D型絲氨酸與精神分裂癥關系的研究進展

曹宏偉 朱 克 高麗霞 張俊玲

D型絲氨酸與精神分裂癥關系的研究進展

曹宏偉 朱 克 高麗霞 張俊玲

（山東醫藥技師學院生物工程系，泰安271016）

D型絲氨酸是近年來新發現的一種神經遞質，可能通過調節N-甲基D-天冬氨酸受體的活性參與精神分裂癥的發病。對D型絲氨酸在中樞神經的產生、代謝及其與精神分裂癥的關系進行了簡要介紹。

D型絲氨酸；NMDA受體；精神分裂癥

自然界存在的氨基酸絕大多數是D型氨基酸和L型氨基酸，以往認為組成蛋白質的氨基酸都是L型氨基酸，D型氨基酸只有細菌和無脊椎動物才能在體內合成，在高等動物體內存在這種氨基酸是根本不可能的，然而在上個世紀90年代以來的研究發現在包括人類在內的哺乳動物體內存在大量的D型絲氨酸，最近幾年，以D型絲氨酸為中心的研究已經成為目前神經科學領域的熱點之一[1]。

1 D型絲氨酸的合成與代謝

近年來隨著高效液相色譜技術、活體內微滲析技術手段的提高和免疫組化技術中立體選擇性抗體的出現和使用，1992年Hashimoto等[2]首次報道了在大鼠腦內存在D型絲氨酸，后來的研究發現包括人類在內的哺乳動物中樞神經系統都存在區域性的高濃度D型絲氨酸[1-17]。最初的研究認為D型絲氨酸主要在神經膠質細胞內合成，最近研究表明神經元[17-18]、小膠質細胞[7]、施萬細胞和神經弓上的成纖維細胞[8]、神經節細胞、無長突細胞、視網膜的雙極細胞及水平細胞內均能夠合成[9]。D型絲氨酸由絲氨酸消旋酶（serine racemase，SRR）催化L絲氨酸生成，1999年Wolosker等[3]首次從大鼠腦內分離純化出此酶，它是一種分子量為37 KD的可溶性蛋白。它專一催化L型絲氨酸轉化為D型絲氨酸，遂將其命名為絲氨酸消旋酶，絲氨酸消旋酶的發現為D構象絲氨酸的體內合成提供了合理的解釋。爾后Snyder等[10]通過分析絲氨酸消旋酶的結構和檢索基因庫后，得出這一酶的cDNA，并在體外進行了表達，而且成功的在培養細胞內合成了D型絲氨酸。絲氨酸消旋酶是主要存在于膠質細胞中的一種新的吡哆醛5′磷酸依賴酶，它在組織中的表達與D構象絲氨酸的區域性高表達一致。在輔助因子的Mg2+、ATP和合適PH值條件下，絲氨酸消旋酶將4分子的L絲氨酸消旋成為1分子D型絲氨酸和3分子的丙酮酸鹽[1]。在大鼠絲氨酸消旋酶有339個氨基酸殘基組成，分子量為36.3KD，編碼該酶的基因位于大鼠10q24，共17.4 kb，含9個外顯子，8個內含子。2000年Miranda[11]等首次克隆出人類絲氨酸消旋酶基因，它位于人類17q13.3，含7個外顯子，6個內含子，編碼的氨基酸含340個氨基酸，與鼠類同源性為88%。D構象氨基酸氧化酶（DAO）在哺乳動物中樞神經系統和周圍組織中，發揮著促進中性D構象氨基酸氧化去氨基的作用，普遍認為這種氧化酶在D構象絲氨酸的代謝過程中發揮著重要作用[1,7]。肝臟合成的D型絲氨酸釋放入血，D型絲氨酸隨血液循環到腎臟，在腎近斷小管直部重吸收，這種重吸收的主要是通過Na+梯度形成的不同滲透壓來實現的，這也是它不同與L型絲氨酸重吸收的方式。重吸收D型絲氨酸的細胞含有大量的催化其代謝的D型絲氨酸氧化酶，這種酶催化D型絲氨酸生成羥基丙酮酸，羥基丙酮酸可以重新進入糖酵解或糖異生途徑用于正常的新陳代謝。雖然在腎臟有重吸收和酶的催化代謝，但是大量的D型絲氨酸還是通過腎臟隨尿液排出體外[4]。

2 D型絲氨酸在中樞神經系統的分布

中樞神經系統中D構象絲氨酸的區域性分布與N甲基D天門冬氨酸（N-methyl-d-aspartate，NMDA）受體相一致：在大腦皮層灰質、海馬、胼胝體。其次是黑質、尾狀核，而在杏仁核、丘腦、下丘腦中則很低，SRR的分布與D型絲氨酸相一致，DAO與之相反[1]。對這些區域進行免疫組化分析發現D構象絲氨酸主要存在于原生質性星型膠質細胞之中，這種細胞在腦富含NMDA受體的區域中包繞神經末梢形成鞘。而2007年日本學者Yoshikawa[12]和Kartvelishvily[13]等人的研究發現神經元內絲氨酸消旋酶及編碼該酶的mRNA水平明顯高于膠質細胞。該研究結果提示D型絲氨酸不僅是膠質細胞來源的神經遞質，而且神經細胞來源的D型絲氨酸可能通過與NMDA受體結合進而調節神經傳遞。

