斜視性弱視、視網膜病變和青光眼等眼科疾病的發病過程中，不同亞型GluRs 廣泛參與了視神經元的存活、發育、分化、成熟和視神經信號突觸傳遞效率的改變，包括長時程增強（longterm potentiation，LTP） 和 長 時 程 抑 制（longterm depression，LTD） 的 過 程。由 此 可 見，GluRs 激活后介導的神經突觸內級聯反應過程增強，可能在視神經突觸結構和功能重塑環節中發揮著至關重要的作用［4］。但是，當前圍繞GluRs 如何介導視神經傳遞效率的改變和視功能重塑的具體分子機制尚未完全闡明。現結合近年來國內外相關研究進展，從大腦視覺中樞神經元突觸膜上不同亞型GluRs 入手，重點闡述了視覺剝奪后視皮層神經突觸內基于GluRs 激活后介導的可塑性調節級聯反應機制。

1 基于LTP 和LTD 現象的視功能重塑改變

視覺是一種神經電傳遞活動，借助于足量的神經遞質，如兒茶酚胺（catecholamine，CA）、γ-氨基丁酸（aminobutyric acid ，GABA）、Glu 和多巴胺（dopamine，DA）等來實現的。視功能在視覺發育關鍵期內具有明顯的可塑性，表現為短期的突觸可塑性變化和長期的突觸可塑性變化［5］。其中，短期突觸可塑性主要指突觸傳遞一過性的易化和抑制效應，而長期突觸的可塑性變化表現為LTP 和LTD 過程。在視功能重塑方面，視神經元突觸結構和功能的改變，決定了增強或者減弱雙眼活動區域及視覺信號傳遞效率的變化。健側眼增強了視皮層的反應活動（突觸連接在接受一定量信號刺激后的傳遞效能增強）稱為LTP 現象；而剝奪眼降低了視皮層的反應活動性（突觸連接在未接受刺激的神經信號通路上誘發的持續性電位減弱現象）稱為LTD 現象［6］。研究［7］表明：在視覺可塑性關鍵期內進行有效的干預治療，可引起視神經突觸后膜對應的不同亞型的GluRs 被激活，開放特定類型的離子通道，引起細胞內離子濃度變化和一系列的小分子及蛋白的轉錄、表達和合成，從而誘發LTP 和LTD 現象的產生。

近年來研究［3］顯示：LTP 的誘導機制可能與Glu 激活突觸后膜上不同亞型GluRs 后介導的神經突觸內級聯反應過程密切關聯。Glu 與突觸后膜N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid，NMDA） 受體結合后，導致離子通道改變，先引起大量Ca2+內流，使細胞內Ca2+濃度增大，繼而引發細胞內一系列的級聯反應，從而產生LTP 現象；而LTD 的產生可能與抑制性GluRs 的激活后引起細胞內Ca2+濃度降低和突觸mRNA 異常表達有密切聯系。因此，在突觸膜上不同亞型GluRs 層面揭示視功能可塑性變化的LTP 與LTD 機制，將為弱視中樞發病機制研究提供重要的參考依據。

2 離子型GluRs（ionotropic GLuRs，iGluRs）介導的視功能重塑機制

GluRs 主要分為iGluRs 和代謝型GluRs（metabotropic GluRs，mGluRs）2 大類。iGluRs 分為NMDA 受體和非NMDA 受體，而mGluRs 又包括mGluR1～mGluR8共8 種亞型。其中，NMDA 受體是iGluRs 中最常見、最主要的一種亞型，現已知其至少存在7 個亞單位，即1 個NR1 亞型、4 個NR2 亞型（NR2A、NR2B、NR2C 和NR2D） 和2 個NR3 亞型（NR3A 和NR3B）［8］。

2.1 NMDA 受體對視皮層功能發育的調控首先，視功能優勢柱的改變和視覺剝奪損傷對視皮層NMDA 受體的組成和生物學功能具有雙向的調節作用。PHILPOT 等［9］研究發現：在幼齡貓視皮層2/3 神經元軸突上的NMDA 受體數量與視功能改變是相互依賴的，不良的視覺刺激可以減少NR2B 的受體比例，縮短NMDA 受體介導的突觸內神經電活動持續時間，而視覺剝奪性損害則發揮相反的NMDA 受體調控效應。NMDA 受體比例的增減和視覺環境刺激的相互依賴共同調節著視皮層組織特定區域的功能發育。另外，DOTIGNY 等［10］研究發現：膽堿能途徑的神經信號轉導也與NMDA 受體的分布類型具有協同作用，其共同表達與激活是視皮質發生可塑性改變的首要條件。

