大腦皮層中γ-氨基丁酸系統增齡性變化的研究現狀

王倩倩 趙晨陽 常彥忠 (河北師范大學生命科學學院鐵代謝分子實驗室，河北 石家莊 050016)

大腦皮層中γ-氨基丁酸系統增齡性變化的研究現狀

王倩倩 趙晨陽 常彥忠 (河北師范大學生命科學學院鐵代謝分子實驗室，河北 石家莊 050016)

γ-氨基丁酸;衰老;大腦皮層;鐵代謝

γ-氨基丁酸(GABA)是哺乳動物中樞神經系統中重要的抑制性神經遞質，約50%的中樞神經突觸部位以GABA為遞質。在人體大腦皮質、海馬、丘腦、基底神經節和小腦的神經興奮性與信息加工、神經可塑性等方面都起到了相當重要的作用〔1〕。

GABA在大腦的不同部位都起到抑制性作用。在衰老過程中，大腦皮層會發生功能退化;同時，GABA系統在衰老過程中也相應發生一系列變化?？梢酝茰y，大腦皮層的功能退化很可能是由皮層內 GABA抑制作用的減弱引起的〔2〕。Schmolesky〔3〕通過對老齡獼猴皮層的研究表明：衰老會導致GABA抑制作用的減弱，而且這種減弱會引起很多視覺功能的衰退。Leventhal〔2〕在老齡猴中的實驗表明，GABA以及GABAA受體的激動劑-蠅蕈醇可以顯著改善初級視覺皮層V1區神經元的功能，而GABAA受體的拮抗劑-荷包牡丹堿對低齡猴子的作用比對老齡猴子的作用更加明顯。Sillito〔4〕、Eysel〔5〕的實驗進一步表明低齡貓視皮層神經元的方位選擇性經荷包牡丹堿處理后出現了顯著降低，這進一步表明GABA抑制作用的阻斷確實可以導致皮層功能的減弱。而GABA抑制作用的減弱可能是由于GABA受體表達量的降低，或者由皮層中GABA合成量的降低所導致的，或者是由二者共同作用〔6〕。

1 GABA與神經傳導

GABA由谷氨酸經谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)催化脫羧基產生。GABA合成后主要儲存于突觸囊泡中，在GABA轉運體(GABA transportor，GAT)參與下釋放至突觸間隙。突觸間隙內GABA作用于突觸后膜上相應的受體使神經元產生突觸前或突觸后抑制，其結果均引起抑制效應。突觸前抑制主要是指通過某種生理機制，減少了興奮性遞質的釋放所引起的抑制;而突觸后抑制是指受體激動時打開Cl-或K+通道，使突觸后膜超極化，從而產生抑制效應〔7〕。在脊髓，GABA作用于突觸前神經末梢，減少興奮性遞質的釋放，從而引起突觸前抑制，而在腦則引起突觸后抑制。游離的GABA可通過依賴于Na+、Cl-的高親和力攝取系統被轉運至GABA能神經元和膠質細胞中，維持胞外GABA微摩爾級的低濃度，或經酶促降解而失活，終止GABA對神經元的抑制〔8〕。

