內源性大麻素—生物合成、信號轉導及生物降解

唐雙奇，陸 陽

(上海交通大學醫學院，上海 200025)

1 大麻素系統

自上世紀90年代初首次從豬腦中分離得到N-花生四烯酰乙醇胺(AEA)，并確定其結構以來，已發現大麻素系統(endocannabinoid system，ECS)失調與脂類代謝障礙、神經功能紊亂等多種病理效應有關。ECS由內源性大麻素(eCBs)、大麻素受體及eCBs失活系統三個部分組成。深入研究ECS三個組成部分的功能，從而干預ECS的不同環節，可為臨床上治療肥胖、中風、炎癥等疾病提供新策略［1］。

2 eCBs的生物合成

eCBs 存在于中樞和外周組織中，包括長鏈飽和或不飽和脂肪酰胺、酯和醚(Tab 1)，其中AEA和2-AG生物活性最強。eCBs還包括棕櫚酰乙醇胺(PEA)、油酰乙醇胺(OEA)、O-花生四烯酰乙醇胺(virodhamine)、2-花生四烯基甘油醚(noladin ether)和N-花生四烯酰多巴胺(NADA)。eCBs激活大麻素受體能夠產生與△9-四氫大麻酚(D9-THC)類似的生理效應［2］。eCBs的研究主要集中于AEA和2-AG。

eCBs的產生具有時空特異性，它們與單胺類或乙酰膽堿等經典神經遞質不同，并非通過儲存—釋放途徑發揮作用，而是由膜磷脂前體“按需”合成釋放［3］。機體存在多條與外來刺激的性質和組織特點有關的eCBs生物合成途徑，并且這些刺激最終多數引起細胞內Ca2+濃度升高［4］。本文主要綜述N-酰基乙醇胺類(NAE)和2-AG的生物合成途徑。

Tab 1 Classification and structure of eCBs

2.1 NAE的生物合成途徑 NAE有三條以N-酰基磷脂酰乙醇胺(NAPE)為前體的重要生物合成途徑。細胞膜磷脂酰膽堿(PC)的sn-1酰基在N-酰基轉移酶(NAT)催化下轉移至磷脂酰乙醇胺(PE)形成NAPE;后者在不同酶催化下轉變為 NAE［5］。

2.1.1 NAPE-PLD途徑 NAPE在Ca2+依賴的 NAPE特異性磷脂酶D(NAPE-PLD)作用下水解產生NAE。近期發現腦內NAE還可通過N-酰基縮醛磷脂酰乙醇胺產生［6］。

2.1.2 ABHD4-GDE1 途徑 NAPE 在 α/β-水解 酶 4(ABHD4)催化下，經過兩次O-脫酰基反應，形成中間體甘油磷酰-N-酰基乙醇胺酯(GP-NAE)，隨后被膜蛋白甘油磷酸二酯酶1(GDE1)水解為 NAE［7］。中樞神經系統高度表達GDE1，該蛋白對含C16∶0，C18∶1和C20∶4結構的底物催化活性高。因此，GDE1活性對體內含上述結構NAE濃度的影響較NAPE-PLD大。

2.1.3 PLC-PTPN22/SHIP1途徑 NAPE在 PLC催化下水解為關鍵中間體N-酰基乙醇胺磷酸酯(pNAE)，隨后被酪氨酸磷酸酶(PTPN22)或含有SH2結構區域的肌醇磷酸酶(SHIP1)催化水解為NAE。巨噬細胞采用此途徑合成AEA，在脂多糖(LPS)刺激下，細胞內NAPE-PLD表達水平降低，而PTPN22、pAEA和AEA水平均上升;PTPN22基因沉默的RAW264.7細胞受LPS刺激，AEA水平降低，表明PTPN22在LPS誘導的AEA水平上升過程中起關鍵作用［8］。該途徑對不同NAE生物合成的選擇性待研究。

機體合成NAE的途徑主要取決于刺激的屬性、組織細胞特點、NAE酰基鏈的長度和不飽和度。上述3條NAE生物合成途徑可相互代償［8］。

2.2 2 -AG的生物合成途徑 2-AG產生受細胞去極化引起的Ca2+內流，Gq/11蛋白偶聯受體激活(如代謝型谷氨酸受體)等刺激誘導［9］。

2.2.1 PLC-sn-1-DAGL途徑 磷脂酰肌醇(PI)在磷脂酶C(PLC)作用下生成該途徑的關鍵中間體1-酰基-2-花生四烯酰甘油酯(DAG);磷脂酸(PA)水解酶催化水解PA也可以生成DAG，隨后被DAGL水解為2-AG。DAGL表達隨著年齡增長具有組織特異性改變，這種改變與某些老年性疾病密切相關［10］。

2.2.2 PLA1-lyso-PLC途徑 PI在磷脂酶 A1(PLA1)作用下生成中間體2-花生四烯酰溶血性磷脂酰肌醇(lyso-PI)，隨后被溶血性磷脂酰肌醇特異性磷脂酶C(lyso-PLC)水解為2-AG［11］。

2-AG的生物合成由細胞去極化或Gq/11偶聯受體激活引發［9］。刺激PLCβ基因敲除小鼠神經元的Gq/11偶聯受體(與2-AG信號轉導有關)，無2-AG介導的突觸遞質抑制現象，表明PLCβ是Gq/11偶聯受體下游效應器，在2-AG介導的信號轉導過程中起關鍵作用。