不同的NDMA 受體亞型，可能在視神經元可塑性調節機制中的作用不盡相同。LALO 等［11］研究發現：NR1 受體特異性地分布于正常視神經元細胞膜、軸突及樹突棘不對稱的突觸后膜致密物質（postsynaptic desities，PSDs）上。李辰宇等［12］對幼齡貓的視皮層研究發現：NMDA 受體中的5 種亞型mRNA 在不同視功能層均不同程度地表達。NR1 在所有視皮層的表達水平最高，NR2A 在Ⅲ層和Ⅳ層表達較高，NR2D 在Ⅴ層和Ⅵ層處于中等表達水平，而NR2B 和BR2C 在視覺中樞表達較弱。由此可見，NR1 是NMDA 受體的主要功能部分，在大腦皮層廣泛分布，可能與神經元的發育過程密切相關，而突觸后膜上的NR1 受體分布也與視覺發育有密切關聯。NAGAYACH 等［13］研究發現：N-R1 受體與神經發育的先后順序和神經發育的時間調節有密切關系，表現為相關基因的表達調節誘發視神經早熟或神經發育加速現象。陰正勤等［14］研究表明：NMDA 受體介導的突觸內級聯反應過程參與了視皮層第Ⅳ層外側膝狀體至視皮層的視覺信號輸入調控，NMDA 受體神經元比非NMDA 受體神經元對外側膝狀體的信號傳導抑制更敏感。

2.2 NMDA 受體誘發LTP 的產生NMDA 受體激活后誘發LTP 產生的可能性機制：一定強度和頻率的電刺激，可使Glu 能突觸的后膜去極化，移開阻止Ca2+內流的Mg2+，使NMDA 受體復合通道的Ca2+通道開放；以離子通道閘門控制Na+和K+的流動，導致突觸膜兩側Na+和K+的通透性增加。當Ca2+大量進入細胞內時，可作為第二信使繼續激活相關依賴Ca2+的蛋白激酶（protein kinase，PK）類，進而產生細胞內可塑性變化的生物學效應，最終改變突觸后膜性質，建立了突觸傳遞的LTP 過程［15］。在強刺激電流之前30 min 內應用NMDA 的拮抗劑2-氨基-5-磷羥基戊酸（APV）或NMDA 受體的拮抗劑氯胺酮，可阻斷興奮性突觸后電位（excitatory postsynaptic current，EPSC） 的 產生［16］，并且可以阻斷單側形覺剝奪動物非剝奪眼優勢的形成，使視皮層的可塑性降低［17］。由此推斷，NMDA 和不同亞型的NMDA 受體可能參與了視神經元突觸可塑性調節過程，NMDA 受體主要介導了神經突觸EPSC 的產生，而氯胺酮能夠干擾視皮層神經信號在突觸的傳遞效率。

以往的研究證實了視皮層高頻電刺激誘發的LTP 現象必須依賴于NMDA 受體。但是近年來又有研究［18］表明：大鼠視覺發育關鍵期內視覺中樞Ⅳ層水平聯系突觸中存在不被APV 阻斷的LTP 現象產生。同時，LAH 等［19］研究也證實：大鼠視皮層Ⅴ層抑制性突觸的LTP 不能被APV 阻斷，但可以被GABAB 受體拮抗劑阻斷。產生這種現象的原因可能與突觸后神經元內源性儲存Ca2+釋放有關。NMDA 受體激活只是產生LTP 過程的中間環節，必須進一步引起突觸內Ca2+濃度的增加及細胞內一系列的級聯反應機制才可以誘發LTP 產生。

非NMDA 型受體主要是以α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸（alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazopropionic acid，AMPA）為代表。相關研究［20-21］證實：分布有AMPA 受體的神經突觸通路的激活也是構成LTP 的重要機制。AMPA 受體生物學功能主要是介導興奮性神經遞質的傳遞過程，其不同亞單位的表達激活可決定突觸膜對不同離子的選擇性通透。含有GluR2亞單位的受體決定了對Na+和K+的單向通透，而不含有GluR2亞單位的受體則對Ca2+選擇性通透［22］。因此，突觸膜上不同類型GluRs 受體的分布比例也參與調節了細胞內不同離子流水平的改變。另外，不同亞型AMPA 受體的激活，可增加突觸后膜對Glu 的反應性，配合NMDA 受體的激活，共同介導跨膜的離子流和小分子蛋白的磷酸化，從而誘發LTP 的產生［23］。

