離子型谷氨酸受體在長時程增強產生機制中的研究進展

李明超 葉 云 劉 遠 張 祚 周吉銀△

1)陸軍軍醫大學第二附屬醫院國家藥物臨床試驗機構，重慶 400037 2)西南醫科大學藥學院，四川 瀘州 646000 3)西南醫科大學附屬醫院藥劑科，四川 瀘州 646000

糖尿病認知功能障礙作為糖尿病的嚴重并發癥，帶來極大的社會和經濟負擔。目前糖尿病認知功能障礙的發病機制仍不完全清楚。研究顯示，海馬是參與學習記憶功能的關鍵腦區，大腦學習記憶能力的神經生物學基礎為海馬突觸可塑性，而突觸可塑性的重要表現形式即為長時程增強(Long-term potentia-tion，LTP)，其在糖尿病認知功能障礙發生發展過程中充當著十分重要的角色[1]。離子型谷氨酸受體分為三種亞型：N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體、α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionicacid，AMPA)受體和紅藻氨酸(kainate，KA)受體，其中NMDA受體(NMDAR)和AMPA受體(AMPAR)在LTP的誘導發生過程中具有十分重要的作用。對谷氨酸受體的調控能間接調控LTP，進而改善糖尿病認知功能障礙。

1 突觸可塑性

突觸可塑性作為一種學習記憶的機制，是指突觸在一定條件下形態和功能發生改變的特性[2]。廣義的突觸可塑性分為兩種，即結構的可塑性和功能的可塑性。結構的可塑性指突觸的形態結構完整性，在認知功能障礙發展進程中，具有突觸數量減少、變性、囊泡減少、連接間斷等表現，進而影響突觸功能。功能的可塑性指傳遞效能的改變，主要包括反映突觸信息貯存水平的LTP和長時程抑制。作為細胞水平研究學習記憶能力的生物學基礎，LTP和記憶的發生與維持有關，而長時程抑制和記憶的消失與重整有關[3]。

海馬是參與學習記憶功能的關鍵腦區，是信息儲存的重要場所。糖尿病的海馬CA1區表現出突觸數量降低、結構模糊、間隙變寬和突觸后致密物厚度減少等一系列病變特征，且隨著病程的延長而病變程度逐漸加重。有研究表明認知功能障礙與突觸數量的丟失呈正相關[4]。糖尿病能影響海馬突觸可塑性，引起海馬內神經病變，此結果與其行為學表現相一致[5]。

2 LTP的形成條件

挪威科學家Tim Bliss和Terje Lomo首次于1973年發現，在家兔的海馬短波高頻電刺激海馬后，突觸傳遞效率和強度增加數倍，且能持續數小時至幾天這種增強的現象，將這種與學習記憶過程高度相似的現象稱為LTP[6]。在藥理學、遺傳學及生理學等領域，LTP作為突觸可塑性和學習記憶的理想模型，在深入研究突出可塑性與學習記憶的關系中廣泛應用。LTP活動的降低與空間學習記憶能力損傷密切相關。LTP是細胞水平研究誘導和維持學習記憶的重要基礎和神經細胞電生理活動的重要指標。按持續時間的不同分為兩類，即對應長時記憶的晚時相LTP和對應短時記憶的早時相LTP[7]。

神經系統電生理傳遞的一般過程：短波高頻電刺激，興奮性神經遞質谷氨酸在突觸前膜釋放，谷氨酸與突觸后膜的受體結合，使相應的離子通道開放，導致一系列級聯反應，觸發突觸后神經細胞電活動的產生。LTP最易在大腦海馬中出現，具有三個特征：關聯性、協同性和特異性。以上特性說明了LTP是學習記憶活動的重要生物學基礎，使得LTP既是反應海馬功能可塑性的重要指標，同時也是研究認知功能障礙的良好模型。LTP形成的條件包括興奮性神經遞質在突觸前膜的釋放，突觸后膜去極化使NMDAR通道打開和離子通道打開使Ca2+內流。

3 LTP產生的分子機制

谷氨酸是中樞神經系統的主要興奮性神經遞質，當高頻刺激時，突觸前膜釋放谷氨酸，作用于突觸后的離子型谷氨酸受體。激活的NMDAR一方面誘導LTP的產生，另一方面正向調節突觸前遞質的釋放。突觸后去極化釋放Mg2+，打開NMDAR的離子通道，然后Ca2+通過NMDAR離子通道流入樹突棘。其中Ca2+的內流觸發了一系列生化反應，從而誘導了LTP的產生。其中兩種類型的谷氨酸受體與LTP的形成密切相關，即NMDAR和AMPAR。

