突觸后致密區與突觸可塑性

馮 波 胡 鵬 王 蓉

(1.首都醫科大學宣武醫院中心實驗室,神經變性病教育部重點實驗室;2.濱州醫學院附屬醫院神經內科; 3.濱州醫學院附屬醫院骨科)

突觸是神經元之間的連接部位,生物信號從突觸前膜經突觸傳遞到突觸后膜。突觸的數量和功效發生改變可引起突觸可塑性的改變[1]。神經遞質擴散通過突觸間隙,進而和突觸的相應受體結合。廣義的突觸可塑性包括突觸傳遞可塑性、突觸發育可塑性和突觸形態的可塑性,其主要表現形式——長時程增強(long term potentiation,LTP)和長時程抑制現象已被公認為是某些學習記憶活動的細胞水平的生物學基礎。神經遞質受體的一個重要功能是引起在突觸后神經元產生放大效應的電信號[2],突觸前和突觸后積聚了許多參與突觸可塑性調節的信號分子,這些分子在突觸部位有機的組合對于有效的神經傳遞是非常必要的,突觸傳遞也可以通過蛋白質-蛋白質和蛋白質-脂類相互作用而實現[3]。

1 突觸后致密區的發現及主要組成成分

突觸后致密區由第 1位觀測腦組織的電鏡學家于 20世紀 50年代命名[4]。突觸后致密區是突觸后膜細胞骨架纖維特化區域,后膜的細胞骨架和定位與突觸前膜末端的活性區域相對應。這種結構的功能為細胞黏附性的調節、受體聚集的控制和受體功能的調節[5]。

首先通過 cDNA技術鑒定的突觸后蛋白是 PSD-95(postsynaptic density-95)和 SAP-90(synapse-associated protein-90)。PSD-95是相對分子質量 90 000～95 000的蛋白,首先在 PSD-95/SAP90中發現 PDZ區域,PDZ區域又稱為 DHR(Dlg homologous region)或GLGF重復序列,這是因為在大部分 PDZ區域中含有Gly-Leu-Gly-Phe氨基酸序列,PDZ的命名來源于最初發現含有該區域的 3個蛋白：P SD-95,DLG和ZO-1。大部分 PDZ區域的主要作用是識別配體蛋白的 C末端結構。X線衍射晶體分析法表明,PSD-95/SAP90的第 3個 PDZ區域由 6個β片層和 2個α螺旋結構組成,并且C末端肽結合于第2個β片層和 2個α螺旋結構的凹槽中[6]。PDZ區域作為蛋白質-蛋白質相互識別的模塊,在不同的細胞信號整合中起了非常重要的作用,這個區域既可以特異性識別 C末端短肽序列,也可以識別結構上與末端類似的內部序列。包含PDZ區域的的蛋白在超分子信號復合物的運輸、定位和組合中起了重要作用。

PDZ區域和與之結合的配體肽的親和力目前尚不清楚。PDZ區域可以識別特定的 C末端序列,這種C末端序列通常有 5個氨基酸殘基。PDZ結合序列的命名如下：C末端被稱為 P0殘基,N末端依次被命名為 P-1、P-2、P-3等。多肽實驗室的先驅 Songyang Z等[7]揭示了 PDZ區域的特性,這些研究表明 P0和P-2殘基對識別起了最重要的作用。根據識別參數選擇的不同,PDZ區域可被分為至少 3個等級：Ⅰ級PDZ識別序列 S/T-X-φ-COOH,Ⅱ級 PDZ識別序列φ-X-φ-COOH,Ⅲ級 PDZ區域識別序列 X-X-C-COOH,還有一些不能歸為這 3類的 PDZ區域[7]。

為什么 PDZ區域只識別配體 C末端的序列? PDZ肽復合物的結構表明在肽結合槽的末端是一個羧化物環,這個環包含一個相當保守的序列 R/K-XX-X-G-L-G-F,在這個復合物中,配體的羧基端由主鏈氫鍵維持環的酰胺基來調節[8]。包含 PDZ區域的蛋白在體內的功能是組織多種信號蛋白復合物的形成和維持細胞極性,在細胞與細胞相互作用中,細胞的類型功能和極性結構非常重要,神經細胞之間的聯系需要維持這種極性,包含 PDZ區域的蛋白對于維持細胞與細胞通信的極性位置起著非常重要的作用[9]。許多包含 PDZ區域的蛋白參與了突觸和神經肌肉接頭的信號轉導機制,在神經突觸的樹突側,存在一個致密的蛋白復合物即突觸后致密區,其中包含很多對輸入信號應答特別重要的信號元件,在突觸后致密區存在的幾種多 PDZ區域蛋白是形成和維持這種突觸后致密區的骨架蛋白[10]。