2 皮層中GABA能神經元增齡性變化

老年動物視皮層神經元的功能退化主要表現為神經元的自發活化以及對刺激選擇性的降低〔6〕，而神經元對刺激響應性的增加可能是由皮層內抑制作用尤其是GABA抑制作用的降低導致的〔2〕。有研究表明，與低齡貓相比，老齡貓V1區的GABA免疫反應陽性(GABA-IR)神經元的密度及數量均顯著降低，GABA-IR神經元的平均密度在Ⅰ、Ⅱ～Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ以及VI層分別下降了44.5%、56.8%、54.7%、60.7%、50.9%，GABA-IR神經元占神經元總數的比例分別下降了43.7%、56.8%、54.7%、59.9%、50.3%〔9〕。這些形態學上的現象直接表明GABA抑制作用的降低會伴隨出現老年動物視皮層神經元功能的下降。在SD大鼠視皮層的研究證實，衰老確實能夠導致視皮層GABA表達量降低〔10〕。另外，在聽皮層中，與低齡貓相比，老齡貓初級聽覺皮層A1區的GABA-IR神經元密度出現顯著降低，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層表現尤其突出，而且胞體較小，陽性反應的減弱較為明顯〔11〕。由此，可以推測，聽皮層內抑制作用的減弱是由GABA含量的降低導致的。Fischer 344/Brown Norway雜交大鼠(FBN)感覺運動皮層的超微結構研究表明，老齡大鼠與低齡大鼠相比，皮層第Ⅱ層的抑制性神經突觸作用出現顯著下降〔12〕。然而，也有研究表明GABA能神經元的數目以及細胞大小在感覺運動皮層中并沒有出現增齡性變化，免疫染色后，在光鏡下并沒有觀察到Ⅱ、Ⅲ層抑制性突觸數目的明顯降低。因此推測，Poe等〔13〕從電鏡觀測到的可能只是GABA能突觸的一個亞型，并非所有的抑制性突觸。

3 大腦皮層中GABA合成酶增齡性變化

GABA由兩種谷氨酸脫羧酶(GAD67和GAD65)催化生成，分別由Gad1和Gad2基因編碼。GABA的合成是GABA代謝過程中的關鍵步驟〔14〕，影響著GABA在細胞以及囊泡中的含量。其中，GAD67負責細胞內95%以上的GABA的合成，并且其在腦中的含量有一定限制〔15〕。研究表明，在A1區的抑制性以及興奮性神經元中都存在GAD67的mRNA。然而，GAD67的蛋白只在GABA能神經元中表達。興奮性神經元中GAD的mRNA可能是發育過程中剩余的RNA，RNA結合蛋白與其結合并阻止其翻譯〔16〕。Sloviter〔17〕認為齒狀顆粒細胞具有兩種速效氨基酸類神經遞質，一種是興奮性的，一種是抑制性的，從而可以產生興奮和抑制效應。GAD的顯著下降很可能會導致抑制性神經遞質GABA含量的下降以及對聲音信號的處理速度的下降。

Ling等〔18〕用原位雜交以及免疫細胞化學方法檢測了FBN的F1代雜交鼠A1區GAD含量的年齡相關性變化。對GAD65＆67的檢測結果發現在衰老大鼠 A1區的Ⅱ ～Ⅵ層中GAD65＆67的mRNA含量均出現了年齡依賴性下降，并且，在Ⅱ層二者的下降最為顯著(GAD65：26.6%，GAD67：41.1%)。而在蛋白水平上，與低齡大鼠相比，免疫染色后中年和老年大鼠A1區的GAD67的相對光學密度(ROD)在Ⅱ～Ⅵ層均出現了顯著下降。雖然GAD67蛋白ROD的年齡相關性下降在各層中有所不同，但并沒有統計學差異。

頂葉皮層位于A1區的背側，在接收初級視皮層的空間感覺以及注意力的信號輸入中起作用。將A1區GAD67的mRNA以及蛋白的變化與頂葉皮層進行比較，發現在這兩個臨近的區域中GAD67的年齡相關性變化有著兩種不同的方式。在A1區，在低齡、中齡、老齡這3組大鼠中GAD的含量表現為逐步下降，但在頂葉皮層中，GAD67的mRNA只在老齡組中出現了顯著降低，而蛋白表達量的變化也只在老齡組的第Ⅳ層出現了顯著降低。頂葉皮層mRNA水平的延緩時效可以很好地解釋GAD67的蛋白表達量除了在第Ⅳ層出現了顯著降低而在其他層均沒有顯著變化的現象。上述結果也表明，GAD67的蛋白含量即使在兩個相鄰的區域也可以存在較大的差異。與此同時，Banay-Schwartz〔19〕發現 Fischer 344(F344)大鼠視皮層 GAD67水平也具有顯著變化，而且在運動皮層也出現了變化，但是并沒有統計學意義。