在海馬中，存在兩類特殊的突觸。一類是不攜帶正常的信息處理功能，沒有活性，突觸只表達NMDAR一種受體，我們稱之為“靜默突觸”；另一類是攜帶正常的信息處理功能，突觸表達NMDAR和AMPAR兩種受體。LTP是神經細胞之間的相互聯系得到加強的表現，大概的流程概括為：當受到短波高頻刺激，興奮性神經遞質谷氨酸在突觸前神經細胞大量釋放，與NMDAR相關的Ca2+通道打開，使Ca2+內流，升高胞內Ca2+濃度，從而觸發一系列細胞內生化反應，最后從細胞內的AMPAR進入或表達在沒有活性的突觸兩方面，轉變為有活性的突觸。LTP的常見分子機制為：突觸后膜去極化使NMDAR激活，打開離子通道使得Ca2+內流，內流的Ca2+與細胞內鈣調蛋白(calmodulin，Ca M)相結合，形成Ca2+/Ca M復合物，然后使得鈣/鈣調素依賴蛋白激酶-II(Calcium/calmodulin-depend protein kinase-II，Ca MKII)激活和磷酸化，最后AMPAR在突觸后膜聚集，產生電導增加的現象，標志著LTP誘導發生的完成。

4 LTP產生的相關受體

在中樞神經系統中，谷氨酸作為主要的興奮性神經遞質，使得其在神經回路形成、突觸發生發展和突觸可塑性等方面起著非常重要的作用。谷氨酸受體可分為離子型谷氨酸受體和代謝型谷氨酸受體。其中，離子型谷氨酸受體按照藥理學性質、分子性質以及電生理特性，具有三類亞型：即NMDAR、AMPAR和KAR[8]。過度激活興奮性神經遞質谷氨酸會產生興奮毒性作用，導致神經細胞的損傷。谷氨酸的興奮性毒性在慢性神經退行性疾病及各種神經性損傷比較常見，如腦缺血缺氧、創傷性腦損傷、阿爾茲海默病、帕金森病、艾滋病腦病、側索性硬化、亨廷頓舞蹈病、癲癇等疾病。

4．1NMDARNMDAR既受電壓門控也受遞質門控，是一種獨特的雙重門控通道。其包含了三種亞基，即NR1亞基、NR2(A-D)亞基和NR3(A-B)亞基，而根據亞基的不同，又有著不同的解剖分布和生理學特性。

作為離子型谷氨酸受體之一，NMDAR參與多種調節神經遞質的過程，在觸發LTP產生的過程中起著十分重要的作用。NMDAR是一種異四聚體結構[9]，NMDAR有三種亞基，即NR1亞基、NR2亞基、NR3亞基。不同的亞基具有不同的特性，NR1亞基是NMDAR中特殊的功能型亞基；NR2亞基則是NMDAR中最重要的調節型亞基，在突觸可塑性中發揮著關鍵作用[10]，又分為4種類型：NR2A、NR2B、NR2C和NR2D，其中，如果NR2亞基單獨存在，就沒有離子通道功能，當NR1亞基與NR2亞基形成復合體后，離子通道功能才有離子通道功能。YASHIRO等[11]提出，在這幾種類型中，NR2B在增強學習和記憶能力過程中最容易誘導出LTP，而稱為“聰明基因”。此外，1999年TANG等[12]發現在小鼠腦部海馬中NR2B亞基過量表達與對照組相比，能夠顯著地提高其空間學習記憶能力，在各項動物學習記憶等測試中表現更加優秀；NR3亞基分為NR3A和NR3B兩種不同的單位，是NMDAR中重要的抑制型亞基[13]，抑制NMDAR的電生理敏感度，具有NMDAR電流的負調控特點。主要原因在于，NR3A可抑制Ca2+在離子通道的通透性和對Mg2+敏感性，從而下調NMDA誘導的電流峰值。

NMDAR在LTP誘導發生過程中起著關鍵作用，NMDAR是目前已知的最重要的LTP的“觸發器”[14-15]，其關鍵作用主要表現在NMDAR-Ca MKII-AMPAR這一過程中。