3 D型絲氨酸的存儲釋放機制

D型絲氨酸的合成代謝已經研究的較為清楚，但存儲釋放機制還有待進一步的研究。體外試驗研究表明，α-氨基羥甲基異惡唑丙酸（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate，AMPA）受體激活誘導D型絲氨酸的釋放，體內試驗表明，AMPA受體觸發的D型絲氨酸釋放與谷氨酸受體相互作用蛋白（glutamate receptor interacting protein，GIRP）、蛋白激酶C相互作用蛋白（protein interacting with protein kinase C，PICK1）及增加的細胞內鈣離子濃度等因素有關[17-18]，Baumgan等[19]研究發現谷氨酸與膠質細胞表面的AMPA受體結合后，AMPA受體激活并與GRIP分離，GRIP的突觸前密度蛋白（presynaptic density protein，PDZ）的第6個結構域與SRR結合，并激活絲氨酸消旋酶，促進D型絲氨酸的合成。同時PICK1與AMPA受體結合填補GRIP的空缺，促使AMPA受體共同內化并下調AMPA受體的功能，PICK1還可以運送蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）至絲氨酸消旋酶表面，使之磷酸化而激活，進一步促進D型絲氨酸的合成。研究發現PICK1基因敲除小鼠前腦內D型絲氨酸水平明顯下降。合成的D型絲氨酸一部分以胞吐的方式釋放到突觸間隙，突觸間隙內的D型絲氨酸可以與神經元表面NMDA受體的甘氨酸位點結合，與谷氨酸共同激活NMDA受體，剩余的D型絲氨酸部分在突觸間隙內被稀釋，部分經氨基酸轉運體重新攝取入膠質細胞內，主要在D型氨基酸氧化酶的催化下代謝生成丙酮酸和氨（圖1）。

圖1 D型絲氨酸的合成存儲釋放機制[38]

4 D型絲氨酸與精神分裂癥的關系

1993年Hashimoto等[20]用生物化學的方法研究發現D型絲氨酸與NMDA受體平行分布，這引起了科學家的關注，因為這種分布提示D型絲氨酸可能和NMDA受體之間存在某種關系。1995年Matsu等[21]比較了D型型絲氨酸和甘氨酸對NMDA受體的激活效應，結果發現D型絲氨酸對NMDA受體的激活效應是甘氨酸的3～4倍，Priestley等[22]用細胞電生理的技術研究D型絲氨酸和甘氨酸對NMDA受體誘發細胞電位的影響，得出了相近的結論，1997年Schell等[15]采用免疫組織化學的研究方法發現D型絲氨酸與NMDA受體的分布一致，這些研究均提示D型絲氨酸與NMDA受體的作用有關。

后來研究表明D型絲氨酸具有與甘氨酸同樣的共激活作用，且比具有比甘氨酸更強的激活效能。用DAO預先處理的海馬切片和培養神經元，NMDA受體介導的神經傳遞顯著減少[6]；丘腦視上核是D型絲氨酸和SRR含量較高的區域，用DAO預處理后，該區域NMDA受體活性顯著下降[23]；在培養的海馬神經元中，如果減少或去除膠質細胞，NMDA受體介導的興奮性突觸后電位也會發生改變，主要由于浮于液體上層的D型絲氨酸濃度顯著下降所致，添加外源性D型絲氨酸可以逆轉NMDA受體活性[24]，這些證據提示D型絲氨酸可能與NMDA受體相互作用，改變NMDA受體活性。由于NMDA受體機能障礙被認為是精神分裂癥發生的病理生理因素，所以最近有學者將對精神分裂癥的研究轉移到D型絲氨酸方面，結果發現D型絲氨酸的水平異常或者參與D型絲氨酸合成代謝的酶基因異常均與的精神分裂癥有關[1,25-27]。

D型絲氨酸不僅對神經遞質的傳統觀念提出了挑戰，而且為NMDA受體過度興奮和下調所致的急慢性神經系統疾病提供了一種新的治療途徑。因此D型絲氨酸與精神分裂癥的關系也受到越來越多的關注。2007年Bendikov等人[27]研究發現精神分裂癥患者腦脊液中D型絲基酸的水平降低了25%，D型絲氨酸與L型絲氨酸的比值減小了23%，而頂葉皮層卻沒有變化，他們還分別對15例正常人和15例精神分裂癥、重度抑郁癥和雙相精神障礙的患者的額葉皮質和海馬區域的絲氨酸消旋酶和D型氨基酸氧化酶蛋白表達情況進行了研究，結果顯示，與正常人相比精神分裂癥、重度抑郁癥和雙相型精神障礙患者的額葉皮質和海馬區域絲氨酸消旋酶蛋白分別減少39%和21%，在額葉皮質D型氨基酸氧化酶無變化，而在海馬D型氨基酸氧化酶蛋白明顯增加。他們的研究結果進一步說明了精神分裂癥患者腦脊液D型絲氨酸水平是降低的。其原因可能是精神分裂癥患者腦內特定區域絲氨酸消旋酶活性降低合成量減少而D型絲氨酸氧化酶合成增加活性升高。這些結果均提示D型絲氨酸及其代謝相關的酶基因與精神分裂癥的病理生理過程密切相關。

最新的研究發現與DAO相互作用的G72基因與精神分裂癥的發生高度相關[28]，該基因是Chumakov等[14]研究精神分裂癥患者13q22-43連鎖區域圖是發現的，它定位于位于13q33，跨距5 Mb[15]，它編碼的G72蛋白能夠增強DAO的活性，代謝D絲氨酸，減少D絲氨酸含量，進而影響NMDA受體活性[14,16,30]。DAO和G72被認為是精神分裂癥的危險遺傳因素。

5 小結

綜上所述，D構象絲氨酸在中樞神經系統中主要由絲氨酸消旋酶將絲氨酸直接消旋而來，最終被D構象氨基酸氧化酶氧化。D構象絲氨酸作為NMDA受體的內源性配體，對經典神經遞質的概念提出了新的補充，同時它為NMDA受體過度興奮或者功能抑制所導致的急慢性神經系統疾病，提供了新的治療靶點。○Z

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2012-07-15）