PirB通過突觸可塑性介導學習記憶的調控作用

魯秀敏，黃 華，馮 爽，陳興棟，王海燕，王永堂

(1.重慶理工大學 藥學與生物工程學院， 重慶 400054；2.陸軍軍醫大學 大坪醫院 創傷燒傷與復合傷國家重點實驗室， 重慶 400042)

0 引言

髓鞘相關抑制因子(myelin-associated inhibitors，MAIs) 在中樞微環境中對軸突再生和突觸可塑性具有抑制作用，通過其受體介導的抑制信號導致哺乳動物中樞神經系統(central nervous system，CNS)受損后難以恢復。Nogo受體(Nogo-66 receptor，NgR)是最早被發現的MAIs受體，與MAIs結合后向下游通路傳導抑制信號，然而敲除NgR，并不能有效促進神經突起的生長[1]。隨后，人們在免疫系統中發現了成對免疫球蛋白樣受體B(paired immunoglobulin-like receptor B，PirB)。作為主要組織相容性復合體I(class I major histocompatibility complex，MHCI)的受體，它參與了多種免疫調節反應。與此同時，PirB被發現可在中樞神經中表達，并證實是MAIs的另一個共同受體[2]。此后，大量研究表明，下調PirB的表達不僅可有效促進體外或體內神經突起的生長，還可增強突觸可塑性[2-5]，在CNS受損后促進其功能的恢復。突觸可塑性是指突觸為維持其相對穩定隨外部環境改變而發生適應性變化的特性，與學習記憶緊密相關。因此，研究PirB的結構、功能及作用機制對CNS損傷后的康復及相關認知與精神障礙類疾病的防治具有重要意義。

1 PirB的配體

PirB早期發現其可作為MHCI受體在免疫系統中發揮重要作用。最近研究發現除免疫系統外，PirB在中樞神經系統中還可作為MAIs及MHCI的受體，參與中樞神經損傷后神經再生的抑制效應及突觸可塑性調節。因此，PirB的配體有MAIs及MHCI，均通過PirB在免疫系統和中樞神經系統發揮重要的生物學功能。

1.1 MAIs

影響成年哺乳動物CNS損傷后恢復的MAIs包括Nogo、髓鞘相關糖蛋白(myelin-associated glycoprotein，MAG)和少突細胞髓鞘糖蛋白(oligodendrocyte myelin glycoprotein，OMgp)。Nogo是一種形成內質網小管的膜蛋白，主要由包括Nogo-66和Δ20的胞外抑制性結構域組成，參與神經內分泌或神經內分泌細胞的膜轉運。Nogo通過不同的剪接方式形成A、B和C 3種亞型，其中Nogo-A在CNS的少突膠質細胞和神經元中表達，對CNS損傷后軸突再生具有抑制作用[6-7]，抗體中和Nogo-A能促進小腦顆粒神經元的軸突生長和存活[7]。Nogo-A的下調也能增強神經元突觸可塑性，提高小鼠的空間學習能力[8]。MAG是一種膜性糖蛋白，由外周神經系統(peripheral nervous system，PNS)的雪旺細胞和CNS的少突膠質細胞產生[9-10]，選擇性地在軸突表面附近的髓鞘中表達，阻斷MAG對軸突生長的抑制作用[11]，并能治療多發性神經疾病[12]。OMgp是由CNS中神經元和少突膠質細胞表達的一種糖基磷脂酰肌醇錨定蛋白，對CNS的軸突再生具有抑制作用[10]。體內與體外實驗證實，3種MAIs均可通過其受體NgR或PirB抑制軸突再生或突觸可塑性[5,11,13-16]，中和MAIs的治療方法能在一定程度上修復中樞神經系統的損傷[17]。綜上所述，MAIs及其受體可能是治療CNS損傷后的重要靶點。