3 eCBs的靶點及其細胞功能調控

eCBs主要作用于大麻素受體(CBRs)，屬于七跨膜α螺旋G蛋白偶聯受體(GPCRs)，與Gi/o蛋白偶聯。CBRs有兩個亞型:大麻素Ⅰ型受體(CB1R)和大麻素Ⅱ型受體(CB2R)。CB1R主要分布于中樞神經系統，在成年哺乳動物大腦神經突觸前區域高度表達;CB2R主要分布于外周和免疫細胞，在白細胞高度表達。個別非神經細胞和組織中發現存在CB1R，同時在腦干和活化的小膠質細胞中也存在CB2R［12］。某些eCBs能激活孤兒受體GPR55，該受體可能是大麻素Ⅲ型受體［13］。AEA能激活非選擇性陽離子通道I型辣椒素受體(TRPV1)，而2-AG無該作用，AEA也稱為內源性辣椒素［14］。核受體過氧化物酶體增殖物活化受體(PPARs)也是eCBs的作用靶點之一［15］。

3.1 大麻素受體

3.1.1 CB2R CB2R主要表達于免疫細胞，CB2R激活的免疫學意義包括調節免疫細胞釋放細胞因子及淋巴細胞向中樞或外周遷移。敗血癥引起CB2R表達上調，并激活多種eCBs生物合成途徑或減少eCBs代謝酶的表達引起免疫細胞eCBs上升［16］，表明CB2R功能的發揮很大程度受外部刺激的影響。

3.1.2 CB1R CB1R主要位于海馬和基底神經節區域，并在腦內與D9-THC精神活性有關的區域高度表達。CB1R的功能主要受細胞膜中微區域“脂筏”(lipid rafts)的影響，“脂筏”能夠調節CBRs-依賴的信號通路，該調節作用主要取決于細胞膜膽固醇含量，高濃度AEA引起的肝臟星形細胞壞死能被膽固醇耗竭劑抑制［17］。CB1R主要參與中樞逆行性信號轉導，其過程大致為:活化的突觸后神經元釋放eCBs，eCBs逆向作用于突觸前CB1R，調節神經細胞膜對Ca2+、K+的通透性和AC活性，最終導致GABA能、谷氨酸能等神經元遞質釋放。此逆行性信號轉導與突觸可塑性密切相關［18］。

eCBs激活CBRs后，由Gi/o蛋白介導信號轉導。Gi/o蛋白活化后，其α和βγ亞單位分離。Gα亞單位能抑制AC活性，從而抑制ATP轉化為cAMP，阻斷cAMP/PKA及PKC/JNK信號級聯［19］，影響后續作用靶點的效應，如cAMP反應元件結合蛋白/活化轉錄因子(CREB/ATF)［20］。Gβ/γ 亞單位能夠通過激活磷脂酰肌醇-3激酶(PI-3K)，增強PI-3K/PKB/Akt信號，促進細胞生長分化［21］或通過調節 ERK1/2磷酸化，促進髓鞘再生［22］。CBRs激活也可通過cGMP形成和cAMP減少抑制Ca2+通道，激活K+通道(Fig 1)。

Fig 1 Signal transduction of CBRs

3.2 GPR55，TRPV1和 PPARs受體 eCBs除了作用于CBRs外，還能與GPR55，TRPV1和PPARs等受體作用，從而調控非依賴CBRs的細胞功能(Tab 2)。

Tab 2 Effects of GPR55，TRPV1，PPARs activated by eCBs

3.2.1 GPR55 大麻素的某些生理作用(如止吐作用)可能非依賴于CBRs，這些作用與機體中尚未被發現的CBR亞型有關［12］。近期對CBR亞型的探索主要集中于GPR55，該受體被AEA和2-AG激活后，胞質Ca2+濃度上升，小G蛋白RhoA、Rac和 Cdc42被激活［23］，ERK 磷酸化。

3.2.2 TRPV1 AEA的內源性辣椒素活性能引發胞質Ca2+濃度升高，半胱天冬酶活性增強，細胞色素C釋放增加，線粒體解偶聯增加及促凋亡激酶活化等生理效應［14］。CB1R敲除的小鼠仍表現AEA的某些大麻素樣效應，可能與AEA對TRPV1的完全激動作用有關。

3.2.3 PPARs eCBs激活 PPARs后，能產生某些與激活CBRs相反的生理效應，包括細胞內活性氧(ROS)增加;酪氨酸激酶表達上調;脂肪連接蛋白和脂蛋白脂酶表達上調。從而參與機體炎癥反應、神經保護、脂肪代謝和認知功能調節等過程［15］。