在衰老過程中，老年動物的感覺信號輸入系統功能會發生一定程度的退化，而GAD的含量降低會直接導致GABA合成量下降，而這種抑制性神經遞質的降低可能是一種衰老過程中感覺信號輸入系統退化的補償機制。

4 大腦皮層中GABA受體的增齡性變化

GABA 受體可分為三類：GABAA、GABAB、GABAC。其中GABAA受體在中樞神經系統中的分布最為廣泛。近年來應用分子生物學方法，已克隆到19種GABAA受體的亞單位(如α1-6、β1-3、γ1-3、δ、ε、π、θ 等)，并且研究表明 GABAA受體與中樞系統的關系更為密切〔20〕。因此，對GABA受體的研究主要集中在GABAA受體亞型。

對大鼠大腦皮層的研究表明，主要的GABAA受體(α1、γ2和β2/3)的蛋白表達量在衰老過程中保持不變，但是相應的mRNA卻表現出顯著的年齡依賴性變化〔21〕。還有研究表明GABAA受體的功能特性取決于受體亞基的成分〔22〕。在大鼠皮層中通過對GABAA受體各亞基的分析發現大腦皮層GABAA受體的亞基α1和α2的表達量與低齡動物相比偏高，而α3、α5、γ2的表達量較青年動物低。對腦不同區域中免疫反應的相對光學密度的研究如下：與低齡大鼠相比老齡大鼠在枕葉皮層Ⅱ/Ⅲ層α1亞基的表達量顯著增加，而α2亞基的表達量在Ⅴ和Ⅵ層只是出現了輕微的上升;α5亞基主要是在聽覺皮層的Ⅱ/Ⅲ和Ⅳ層有顯著下降;γ2亞基的表達量的降低在深層皮層中較為明顯;α3亞基在深層皮層中有輕微的降低;其中，α1和α5亞基有顯著的變化，尤其是在大腦皮質的外層〔23〕。這些亞基是突觸外GABA受體的主要成分，這就表明，GABA抑制作用的增齡性改變可能會與突觸外GABA受體的改變有關。

在低齡動物中的實驗表明，GABA受體依賴的抑制作用與學習等功能相關。因此，可以推測，執行能力和學習能力的降低以及皮層代表性區域的改變等年齡相關性變化可能與GABA受體功能的改變有關。

5 GABA與星形膠質細胞的相互作用以及增齡性變化

星形膠質細胞在神經系統中起著重要作用，包括支持神經元、構成血-腦屏障、合成和分泌細胞因子等。其中對神經遞質的調節作用尤其重要，星形膠質細胞可以攝取并儲藏鄰近突觸所釋放的神經遞質，來調節局部神經遞質的濃度。而當神經細胞興奮時，其附近的星形膠質細胞也去極化，并釋放其存儲的神經遞質，反作用于神經元。由此可見，星形膠質細胞在GABA等神經遞質的代謝途徑中也必然起著重要作用。羅勛等〔11〕的研究表明，與低齡貓相比較，老齡貓A1區GFAP-IR細胞的密度顯著升高，而且在形態上也出現了變化，其胞體膨大，突起也變得稠密粗大。有研究表明，谷氨酸在神經元內合成GABA并將其釋放后，GABA部分被星形膠質細胞攝取，重新轉化成谷氨酸〔24〕。由于星形膠質細胞可以攝取GABA并將其轉化為谷氨酸，進而降低GABA的含量;而衰老動物的腦中GABA抑制作用的減弱又伴有星形膠質細胞的活化以及密度的增加，所以，衰老過程中星形膠質細胞活動的增強及密度的升高可能是GABA抑制作用減弱的一個原因。