3 mGluRs 介導的視功能重塑機制

近年來研究［24］顯示：LTP 過程的產生不單純依賴于突觸膜上iGluRs 的激活，而不同亞型mGluRs 激活也可以間接誘發LTP 現象的產生。mGluRs 根據氨基酸序列的同源性和細胞內介導不同的信號通路又分為Ⅰ～Ⅲ組。Ⅰ組mGluRs 通過直接或間接影響NMDA 和AMPA 受體的表達，參與神經元突觸的可塑性變化機制［24］。研究［25］顯示：給予Ⅰ組mGluRs 的激動劑3，5-二羥基苯甘氨酸（DHPG） 可以誘導出海馬神經元內基于AMPA 受體介導的LTP 過程，而給予mGluR1的阻斷劑LY367385 則可以阻斷上述LTP 的產生。在海馬CA1 和CA3 區，mGluR5-PKC 通路的激活可誘發NMDA 受體介導的LTP 過程，其產生原因可能是mGluR5激活引起的細胞內Ca2+濃度升高進而產生海馬部位的EPSC［26］。另外，對大腦皮質、紋狀體部位的研究［24］顯示：LTP 的形成還依賴蛋白激酶A （protein kinase A，PKA） 和 磷 脂 酶A2（phospholipase A2，PLA2） 的調節作用。因此，Ⅰ組mGluRs 可能通過對LTP 的間接調節作用影響了神經系統信號傳遞效率的改變。

mGluRs 被Glu 激活后，可通過與G 蛋白偶聯進而激活突觸內的第二信使，導致膜兩側Na+和K+的通透性增高，膜電位去極化，從而產生EPSP。大多數情況下，mGluRs 受體介導的EPSP產生迅速，消失也迅速，因此又稱為快突觸效應［27-28］。其中，Ⅰ組mGluRs 被激活后，可刺激磷脂酶C（phospholipase C，PLC），產生甘油二酯（diester glycerin，DAG） 和1，4，5-三磷酸肌醇（inositol-1，4，5-triphosphosate，IP3）。上述2 種物質可以發揮細胞內第二信使的作用，前者激活PKC，后者水解后引起Ca2+的細胞內流動，引起神經元興奮性效應和突觸前增強效應［29］。而Ⅱ和Ⅲ組mGluRs 激活后介導突觸前抑制效應，mGluR2激活后可抑制G 蛋白偶聯機制，刺激環磷酸腺苷（Cyclic adenosine monophosphate，cAMP） 合 成，而mGluR3激活后作用與mGluR2相反，可抑制cAMP 合成。由此可見，mGluR2/3都可以發揮對Glu 釋放的負反饋調節作用而誘發LTD 現象的產生［30-31］。

Ⅰ組mGluRs 分別從轉錄和翻譯水平參與了特定基因的調控，引起神經突觸的可塑性改變，誘發LTP 和LTD 現象的產生。其中轉錄水平上的信號通路主要有PKA-cAMP 通路和鈣調蛋白依賴性蛋白 激 酶 （calmodulin-dependent protein kinases，CaMKs） 通路等；相關的轉錄因子有環磷腺苷效應元件結合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）、核因子-κB （nuclear factor-κB，NF-κB）等；靶分子有脆性X 智障蛋白（fragile X mental retardation protein，FMRP）和活性調節細胞骨架相關蛋白（activity-regulated cytoskeletonassociated protein，Arc）等。