現在已經證明,除微管蛋白外,大約有 30種蛋白質,如肌動蛋白 (actin)、神經絲蛋白、伏襯蛋白 (fodrin)、磷酸二酯酶、蛋白激酶以及一些高分子蛋白質等[11]。研究[12]發現,在興奮性突觸的突觸后膜上,還聚集有離子型N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-asparic acid,NMDA)受體、α-氨基-3羥基-5-甲基異惡唑-4-丙酸 (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid,AMPA)型 Glu受體和代謝型 Glu受體,它們都與PSD相連。在 PSD中,還含有多種調節分子,如鈣調蛋白、蛋白激酶 A、蛋白激酶 C、酪氨酸激酶等等。CaMKⅡ分布廣泛,神經細胞的各個部位都含有這種酶,尤其在 PSD中含量特別高,約占 PSD蛋白總量的30%～50%,推測這種高濃度的存在及其自身磷酸化特性可能在突觸部位起記憶的分子開關作用[13]。

2 突觸可塑性

突觸功效的提高是通過促進突觸前膜釋放神經遞質和提高突觸后膜的反應性實現。突觸傳遞的長時程增強一直被認為是學習記憶的神經基礎之一,是突觸可塑性的功能指標,也是研究學習記憶的理想模型。LTP(long-term potentiation)與學習記憶的關系主要表現在 3個方面：(1)影響LTP的因素可以影響學習記憶的過程;(2)影響學習的因素也可影響 LTP的產生;(3)學習過程中可產生LTP,在動物條件反射的訓練過程中常伴隨著LTP現象產生[14]。

在正常突觸傳遞時,海馬 CA1區錐體細胞的傳入末梢釋放的 Glu遞質只能使非NMDA受體激活,當一定頻率和強度的刺激使突觸后膜去極化到一定程度時,堵塞NMDA受體通道的Mg2+被移開,Glu遞質與NMDA(N-methyl-D-aspartate)受體結合,Ca2+通道開放,使突觸后膜內 Ca2+水平升高,繼而促發一系列生化反應,改變膜的性質,導致 LTP產生。LTP反映了突觸水平上的信息儲存過程,是記憶鞏固過程神經元生理活動的客觀指標[15]。LTP的形成包括誘導與維持 2個階段。LTP的形成必須滿足 3個條件：(1)突觸后膜較強的去極化去除Mg2+對NMDA受體耦連通道的阻滯;(2)突觸前神經末梢釋放興奮遞質(主要是谷氨酸);(3)在突觸后膜,遞質與 NMDA受體結合,離子通道打開,Ca2+內流。LTP的維持需要滿足 4個條件：(1)突觸前釋放遞質增加;(2)突觸后受體有效性增加;(3)突觸后樹突棘形態改變;(4)新的蛋白質合成。即突觸前不斷釋放遞質,突觸后膜受體、通道、酶類產生改變而形成 NO、CO、花生四烯酸等逆行信使不斷向突觸前擴散而維持遞質釋放[16-17]。

在長期記憶的形成中,活性依賴性的棘突數目和形態的改變被認為參與了突觸可塑性。定位于樹突棘的大部分興奮性突觸以谷氨酸作為神經遞質,在樹突棘有幾種谷氨酸受體：NMDA、AMPA、紅藻氨酸受體和代謝性谷氨酸受體[18]。不同類型的受體存在不同的表達和調節方式,但是它們都可以提高細胞內鈣離子水平,NMDA受體和一部分AMPA受體亞型介導細胞外間隙的鈣離子內流。通常興奮性突觸后電位由AMPA受體介導,NMDA受體對谷氨酸有更強的親和力,但是更傾向于小分子和長時間持續的信號。

長時程增強的主要機制是突觸后通過AMPA受體對谷氨酸的反應性增強。條件刺激可引起釋放少量與NMDA受體有高親和力的谷氨酸,而非條件刺激可引起更多的谷氨酸的釋放,足以激活AMPA受體和觸發使神經細胞去極化的動作電位。長時程增強的持續時間依賴于刺激的條件,長時程增強可能在1～3 h內衰退,也可能持續幾個小時或幾個月,在后者的情況下,長時程增強得到了鞏固,這相當于記憶鞏固的過程[19]。