NMDAR誘導LTP的發生是通過調節Ca2+內流來實現的。靜息狀態下，因為NMDAR上有Mg2+的結合，從而抑制Ca2+的內流。當突觸后膜去極化或興奮性神經遞質從突觸前膜釋放時，NMDAR激活，通過釋放Mg2+打開離子通道，使得Ca2+內流，Ca2+和Ca M結合形成復合物，從兩方面的作用誘導LTP的產生。一方面通過激活NMDAR的NR2B亞基上的Ras GEF，Ras轉變為活性狀態，最終導致AMPAR的Glu R1亞基向突觸后膜聚集，誘導LTP產生；另一方面通過結合在NMDAR的NR2B亞基上的Ca MKII激酶活化，然后Ras GEF和Ras GAP兩方面對Ras-ERK通路進行調控，誘導LTP產生[16-18]。

NR1亞單位廣泛分布于中樞神經系統，是NMDAR中特殊的功能亞基。在大鼠生長發育期中，NR1亞基的表達量呈動態變化[19]。與青年大鼠相比，老齡大鼠在電頻刺激海馬腦片后檢測NR 1亞基表達無明顯變化[20]?？梢奛R1亞基表達量與年齡有關。TSIEN等[21]研究表明，特異性敲除小鼠海馬CA1區中的NR1基因，會導致小鼠空間學習記憶障礙；同時，有研究表明老鼠CA1區中的NR1基因缺失會使其新事物探究能力的下降[22]。此外，NAKAZAWA等[23]證明，特異性敲除小鼠海馬CA3區中的NR1基因，會導致小鼠在迷宮實驗中穿臺次數顯著減少。由此可知，NR1亞基在LTP的產生過程中有重要作用。NR2B亞基對空間學習記憶和神經突觸性起十分關鍵的作用。在海馬CA1區中，NR2B水平與神經細胞樹突棘密度呈正相關，隨著NR2B水平的增加，神經細胞樹突棘密度增加，促進空間思維和學習記憶能力[24]。斯坦福大學、加州大學舊金山分校和麻省理工學院發現，艾芬地爾作為一種NMDAR的NR2B選擇性拮抗劑，具有降低NMDAR介導的一系列突觸反應的作用，從而降低LTP反應[25]；而當小鼠的NR2B基因過量表達，空間學習記憶能力有顯著的增強[12]；神經退行性疾病與NMDAR損傷緊密相關，如阿爾茲海默病等疾病[26]，可以通過提高NR2B亞基表達水平，增加NMDAR功能，增強LTP反應，改善學習記憶能力[27]。NR3是NMDAR的重要亞單位，它有兩種亞型，即NR3A和NR3B[28]；在大鼠發育過程中，NR3A亞基參與突觸前神經遞質的釋放和神經元的可塑性調節[29]。研究顯示[30-32]，轉基因NR3A小鼠，能使樹突棘密度和大小降低，突觸傳遞減弱，LTP減弱，而特異性敲除NR3A亞基后，學習和記憶能力有著明顯的改善[33]。相反，NR3B亞基在突觸部位的表達則能促進神經元的成熟[34]。故由于其獨特的結構及藥理特性可為一些神經性疾病提供潛在的治療靶點[35-36]。

4．2AMPARAMPAR是離子型谷氨酸受體之一，由Glu R1、Glu R2、Glu R3、Glu R4四個亞基組成的四異聚體。在哺乳動物中樞神經系統中廣泛分布并調節著大多數快速興奮性神經的傳遞。在成年海馬AMPAR主要是由Glu R1與Glu R2或Glu R3與Glu R4所組成的異聚體。每個亞單位都是四個部分即N端、跨膜區域、發夾結構和C端[37]構成。其中不同亞基具有不同C端，通過與胞質蛋白互相作用來調控AMPAR的遷移與定位，使得不同的亞基與胞質蛋白的作用有所差異。

Glu R1是AMPAR的重要亞基之一，增加Glu R1在突觸膜上的插入，增強突觸傳遞效率，它對于突觸可塑性及空間記憶的保留是必需的[38-39]。Glu R1的磷酸化水平對調節AMPAR功能具有重要意義，其主要的磷酸化位點是Ser831和Ser845[38]。在LTP產生的分子機制中，Ca2+濃度下降后，Ca MKII仍表現出較長時間活性。其可作用于Glu R1亞基的磷酸化，調節AMPAR受體在突觸后膜的移動，加強AMPAR單通道傳導作用。而在敲除了Glu R1基因的動物中，雖然具有正常的傳導作用，但是不能誘導LTP啟動發生。綜上所述，Ca MKII介導的Glu R1亞基的磷酸化對于LTP的啟動發生具有重要意義。