4 eCBs的生物降解

eCBs發揮相關生理作用后，立即被重攝取、水解、失活。AEA和2-AG的主要水解酶分別為脂肪酰胺水解酶(FAAH)和甘油一酯酶(MGL)，也能被其他酶催化轉變為生物活性物質，如被COXII轉化為前列腺胺/酯［24］。

4.1 eCBs的重攝取 eCBs在細胞內水解，機體存在加速eCBs內移的機制(Fig 2)。eCBs跨膜轉運體(EMT)介導eCBs內移，其分子特征有待確證。AEA的初攝取速率對存在重攝取抑制劑不敏感，但隨著FAAH活性的下降，AEA攝取速率減慢，即細胞對AEA的攝取具有時間依賴性［25］。因而，細胞攝取AEA的速率受FAAH活性控制，可能是通過維持細胞內外AEA濃度梯度發揮該控制作用。細胞膜膽固醇含量影響其對AEA的攝取能力。AEA能與細胞膜內膽固醇形成復合物，將影響AEA攝取速率［17］。類FAAH-1大麻素轉運體(FLAT)［26］、脂肪酸結合蛋白(FABP)和熱休克蛋白70(hsp70)介導 eCBs跨膜后轉運［27］。

Fig 2 Reuptake mode of AEA

4.2 eCBs的水解 eCBs被重攝取后，AEA主要被FAAH催化水解失活，分解為花生四烯酸(AA)和乙醇胺;而2-AG則主要被MGL催化水解失活，分解為AA和甘油。

4.2.1 NAE 水解酶

4.2.1 .1 FAAH FAAH基因敲除或用藥理學方法抑制該酶活性將導致中樞和外周系統NAE水平明顯上升［28］，提示FAAH強烈促進NAE水解。FAAH主要存在于內質網，具有容納NAE的酰基部分的酰基鏈結合通道和使乙醇胺離去基團進入細胞質的端口［29］。

4.2.1 .2 FAAH-2 該酰胺酶具有 Ser-Ser-Lys催化結構，主要位于細胞質的脂滴中，對NAE水解活性較FAAH弱［30］。因此，該酶可能主要參與外周NAE水解;而FAAH失活時，FAAH-2可能為NAE的主要水解酶。

4.2.1 .3 NAAA N-酰基乙醇胺水解酸性酰胺酶(NAAA)在免疫細胞(尤其巨噬細胞)中高度表達，主要位于溶酶體中。NAAA在酸性條件下活性較高，對PEA較其它NAE的水解活性強［31］。PEA具有抗炎作用，在細胞炎性反應中，NAAA活性較高，因此，抑制NAAA活性可能是治療中樞神經和外周炎癥的有效途徑之一。

上述3種NAE水解酶的組織分布特異性表明它們在調節NAE水平時，發揮各自不同的功能。FAAH是中樞神經系統AEA的水解酶，FAAH-2與NAAA的作用有待進一步研究。FAAH抑制后，多種NAE水平均有所上升，這是FAAH抑制劑導致多種生理效應的基礎。

4.2.2 2-AG 水解酶

4.2.2 .1 MGL MGL在神經細胞突觸前高度表達，是控制2-AG逆行性信號持續時間的關鍵酶［32］。抑制MGL活性能有效提高中樞和外周2-AG水平，增強CB1R依賴的生理效應［33］。

4.2.2 .2 FAAH 某些MGL活性抑制、免疫耗竭或MGL基因沉默的細胞同樣具有水解2-AG的能力，表明機體存在其他2-AG能提高某些組織2-AG水平［34］。FAAH抑制或基因敲除對2-AG水平無影響［35］。體外實驗表明FAAH能有效催化2-AG水解;而運用氨甲基酸酯FAAH抑制劑FAAH對2-AG的水解活性可能具有組織或生理/病理條件特異性。

4.2.2 .3 ABHD6/12 小鼠大腦內，α/β 水解酶 12(ABHD6/12)催化大部分非MGL途徑2-AG的水解。MGL、ABHD6和ABHD12的細胞分布不同，表明它們具有組織特異性，分別調節機體不同區域的2-AG信號［36］。

5 結語

ECS與神經保護、記憶、腫瘤、肥胖、免疫功能調節和心血管系統疾病［37］等多種病理、藥理作用有關。盡管大量體外實驗表明作用大麻素受體的藥物具有神經保護作用，但臨床直接應用此類藥物尚需解決以下問題:首先，CBRs在體內分布廣泛，直接作用CBRs的藥物缺乏組織選擇性;其次，直接作用CBRs的藥物多數易被體內酯酶或酰胺酶水解，影響藥效持續時間和強度。機體采用“按需”合成方式釋放eCBs，因而eCBs的生物合成具有時空特異性。通過eCBs水解酶抑制劑調節eCBs的代謝過程，可有效改變靶組織eCBs水平而不影響正常組織，具有作用的靶向性。目前多使用FAAH抑制劑調節靶部位eCBs濃度，延長eCBs在靶部位的作用時間和強度，發揮靶向神經保護作用。

對內源性大麻素代謝途徑的深入研究有助于揭示大麻素系統生理、病理作用，將加速ECS相關疾病治療藥物的研發和新型治療策略的探索。

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