cAMP/PKA/CREB信號通路及相關調控蛋白PDE-4和ERK對學習記憶的影響

楊 夏（綜述），彭 生，劉功儉（審校）

（1.徐州醫學院，江蘇 徐州 221002;2.蘇州大學附屬第四醫院麻醉科，江蘇 無錫 214000）

cAMP/PKA/CREB信號通路與學習記憶有著重要的關系。而對這條通路起調節作用的磷酸二酯酶4（phosphodiesterase 4，PDE-4）和細胞外調節激酶（extracellular signal regulating kinase，ERK），也越來越受到人們的關注。環磷酸腺苷（cyclic AMP，cAMP）的產生可激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和PKC亞基進入核內，使cAMP反應元件結合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）轉錄因子特異的絲氨酸殘端磷酸化而活化，磷酸化的CREB可以與DNA分子上cAMP調節靶基因附近的 cAMP反應元件（cAMP response element，CRE）結合，從而調節基因的轉錄，合成與學習記憶相關的蛋白。認識cAMP/PKA/CREB信號通路，并從其調節蛋白PDE-4和ERK著手探討cAMP/PKA/CREB信號通路與學習記憶中樞神經系統的關系，有助于進一步明確大腦學習記憶反應的發生機制。

1 cAMP/PKA/CREB信號通路對學習記憶的影響

1.1 cAMP/PKA蛋白 cAMP是細胞內信號轉導的第二信使，是激素和神經遞質作用于特定靶細胞后，通過激活腺苷酸環化酶催化ATP水解生成的。cAMP主要通過激活PKA使靶酶磷酸化，然后開啟基因表達，在細胞生命活動中有著重要的意義，參與調節許多細胞的代謝、基因表達、細胞生長和分裂等。

PKA在哺乳類體內可表達4種調節亞基（RⅠα、RⅠβ、RⅡα、RⅡβ）和 3種 催 化 亞 基 （Cα、Cβ、Cγ），每個亞基在神經元內均有表達，其中PKA-Cβ亞基在神經元內表達豐富，且為突觸可塑性所必需。已有研究證實，有催化活性的PKA在長時程突觸可塑性和長時記憶中具有重要作用［1］。

cAMP/PKA通路對CREB的磷酸化，膜上的G蛋白耦聯受體與胞外遞質等配體結合后活化，刺激腺苷酸環化酶增加胞內cAMP濃度，4分子cAMP與PKA結構亞基上的位點結合，具有催化活性的PKA調節亞基解離并進入核內，磷酸化CREB從而啟動下游靶基因的轉錄。最近研究發現，轉基因小鼠可產生一種抑制形式的PKA亞基，使海馬中PKA的活性降低，L-LTP在CA1區也明顯減少［2］，進一步證實cAMP/PKA在海馬長時程增強（long-term potentiation，LTP）表達中的重要作用。

1.2 CREB蛋白 CREB是細胞內cAMP變化的轉錄轉導因子，調節基因的轉錄和蛋白質的合成。CREB是一種細胞核內調控因子，它通過自身磷酸化實現調節轉錄的功能。CREB能整合鈣離子、生長因子和cAMP誘導的信號，是多條細胞內信號轉導通路的作用點，對學習記憶及各種情緒的正常調節和維持具有重要的作用［3］。

在神經系統中，CREB作為細胞內多種信號通路的一個重要組成部分，其下游效應包括影響神經元的存活與生長、突觸的可塑性和長期記憶的形成［4］。實驗證實，CREB活性的降低可抑制長時程記憶的形成，其數量的增加或活性的增強可促進長時程記憶的形成［5］。研究已證實，受cAMP調節的下游蛋白CREB參與了氯胺酮導致未成年大鼠學習記憶障礙的形成［6］，CREB直接參與了水迷宮空間學習記憶的形成［7］。而另一研究證實大鼠紋狀體邊緣區及海馬等腦區的CREB在空間學習記憶的早期就開始參與長時記憶的形成［8］。

1.3 磷酸化的 CREB蛋白（phosphorylated CREB，P-CREB）CREB磷酸化是許多信號轉導通路的一個會聚點，在神經元的生長、突觸可塑性、學習和記憶功能、損傷和再生等方面起著重要作用。CREB的轉錄活性主要依賴于第133位絲氨酸殘基（Ser133）的磷酸化（即P-CREB）。CREB的Ser133位點被磷酸化后，它就成為活性狀態，可啟動多種基因的轉錄，引起細胞內多種長期生物學效應。記憶的形成依賴P-CREB通路誘導下游基因的表達［9］。研究證實，中樞神經系統神經遞質的合成、基因表達、細胞增殖等均被通過以P-CREB為第二信使系統起作用的神經遞質調控。

學習記憶行為訓練前向大鼠海馬內注入CREB的反義寡核苷酸可導致其在Morris水迷宮中的空間學習缺陷，而訓練前雙側穹隆海馬傘被切斷的大鼠，也可因海馬CREB磷酸化的水平不能升高而致逃避性記憶受損［10］。研究發現［11］CREB 磷酸化介導的轉錄，還可以促使新的突觸鏈接的生成，提高神經元的存活率，緩解腦損傷后認知障礙。

1.4 cAMP/PKA/CREB信號通路與LTP LTP是哺乳動物中樞神經系統貯存信息的主要機制，是學習記憶的細胞基礎，已成為神經元可塑性的一種有效模型。越來越多動物實驗證明，cAMP/PKA/CREB在介導晚期的LTP及記憶過程中的不可替代的作用。不同的蛋白激酶，包括胞外信號調節激酶2（extracellular signal-regulated kinase 2，ERK2）、PKA、鈣-鈣調素激酶Ⅳ（CaMKⅣ）等，均可通過磷酸化CREB誘導或促進L-LTP，并改善動物的學習記憶功能［12-15］。

