N-甲基-D-天冬氨酸受體分布與功能研究進展*

畢 翻 綜述，魏 娜 審校

(貴州醫科大學病理學教研室，貴陽 550004)

興奮性氨基酸受體是哺乳動物中樞神經系統中重要的興奮性神經遞質受體，負責調節神經系統功能，其中谷氨酸(Glu)含量最為豐富。Glu受體分為離子型和代謝型。離子型Glu受體又分為N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體和非NMDA受體(α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體、代謝性谷氨酸受體、L-2-氨基-4-磷丁酸受體、海人藻酸受體)[1]。其中,NMDA受體是Glu受體的主要亞型。NMDA受體參與學習記憶、樹突和軸突結構發育、突觸可塑性、神經系統退行性疾病等生理病理過程。NMDA受體的分布及表達異常，影響突觸信息的傳遞和處理，進而導致神經功能異常。本文對NMDA受體的結構分布、生理功能和介導的興奮性神經毒性進行闡述。

1 NMDA受體的結構及分布

NMDA受體是由不同亞基構成的異四聚體。其基本組成亞基有3種，即NR1、NR2(NR2A-2D)、NR3(NR3A、NR3B)[2]。其中，NR1亞基是基本功能亞單位，是NMDA受體擁有細胞膜受體功能的必需成分[3]。NR1亞基的缺失，將嚴重影響NMDA受體的功能。NR1亞基通過與NR2亞基結合，才能形成高度活性功能的NMDA受體通道,調節Ca2+的內流[2,4]。此外，NR1亞基上存在NMDA受體激動劑之一的甘氨酸(Gly)結合位點。NMDA受體的激活需要激動劑Gly的輔助。而NR2亞基是NMDA受體的調節亞單位。NR2亞基分為NR2A、NR2B、NR2C和NR2D 4種。NR2亞基在很大程度上決定NMDA 受體激動劑親和力、單通道電導、Ca2+滲透性和Mg2+敏感度的敏感性等生理功能[5]。除此之外，NR2亞基上有Glu結合位點。Glu儲存在突觸囊泡內，當神經元去極化，囊泡內的Glu以Ca2+的依賴方式釋放至突觸間隙，與突觸后的NMDA受體結合發揮功能,因而NDMA受體的功能受NR2亞基與興奮性氨基酸結合量的影響。NR2A和NR2B與Glu的親和力普遍比NR2C和NR2D 2種亞基強，因此臨床研究相對集中于NR2A和NR2B 2種亞基。而NR3亞基是較晚發現的亞單位，主要發揮神經保護的功能。NR3亞基同NR1亞基形成的二聚體，對Mg2+敏感性高，通過降低NMDA受體的單通道電導和Ca2+滲透性，抑制NMDA受體的活性，從而減少NMDA受體過度活化引起的興奮性神經毒性[6]。一般觀點認為,一個功能性的NMDA受體通常是1個四聚體離子通道，由2個必需亞基NR1和2個調節亞基NR2(A-D)組成[7]。在靜息電位狀態下,NMDA通道被Mg2+阻滯，功能受到抑制。當突觸后膜去極化伴Glu和Gly激動劑與NMDA受體相應位點結合，NMDA通道開放，Ca2+、K+等陽離子進出細胞內，維持神經元功能。

NMDA受體主要分布在神經系統，但是各亞基在時間和空間上分布表達卻存在著特異性。NR1亞基在中樞神經系統廣泛表達，在整個腦發育的過程中都發揮重要作用。NR1在出生時各區表達較低，20～30 d達到成年水平,而成年后高水平分布在海馬。與NR1不同的是，NR2亞基會隨著腦發育不斷發生變化。在NR2家族中，NR2A主要分布在端腦、丘腦等部位。NR2A在出生后2周基本檢查不到任何變化，之后部分代替NR2B直至大腦成熟。NR2B主要分布在皮層和海馬、紋狀體等部位均有分布。在發育早期，NR2B在所有的NR2亞基中表達最強，出生后2周達到高峰，又穩步下降[8]。由于其分布位置的特殊性，NR2B被認為是與學習記憶密切相關的NMDA受體亞基類型，其表達下降往往伴隨記憶力的下降。NR2C出現較晚，主要在小腦表達。NR2D廣泛分布于成年哺乳動物的前腦、腦干等部位,在出生后的18 d達到高峰[5]。在NR3家族中，NR3A較NR3B分布廣泛。NR3A在大腦皮質、海馬、中腦的表達量較高，在出生后表達逐漸下調[9]；NR3B主要分布在運動神經上,在前腦、海馬等部位也有所表達[10]。