1.2 MHCI

主要組織相容性復合體(major histocompatibility complex，MHC)是一組編碼動物主要組織相容性抗原的基因群的統稱。MHC又被稱為人源白細胞抗原(human leukocyte antigen，HLA)或鼠源H-2，分別位于人的6號染色體短臂上或小鼠的17號染色體上。根據基因的位置和功能，MHC分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類，其中MHCI位于一般細胞表面上，在免疫應答過程中參與抗原識別。經典的MHCI是一種三聚體蛋白，由無膜重鏈、與重鏈凹槽結合的肽和β2微球蛋白(β2-microglobulin，β2m)輕鏈組成[18]。盡管MHCI分子在調節機體免疫中的作用已廣為人知，但近幾年發現其在CNS中同樣發揮重要作用[19-20]。在小鼠中，MHCI表達于小膠質細胞和神經元，其組分H2-K1、H2-D1和β2m及其受體PirB在海馬體、小腦、腦干和視網膜的表達譜明顯不同，且雌性小鼠在CNS的表達程度要高于雄性小鼠[21]。在星形膠質細胞中，MHCI過表達可影響小膠質細胞的增殖、神經元數量和樹突棘密度，從而導致小鼠的認知和學習障礙[22-23]。在神經元中，MHCI聚集在特定部位，與肌動蛋白的細胞骨架重疊，參與到發育中的海馬神經元的形成過程[24]，且在培養的神經元中敲除MHCI會增加樹突總長度和樹突棘數量，重新誘導MHCI的表達則可消除這些影響[25]。此外，家族性肌萎縮側索硬化癥小鼠的軸突結構和功能也與MHCI緊密相關[26-27]。因此，MHCI不僅參與免疫調節，還可通過PirB影響突觸的形成和功能。

2 PirB的分子結構及生物學功能

PirB及其人源白細胞免疫球蛋白樣受體B3(leukocyte immunoglobulin-like receptor B3，LILRB3)是在免疫系統及神經系統廣泛表達的抑制性受體，在小鼠中，PirB基因位于7號染色體上，分子量約為130 kDa[28]。PirB蛋白是一種I型跨膜糖蛋白，除了細胞膜上，還包括細胞膜外的6種免疫球蛋白樣結構域(D1-D6)，跨膜區的疏水片段和細胞內的4種含有免疫受體酪氨酸抑制基序(immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motif，ITIM)樣結構的多肽(圖1)。為明確PirB與其配體相互作用的結構信息，Vlieg等[28]報道了PirB的6個Ig樣胞外結構域呈銳角排列，與白細胞免疫球蛋白樣受體和殺傷細胞免疫球蛋白樣受體有相似的結構，可能也存在相似的功能。

圖1 PirB的分子結構

PirB生物學功能廣泛，具有調節免疫應答、調控造血系統及通過神經再生抑制效應調節突觸可塑性等多種生物學功能。在免疫系統中，PirB主要分布在B細胞、巨噬細胞和樹突細胞中，具有抑制免疫排斥、調節巨噬細胞吞噬、抗炎等生物學功能，進而維持免疫應答及內環境的平衡[29-30]。PirB在造血系統可表達于不同類型的造血細胞，參與下調造血細胞的激活和分化，還可通過與分泌的血管生成素樣蛋白相互作用，下調血小板的激活，發揮抗血栓的作用[31]。此外，近年來PirB在神經系統研究廣泛，主要表達于大腦皮層、海馬及嗅球等腦組織中[16,32-33]。在缺血性腦卒中、創傷性腦損傷和脊髓損傷等多種神經損傷性疾病中，PirB蛋白水平顯著上調，可負向調控海馬和損傷區域神經元的存活與軸突再生[16,34-36]；同時，細胞實驗也證實PirB過表達會加速早期神經細胞的凋亡[37]。因此，PirB的過表達對CNS損傷后突觸可塑性的調節與自我修復是不利的，如果阻斷PirB的表達則可以促進軸突再生，對神經元的可塑性和存活率有改善作用，有利于相關的神經功能恢復[2,4-5]。可見，PirB在不同疾病模型中的差異性表達提示其在CNS損傷及修復過程中可能發揮重要作用。