6 GABA系統的增齡性變化與鐵代謝的關系

鐵是正常神經代謝過程中必需的微量元素，但過量的鐵對神經系統具有毒性作用，因此腦鐵的生理平衡在腦的功能活動中起著十分重要的作用。研究表明，腦鐵與腦內GABA的代謝存在著一定的聯系，Li〔25〕通過對腦缺鐵大鼠的腦內GABA含量的檢測發現，腦內GABA的濃度與正常大鼠相比并沒有出現明顯變化，但是GABA合成酶GAD以及降解酶GABA轉氨酶(GABA-T)的活性卻出現了顯著的下降。由此可見，腦鐵含量的變化會影響GABA在腦內的代謝與利用。而腦內GABA含量的變化同樣也會影響腦鐵含量。Hill〔26〕在蒼白球、新紋狀體和黑質注射γ-乙烯基-GABA，該酶可活化GABA-T抑制劑，從而通過抑制GABA-T的活性來增加GABA的含量，2 d后發現黑質網狀部鐵的含量明顯減少。該實驗為GABA影響鐵代謝提供了一個免疫組織化學水平的證據。為了進一步研究GABA與鐵代謝之間的相互作用，關鵬等〔27〕通過向SD大鼠的大腦黑質注射GABA，來觀察大鼠尾殼核鐵含量。結果與對照組相比，大鼠尾殼核內鐵的含量有輕微的下降，并且鐵轉運蛋白〔DMT1(-IRE)〕表達有明顯降低，而HP表達顯著增高。DMT1和膜鐵轉運蛋白輔助蛋白(HP)是近幾年發現的與鐵轉運相關的蛋白，DMT1參與游離鐵的攝取，而HP輔助游離鐵的釋放。這些結果表明，黑質中的GABA可能是通過減少紋狀體尾殼核DMT1(-IRE)的表達以及增加HP的表達來降低尾殼核鐵含量的。

在衰老過程中，大腦皮層內GABA表現為年齡依賴性下降，與此同時，腦鐵含量表現為年齡依賴性升高〔28〕，這兩者之間可能存在著相互作用?？梢酝茰y，GABA含量的下降通過引起DMT1(-IRE)蛋白表達的升高，來增加鐵攝取，HP的表達下降來減少鐵釋放，從而引起腦鐵的積累，導致腦鐵含量的增加。但其具體機制還有待進一步探討。

1 Krnjevic K.Role of GABA in cerebral cortex〔J〕.Can J Physiol Pharm，1997;75(5)：439-51.

2 Leventhal AG，Wang Y，Pu M，et al.GABA and its agonists improved visual cortical function in senescent monkeys〔J〕.Science，2003;300(5620)：812-5.

3 Schmolesky MT，Wang Y，Pu M，et al.Degradation of stimulus selectivity of visual cortical cells in senescent rhesus monkeys〔J〕.Nature Neurosci，2000;3(4)：384-90.

4 Sillito AM.The effectiveness of bicuculline as an antagonist of GABA and visually evoked inhibition in the cat's striate cortex〔J〕.J Physiol，1975;250(2)：287-304.

5 Eysel UT，Shevelev IA，Lazareva NA，et al.Orientation tuning and receptive field structure in cat striate neurons during local blockade of intracortical inhibition〔J〕.Neuroscience，1998;84(1)：25-36.

6 Hua T，Li X，He L，et al.Functional degradation of visual cortical cells in old cats〔J〕.Neurobiol Aging，2006;27(1)：155-62.

7 許紹芬.神經生物學〔M〕.第2版.上海：復旦大學出版社，1988：213-4.

8 丁 斐.神經生物學〔M〕.北京：科學出版社，2007：173-4.

9 Hua T，Kao C，Sun Q，et al.Decreased proportion of GABA neurons accompanies age-related degradation of neuronal function in cat striate cortex〔J〕.Brain Res Bull，2008;75(1)：119-25.

10 徐業華，陳 勤，李燕斐，等.老年大鼠視皮層γ-氨基丁酸的代謝變化〔J〕. 中國老年學雜志，2007;27(13)：1232-4.

11 羅 勛，華田苗，孫慶艷，等.貓初級聽皮層γ-氨基丁酸能神經元和星形膠質細胞年齡相關變化〔J〕.解剖學報，2006;37(5)：514-9.

12 Poe BH，Linville C，Brunso-Bechtold J.Age-related decline of presumptive inhibitory synapses in the sensorimotor cortex as revealed by the physical director〔J〕.J Comp Neurol，2001;439(1)：65-72.