Montarolo等［16］發現軟體動物海兔可顯示出一種稱為長時程易化的類似記憶的敏化行為，而且表明這種長時程易化需要cAMP/PKA/CREB信號通路的活動，從而提出了首個關于學習記憶的活動依賴性基因表達的機制。在脊椎動物方面，Florian等［17］在研究中發現，外界刺激引發的效應可通過使CREB磷酸化，進而激活細胞內蛋白激酶級聯反應，誘導靶細胞基因表達而引發LTP。CREB低轉錄小鼠可導致LTP及長期記憶都顯著受損［18］，CREB高表達則產生記憶力及LTP顯著增強，社會認知功能顯著增加［19］。

2 cAMP/PKA/CREB信號通路與PDE-4

cAMP的調控主要由核苷酸環化酶的合成作用與PDE-4的水解作用來實現。磷酸二酯酶4（Phosphodiesterase 4，PDE-4）是cAMP特異性水解酶，PDE能催化環腺苷酸的3'，5'-磷酸二酯鍵的水解，生成無活性的5'-核苷單磷酸酯，使cAMP水平下降，進而可以調節cAMP/PKA/CREB等信號通路，影響細胞內CREB調節的基因的表達，使得參與學習記憶的一些蛋白質不能夠被合成，從而干擾長期記憶的形成。

最新的研究發現，cAMP含量增加可以逆轉學習記憶能力的減退，Vecsey等［20］采用睡眠剝奪導致大鼠出現記憶力減退后，再給予PDE-4抑制劑增加cAMP含量，則逆轉了這種記憶力減退。而另有研究發現，PDE4抑制劑（例如rolipram）能夠增加腦內cAMP濃度，激活cAMP/PKA/CREB信號通路，促進記憶形成［11，21］。之前也有學者發現給予大鼠 N-甲基-D-天冬氨酸受體阻滯劑MK801后大鼠出現顯著遺忘，再注射PDE-4抑制劑則可逆轉這種遺忘效應［22］;給予毒蕈堿M受體激動劑東莨菪堿可以引起工作記憶和參照記憶的損害，應用PDE-4抑制劑逆轉這兩種記憶的損害［23］，并推測這些作用可能與PDE-4抑制劑可以通過增加海馬cAMP含量，增加海馬神經元LTP，增強海馬的突觸可塑性有關。

3 cAMP/PKA/CREB信號通路與調控蛋白ERK

3.1 ERK對學習記憶的影響 ERK是重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，它的底物包括轉錄因子、組蛋白、細胞內其他重要的激酶以及K+通道等。這些物質都是細胞內的重要組成成分，是學習記憶形成過程中必不可少的。ERK信號通路與腦內LTP的形成以及學習記憶功能有重要的聯系［18］。ERK信號轉導通路的激活參與了短時記憶形成和短時記憶向長時記憶的轉化即記憶的鞏固過程［24］。

ERK信號的激活可以強化長時程突觸易化及LTP［25］。Silva 等［26］利用基因工程技術，在研究Ⅰ型神經成纖維細胞瘤與精神發育遲緩的關系中發現，學習功能的降低與海馬Ras/ERK信號通路的缺損密切相關。Kelleher等［27］利用轉基因技術研究發現，ERK可直接參與調控樹突蛋白合成，且此蛋白合成為LTP形成及記憶功能所必需。此外，LTP的誘發需要N-甲基-D-天冬氨酸受體的激活，此過程主要由Kv4家族成員編碼的A型鉀離子通道調控，ERK的激活可以引起Kv4-2α亞基磷酸化，從而引起A型鉀離子電流下調，誘導動作電位（AP）放大，增強樹突胞膜興奮性，從而誘發形成LTP。

3.2 ERK對cAMP/PKA/CREB信號通路的影響ERK被激活后可通過激活核糖體S6激酶來激活CREB，從而作用于CRE，啟動CRE依賴性的轉錄。此外，ERK也可直接磷酸化轉錄因子CREB。

Kelly等［10］的研究證明，MAPK/ERK 信號通路參與了海馬內學習記憶的鞏固，ERK介導的磷酸化CREB參與了海馬神經元晚期LTP的維持和長時程記憶的形成。cAMP/PKA/CREB通路的中PKA誘導Rap 21和B 2Raf結合引發MAPK/ERK磷酸化，進而導致CREB激活，參與PKA依賴型LTP形成及突觸可塑性變化［28］。另外，近期有實驗證實，ERK參與了氯胺酮導致的學習記憶障礙形成的過程［29］，通過與PDE-4交叉對話（cross-talking）調節cAMP的含量，形成 cAMP/ERK 調節通路［30］。PDE4抑制劑（rolipram）能使N-甲基-D-天冬氨酸受體的激活，從而激活MAPK/ERK/CREB信號通路，在神經保護及學習記憶過程中發揮重要作用［31］。

4 小結

在cAMP/PKA/CREB信號通路及相關調控蛋白PDE-4和ERK對學習記憶的影響及機制方面，人們已做了大量研究并取得顯著成果，但把三者之間聯系起來，是否能為臨床提供一條新的治療途徑及篩選新的有效藥物，預防麻醉引起的術后學習記憶障礙，還要進一步探索。

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