3 PirB通過突觸可塑性介導學習記憶的調控作用

PirB作為MAIs及MHCI的共同受體，不僅參與中樞神經損傷后神經再生的抑制效應，還可通過調節突觸可塑性，介導學習記憶功能的調控過程。

3.1 PirB與突觸可塑性

突觸可塑性是指突觸為維持其相對穩定隨外部環境改變而發生適應性變化的特性。突觸可塑性與前折疊蛋白、淀粉樣前體蛋白、生長相關蛋白、突觸素、突觸后致密蛋白、微管蛋白和微管結合蛋白的結構與功能密切相關[38-39]，此外，PirB通過MAIs及MHCI信號通路也可介導突觸可塑性的改變過程。

研究發現，CNS損傷后，PirB表達顯著上調，并通過與Nogo-A的相互作用有效抑制視覺、感覺運動皮質和海馬的可塑性[3,40]。PirB不僅介導阿爾茨海默病模型小鼠幼年時視覺皮層突觸可塑性的喪失[41]，而且能自主特異性調節視覺皮層2或3層錐體細胞的突觸密度[42]。阻斷PirB能夠促進新突觸的形成，改變突觸后蛋白水平，從而改善結構可塑性，恢復突觸棘密度和單眼剝奪后的視力，促進視覺皮質可塑性和弱視康復[3]。

PirB蛋白在海馬神經元CA1和齒狀回(dentate gyrus,DG)中的表達均隨著年齡的增加而升高[43]。在中腦動脈栓塞和坐骨神經損傷模型中，損傷區域PirB蛋白表達上調[37,44]。然而，敲除PirB，則可顯著減輕海馬神經元受損，減小腦梗死體積，促進皮質脊髓束重塑和神經功能的恢復[44]。同時，PirB作為MHCI的受體，可通過介導MHCI信號的傳導影響海馬不對稱性的形成[45]。內源性MHCI還通過抑制N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)功能，并控制NMDAR誘導的α-氨基羥甲基噁唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole- 4-propionate，AMPA)受體的下游轉運，從而影響突觸可塑性[46-47]。此外，阻斷PirB分子信號通路或敲除神經元中MHCI基因還可能通過降低LIMK和cofilin的磷酸化，從而增加樹突的總長度和突起的數目[25]。上述研究表明，CNS損傷后，PirB及MHCI的存在可以抑制其突觸可塑性。

3.2 PirB通過突觸可塑性調節學習記憶

眾所周知，突觸可塑性是學習記憶的基礎。在阿爾茲海默癥轉基因小鼠模型中，可溶性β-淀粉樣蛋白寡聚物通過PirB對海馬的長時程增強產生不利影響，PirB也介導了幼年小鼠視覺皮層突觸可塑性的喪失和成年小鼠的記憶缺陷[42]。研究發現，脂多糖誘導了海馬和皮質中星形膠質細胞的活化，并上調PirB的表達，降低突觸素蛋白水平，減少海馬區樹突長度及樹突棘密度，從而抑制學習記憶功能[35]。而在神經元中敲除PirB后，其樹突棘密度顯著升高，且微小興奮性突觸后電流頻率也增加，表明它們接收了更多的突觸信號輸入[42]。阻斷PirB后，腦卒中模型小鼠的梗死灶面積減小，運動皮質的脊髓投射增強，運動功能恢復明顯[44,48]，且PirB敲除小鼠的學習和記憶能力也明顯優于野生型小鼠[32]。另有研究表明，轉錄激活子-PirB胞外肽融合蛋白(transactivator of transcription-PirB extracellular peptide，TAT-PEP)可以促進雙側頸總動脈閉塞小鼠早期腦缺血區域神經元的存活，改善空間學習和空間記憶能力，使小鼠神經功能在缺血后期有所恢復[4,49]。由此可見，PirB蛋白水平在CNS損傷后表達上調，通過抑制CNS突觸可塑性，從而使空間學習和記憶功能受損，而阻斷PirB信號的傳遞則有一定的改善作用。此外，研究還發現MHCI作為PirB的配體在大腦發育過程中與突觸可塑性密切相關[27]。體外下調神經元表面MHCI可提高谷氨酸能和γ-氨基丁酸能突觸密度[50]，而過度表達MHCI則產生相反的變化趨勢。在體內，β2m缺陷小鼠的整個發育過程表現出相對較高的突觸密度，而且，MHCI還負向調節興奮性突觸的強度，參與維持皮層神經元興奮和抑制效應的平衡過程[51]。因此，推測PirB可能也參與了MHCI的突觸可塑性調節過程，隨后得到進一步證實[25]。