此外,刺激AMPA受體發生去極化,激活電壓依賴性的鈣離子通道引起鈣離子內流。代謝性谷氨酸受體激活第二信使信號級聯反應,激活內質網的離子通道,從而誘發細胞內儲存鈣的釋放[20]。樹突棘的形成依賴于功能性谷氨酸受體在突觸的聚集和傳入神經元持續性的信號輸入。樹突棘的穩定和維持需要AMPA受體介導的電流,完全抑制海馬突觸傳遞可以引起樹突棘的丟失和萎縮,但是低活性的AMPA受體足夠維持樹突棘形態。此外,AMPA受體激活可以通過電壓依賴性的鈣離子通道提高鈣離子濃度,也可以使不規則的樹突棘形態轉化為規則的樹突棘形態[21]。

NMDA受體涉及樹突棘形態的調節,NMDA受體的激活可以引起海馬的長時程增強,進而導致絲狀偽足和樹突棘的向外生長,與樹突棘的形狀改變相一致,海馬長時程增強同時伴有 actin的增加[22]。用生理濃度的 NMDA受體培養海馬神經元,可以使棘突actin纖維蛋白絲的濃度從 5%上升到 60%,誘導長時程抑制效應同樣可以增加 actin纖維蛋白絲濃度[23]。這些結果支持下述假說：鈣離子通過NMDA受體進入胞內,通過鈣離子敏感的 actin調節蛋白如 CaMKⅡ(calcium-calmodulin dependent protein kinaseⅡ)引起actin纖維蛋白絲的改變。

不同谷氨酸受體的激活劑和抑制劑可以引起突觸效能的改變,促進樹突棘發育和形態學改變,而激活AMPA受體可以穩定已經形成的突觸。盡管NMDA受體對棘突的形成有正性效應,NMDA受體同樣可以促進棘突的衰退,這對于神經回路的維持是非常重要的。在經過長時間的胞內鈣離子濃度增加后, NMDA受體和谷氨酸的應用可以引起棘突的收縮和瓦解,這是一個病理改變而非生理改變[24]。

3 突觸后致密區與突觸的形狀和可塑性

突觸后致密區的完整性對于正常棘突形態的維持是非常重要的,一方面因為形成樹突棘的 actin纖維蛋白絲附著于突觸后致密區,另一方面因為突觸后致密區許多蛋白調節棘突的形狀,脂質破壞導致突觸后致密區蛋白的消散,進而引起樹突棘的消失[25]。擾亂樹突棘骨架蛋白的功能同樣可以影響棘突的形狀,骨架蛋白促進了谷氨酸受體的聚集和穩定。

突觸后致密區的信號蛋白通過交叉通路調節突觸可塑性和樹突棘形狀,例如,CaMKⅡ是普遍存在于谷氨酸能突觸的突觸后致密區的絲氨酸/蘇氨酸激酶,在突觸后致密區發現了很多 CaMKⅡ的底物,包括AMPA和NMDA受體以及 PSD-95家族的骨架蛋白。CaMKⅡ可以和 actin纖維蛋白絲結合,也可以和突觸后蛋白結合,促進樹突絲狀偽足、棘突和突觸的形成[23]。NMDA受體依賴的鈣離子內流可以引起CaMKⅡ從 actin到突觸后致密區的可逆性易位。在突觸后致密區,CaMKⅡ可以和NMDA受體的亞單位NR2B結合,從而延長了 CaMKⅡ的激酶活性;另一方面,CaMKⅡ的抑制物阻斷了長時程增強的誘導效應和活性依賴性的樹突絲狀偽足的形成,表明 CaMKⅡ參與了突觸活性誘導的結構可塑性,CaMKⅡ和NMDA受體的激活可以增加突觸的連接[26]。

綜上所述,骨架蛋白把谷氨酸受體和信號轉導有關的多種調節蛋白集中于突觸后膜,形成了突觸后的特殊結構-突觸后致密區。突觸后致密區對于谷氨酸受體功能的調節和突觸可塑性有重要意義,為學習記憶障礙相關的疾病的治療提供了藥物靶點。

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