Glu R2是AMPAR的重要功能性亞基，在AMPAR功能調節方面具有關鍵作用。在哺乳動物發育階段早期，Glu R2亞基的表達比Glu R1亞基的表達要少，但是出生后7 d內迅速增加[39]，其表達水平和AMPAR的通道的傳導、離子的通透性以及移動等有密切關系。Glu R2被稱為AMPAR的“分子開關”[40]。當小鼠的Glu R2基因被敲除后，使得神經傳遞效能顯著下降，最終導致認知功能障礙；AMPAR具有Glu R2亞基時，Ca2+不能通過，當AMPAR活化后，Na+、K+能夠進出，從而誘發興奮性突觸后電位(excitatory postsynaptic potential，EPSP)的產生，打開NMDAR通道，誘導LTP產生。AMPAR在學習記憶能力的突觸可塑性中占據重要地位，其遷移進入突觸后膜與LTP的誘導發生有關，調控認知學習能力[41]。有一部分已被電生理和免疫組化研究證實不表達AMPAR且沒有活性的突觸，稱作為“靜息突觸”。研究顯示，LTP產生的重要機制就是這種轉化作用[42-43]。

由于對Ca2+的高度通透性，NMDAR的過度激活被認為是引起神經損傷的首要因素，而后來“靜息突觸”的發現和“Glu R2假說”的提出，讓我們意識到AMPAR在LTP誘導過程中的關鍵作用[44-45]。靜息狀態下，神經突觸上AMPAR的數量不足1%[46]，當高頻刺激產生LTP時，突觸后膜發生去極化，NMDAR離子通道開放，Ca2+內流，與細胞內Ca M結合，激活Ca MKⅡ?；罨腃a MKⅡ通過調節Ras GEF或Ras GAP的活性，從正反兩個方向調節Ras-ERK通路活性，使AMPAR從其他部位聚集到突觸部位。另外，Ca2+/Ca M結合Ca2+可直接激活Ras GEF(Ras GRF1)使Ras活化，激活Ras-ERK通路，通過神經活性的驅動，使AMPAR的Glu R1及Glu R1/Glu R2亞單位向突觸中遷移。“靜息突觸”可被激活，轉變為具有功能的突觸，從而誘導LTP啟動產生[16-18]。

4．3CaMKIICa MKII是一種絲氨酸/蘇氨酸特性的蛋白激酶，在腦內含量約為總蛋白量的1%～2%，在學習記憶的突觸可塑性中充當重要的角色。Ca MKII具有α、β、γ和δ四種亞基，亞基由四個結構域構成，即自身抑制結構域、自身磷酸化結構域、催化活性結構域以及一段自由可變區[48]。其中，自身抑制結構域具有重要的作用，由于自身抑制結構域的存在，在正常的情況下沒有催化活性，當與Ca2+/Ca M結合后，構象改變，具有催化活性，然后結合在NMDAR的NR2B亞基胞內C端，Ca MKII能保持活性狀態，通過激活Ras-ERK通路，誘導LTP啟動產生[48]。當大鼠海馬區Ca MKII過量表達的時候，LTP表現出明顯的增強，學習記憶能力增強[25]；而當敲除Ca MKII基因，LTP表現出明顯的的減弱，認知功能下降[49-50]，這充分證明了Ca MKII在誘導LTP啟動產生的重要作用，在改善認知障礙中的重要意義。

5 小結

糖尿病認知功能障礙已成為目前糖尿病并發癥研究熱點之一，因其對社會與家庭的危害巨大，預防與治療糖尿病認知功能障礙已迫在眉睫，深入的機制研究是探求有效治療方案的基礎。LTP是糖尿病認知功能障礙的發生發展中的關鍵一步，其誘導發生過程相當復雜。離子型谷氨酸受體在LTP誘導發生過程中起重要作用，但離子型谷氨酸受體在LTP產生機制中的研究相對較少，深入探討谷氨酸受體在其中的確切作用，對于認知障礙的預防與治療具有重要意義。