13 Shi L，Pang H，Linville MC，et al.Maintenance of inhibitory interneurons and boutons in sensorimotor cortex between middle and old age in Fischer 344 X brown norway rats〔J〕.Journal of Chemical Neuroanatomy，2006;32(1)：46-53.

14 Soghomonian JJ，Martin DL.Two isoforms of glutamate decarboxylase：why〔J〕?Trends Pharmacol Sci，1998;19(12)：500-5.

15 Asada H，Kawamura Y，Maruyama K，et al.Cleft palate and decreased brain gamma-aminobutyric acid in mice lacking the 67-kDa isoform of glutamic acid decarboxylase〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA，1997;94(12)：6496-9.

16 Cao Y，Wilcox KS，Martin CE，et al.Presence of mRNA for glutamic acid decarboxylase in both excitatory and inhibitory neurons〔J〕.Proc Natl Acad Sci USA，1996;93(18)：9844-9.

17 Sloviter RS，Dichter MA，Rachinsky TL，et al.Basal expression and induction of glutamate decarboxylase and GABA in excitatory granule cells of the rat and monkey hippocampal dentate gyrus〔J〕.J Comp Neurol，1996;373(4)：593-618.

18 Ling LL，Hughes LF，Cspary DM.Age-related loss of the GABA synthetic enzyme glutamic acid decarboxylase in rat primary auditory cortex〔J〕.Neuroscience，2005;132(4)：1103-13.

19 Banay-Schwartz M，Palkovits M，Lajtha A.Heterogeneous distribution of functionally important amino acids in brain areas of adult and aging humans〔J〕.Neurochem Res，1993;18(4)：417-23.

20 Fubara BM，Casseday JH，Covey E，et al.Distribution of GABAA，GABAB，and glycine receptors in the central auditory system of the big brown bat，Eptesicus Fuscus〔J〕.J Comp Neurol，1996;369(1)：83-92.

21 Gutierrez A，Khan ZU，Miralles CP，et al.GABAA receptor subunit expression changes in the rat cerebellum and cerebral cortex during aging〔J〕.Brain Res Mol Brain Res，1997;45(1)：59-70.

22 Mohler H，Crestani F，Rudolph U.GABA(A)-receptor subtypes：a new pharmacology〔J〕.Curr Opin Pharmacol，2001;1(1)：22-5.

23 Schmidt S，Redecker C，Bruehl C，et al.Age-related decline of functional inhibition in rat cortex〔J〕.Neurobiol Aging，2010;31(3)：504-11.

24 壽德天主編.神經生物學〔M〕.北京：高等教育出版社，2006：16-8.

25 Li D.Effects of iron deficiency on iron distribution and gamma-aminobutyric acid(GABA)metabolism in young rat brain tissues〔J〕.Hokkaido Igaku Zasshi，1998;78(3)：215-25.

26 Hill JM.Iron concentration reduced in ventral pallidum，globus pallidus，and substantia nigra by GABA-transaminase inhibitor，gamma-vinyl GABA〔J〕.Brain Res，1985;342(1)：18-25.

27 關 鵬，王 娜，段相林，等.谷氨酸鈉、γ-氨基丁酸注入黑質對大鼠尾殼核二價金屬離子轉運體1和膜鐵轉運輔助蛋白表達的影響〔J〕. 解剖學報，2008;39(6)：795-9.

28 Chang YZ，Qian ZM，Wang K，et al.Effects of development and iron status on ceruloplasmin expression in rat brain〔J〕.J Cell Physiol，2005;204(2)：623-31.

Q423

A

1005-9202(2011)12-2382-04

國家自然科學基金資助項目(10979025);河北省杰出青年科學基金資助項目(C2010002032)

常彥忠(1965-)，男，教授，博士生導師，主要從事鐵代謝分子生物學研究。

王倩倩(1988-)，女，在讀本科生，主要從事鐵代謝分子生物學研究。

〔2010-08-23收稿 2010-11-26修回〕

(編輯 曲 莉)