3.3 PirB調節學習記憶的信號機制

上述研究表明MAIs/MHCI通過PirB介導突觸可塑性參與了學習記憶的調節。但PirB與Nogo結合的親和力高于MHCI，MHCI與PirB的結合只發生在其N端結構域上，而Nogo與PirB的結合發生在其N端或C端的胞外域上。更重要的是，動力學測試結果表明：Nogo和MHCI是競爭性地與PirB結合[52]。盡管MHCI/PirB信號通路尚不明確，但有關PirB介導的MAIs信號通路比較清楚(圖2)。MAIs通過分別與NgR1/p75NTR/Lingo1受體復合體及PirB結合介導神經元突觸可塑性的調節過程。NgR/PirB介導的MAIs調節CNS結構可塑性的機制是通過其下游RhoA-ROCK信號的改變來實現的。一方面，NgR1活化的RhoA-ROCK信號通過改變RhoA蛋白的磷酸化水平來調控坍塌反應介質蛋白-2(collapsing response mediator protein-2,CRMP-2)和肌球蛋白輕鏈2(myosin light chain 2,MLC2)的活性，進而抑制微管組裝和肌動球蛋白的收縮，調節海馬突觸結構和形態，同時又可通過活化LIMK及Cofilin，最終導致肌動蛋白分解。另一方面，SHP-1/2是非受體型蛋白酪氨酸磷酸酶，其活性依賴于與突觸緊密相關的NMDAR，也是AMPA受體活性所必需的成分。MAIs通過與PirB結合，導致后者細胞質中的免疫受體酪氨酸抑制基序(immunoreceptor tyrosine-based inhibitory motifs,ITIMs)磷酸化，磷酸化的ITIMs能夠募集SHP-1/2。其中一條路徑作用于支架蛋白POSH，經過LZK/MKK/JNK[53]級聯反應作用于肌球蛋白IIA(Myosin IIA)；另一條路徑作用于Shroom3，經過ROCK/LIMK級聯反應作用于纖連蛋白Cofilin，最終2條路徑都能導致肌動蛋白解聚，破壞突觸的穩定性，影響突觸可塑性而降低學習和記憶的能力。因此，NgR1和PirB介導的MAIs信號既獨立又相互交匯，在突觸的調節過程中發揮重要作用，二者通過突觸可塑性共同參與學習記憶的調節。盡管MHCI/PirB信號通路尚不明確，但最近有研究表明，MHCI/PirB介導的突觸可塑性調節過程可能也是通過活化LIMK及Cofilin實現的[25]，然而相關中間的介導分子目前尚不清楚，需要進行深入的探討。

圖2 PirB介導突觸可塑性調控學習記憶的信號通路

4 結論

PirB作為MAIs及MHCI的受體，可通過抑制CNS的可塑性，削弱學習和記憶的能力。以PirB為靶點，通過基因敲除、抗體中和及選擇性阻斷劑等方法，促進突觸可塑性，有效提高學習記憶能力。因此，明確PirB通過突觸可塑性調節學習記憶的機制，為神經損傷及神經退行性疾病引起的認知及精神障礙的預防與治療提供了新思路。但由于MHCI/PirB信號機制尚不明確，且MAIs相關信號通路涉及的受體及下游信號分子較為復雜，除PirB外，還需結合其他受體，如NgR、p75NTR等，多靶點治療，才有助于突觸可塑性相關認知與學習記憶障礙性疾病的治療。