3.1 對Ca2+下游信號分子活動的增強Ⅰ組mGluRs 被激活后，可通過多條途徑使Ca2+釋放增多，進而啟動一系列突觸內級聯反應過程，增強視傳導通路的傳遞效率。主要包括：①通過與Gq 蛋白偶聯，活化PLC 轉化為DAG 和IP3，進一步激活PKC 而發揮細胞內的調節作用［32］。一方面，NMDA 受體在PKC 的催化下使其亞基磷酸化，增強其介導的細胞內Ca2+內流，使得Ca2+濃度增高，使上述通路反應進一步增強；另一方面，PKC 的激活又可以降低mGluR5引起的細胞內Ca2+釋放，降低Ca2+濃度。因此，上述兩條路徑起到相互拮抗的作用，確保Ca2+在細胞中的濃度平衡。②激活突觸膜上L 型Ca2+通道，抑制細胞膜對K+的通透性，促使Ca2+的內流，促進細胞內級聯反應過程的增強［33］。③促進突觸后遞質-受體的結合，上調NMDA 受體表達水平，促進神經遞質釋放。④高濃度的Ca2+可以激活對其敏感的Ras 鳥嘌呤核苷酸釋放因子、 鈣調蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ）和磷脂酰肌醇3 激酶（phosphatidylinosilol 3-kinase，PI3K）。 同時還參與介導細胞外信號調節酶（extracellular-signal regulated protein kinase，ERK）的磷酸化，進而激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protain kinase，MAPK）信號通路，進一步引起細胞內級聯反應過程的增強［32］。

3.2 對PKA-cAMP 和CaMKs 通路的激活在包括視皮層在內的多數大腦皮層區域，給予Ⅰ組mGluRs 的激動劑DHPG 可觀察到cAMP 水平升高，即Ⅰ組mGluRs 能夠刺激細胞內cAMP 的合成。cAMP 是細胞內重要的小分子信使，由腺苷酸環 化 酶（adenylate cyclase，AC） 催 化ATP 而 形成，并且對細胞內Ca2+的釋放與流動發揮重要的作用，還可以通過調控PKA 來增強神經元的興奮性活動［34］。同時，PKA 也對AMPA 受體的磷酸化起重要作用，引起AMPA 受體介導的LTP 反應增強［35］。

CaMKⅣ是Ca2+信號通路的主要作用分子，也是重要的轉錄激活因子，在細胞質和細胞核內均有表達。大量研究［36-37］證實：Ⅰ組mGluRs 的激活可提高CaMKⅣ和CaMKⅡ的磷酸化水平，進而引起大腦紋狀體、海馬CA1 區域Ca2+的內流與細胞內Ca 庫對Ca2+的釋放，進一步誘發Ca2+下游信號分子活動的增強。

3.3 對特定基因轉錄的增強研究［38］證實：Ⅰ組mGluRs 激活后，可以促進CREB 和NF-κB 等轉錄因子的表達，而翻譯合成的小分子蛋白又可以作為細胞核內第三信使激活特定修飾基因的表達，并充當轉錄因子對基因的表達起到調控作用，最終使短時程的神經興奮轉變為長時程的神經興奮過程。研究［39］顯 示：Ⅰ組mGluRs 的 激 活，可 以 借 助CaMKⅣ、PKA 或mGluR5的通路使CREB 磷酸化，CREB 除了是重要的轉錄因子外，其磷酸化水平對視神經突觸的可塑性起著至關重要的調節作用。另外，在視覺中樞大腦皮層神經元中mGluR5的激活可介導p38-MAPK、 PKC 和PI3K 等通路活化NF-κB，使其在突觸可塑性與長時程記憶中發揮關鍵作用［40-41］。

3.4 促進Arc 靶基因的表達Arc 是一種即刻早期基因，其表達水平與突觸可塑性變化程度有密切關聯［42］。研究［43］顯示：在海馬區，給予mGluRs 的激動劑DHPG 后，可以使樹突上的Arc 蛋白表達水平升高，該調節作用與上述PLC、ERK1/2 和CaMKs 的級聯反應相互影響，共同在特定基因的轉錄和翻譯水平，產生依賴于mGluRs 的LTP現象。

4 小 結

不同亞型的GluRs 作為視覺中樞重要的神經遞質類受體，其表達激活狀態是啟動視神經突觸內抗視覺剝奪效應級聯反應機制的關鍵靶點，與視覺發育及其可塑性變化過程有密切關聯。以往對視功能可塑性變化的機制研究中，重點關注了Glu 和iGluRs 介導的視皮層功能發育和興奮性突觸后電位的調節機制方面。視功能重塑的調節機制不單純依賴于iGluRs 的激活，尤其是Ⅰ組mGluRs 激活后介導的細胞內級聯反應過程增強以及對LTP 的間接調控機制也發揮著至關重要的作用。因此，針對不同亞型的GluRs 介導的突觸內級聯反應機制的深入研究，將為揭示弱視的中樞發病機制研究和開發新的快速有效的靶點治療藥物提供重要的參考依據。