突觸是Glu釋放的部位，也是神經元信息傳遞的關鍵部位。在一些研究中表明，突觸內外的NMDA受體失衡是某些神經系統疾病的重要發病機制之一，因此NMDA受體在突觸表達成為研究熱點。起初，人們認為NMDA受體僅存于突觸后致密部(PSD)。隨著研究的深入，學界發現NMDA受體還存在PSD以外的部位，于是稱前者為突觸上NMDA受體，后者為突觸外NMDA受體。突觸NMDA受體數量和部位并非一成不變。隨著大腦發育成熟，突觸NMDA受體亞單位發生遷移。在突觸上，NR2A分布較NR2B廣泛；而突觸外，NR2B分布較NR2A廣泛[7]。NR2B主要存在突觸外細胞膜，可以引起Ca2+持續緩慢內流，Ca2+超載，活化突觸外的NMDA受體，導致鈣穩態失衡及神經元細胞損傷[11]。而突觸內的NR2A可引起短暫快速的Ca2+內流，提高細胞興奮性，因此，突觸內NMDA受體具有神經保護作用，而突觸外NMDA受體通過激活相應的信號轉導通路誘導細胞變性甚至死亡[12]。對阿爾茲海默病等神經退行性疾病機制的研究也證實了突觸內外NMDA受體失衡參與神經退行性疾病發病過程的觀點[13]。因此，研究NMDA受體在突觸內外分布的改變可以為神經退行性疾病治療提供新的思路。

2 NMDA受體生理功能

2.1突觸可塑性 突觸是神經沖動由一個神經元傳遞到另一個神經元的部位，是信息傳遞的橋梁。突觸前神經元釋放Glu,通過突觸后的NMDA受體結合，將信號傳遞到突觸后膜，使突觸后電流(EPSC)增加，產生一系列生化聯級反應，導致突觸可塑性。此外，一些實驗研究發現，突觸出現輪廓改變和損傷可引起認知功能下降。由此可見，突觸的形態和結構對于維持突觸的功能有重要意義。

突觸可塑性是指突觸功能隨形態發生變化，長時程增強(LTP)和長時程抑制(LTD)是突觸可塑性的兩種表現形式。在海馬區，高頻的刺激引起突觸后膜的NMDA受體活化，提高信息傳遞效率，誘導LTP的形成，反之則引起LTD。LTP是學習記憶的基礎，更是被認為是評價突觸可塑性的重要指標，因此LTP一直是研究的焦點。LTP的誘導主要包括:(1)突觸后膜去極化；(2)NMDA受體激活；(3)Ca2+內流。研究顯示，NMDA受體在介導中樞神經系統突觸興奮性傳遞中發揮重要作用[14]。NMDA受體激活，解除Mg2+對Ca2+的阻滯，Ca2+內流入突觸后膜，從而誘導LTP。Ca2+大量內流的同時，促進CaMKⅡ的表達激活，從而通過CaMKⅡ的磷酸化使NMDA受體的磷酸化程度增加，提高突觸信號傳遞的有效性[15]。海馬區存在兩種形式LTP，即依賴于NMDA受體的LTP和不依賴于NMDA受體的LTP。與NMDA受體介導的LTP不同的是，不依賴于NMDA受體的LTP不需要高頻的刺激，而是經電壓依賴的Ca2+通道(VDCC)增加Ca2+內流發揮作用[16]。但是，海馬區主要以NMDA受體介導的LTP為主。

NR2亞基上有Glu結合位點和細胞內C-末端結構域，通過與突觸后蛋白相互作用，調節NMDA受體作用，其中NR2A和NR2B是NR2家族中重要的兩個亞型，在大腦皮層特征性發育中具有重要意義。然而目前的研究中，NR2A和NR2B在突觸可塑性的作用仍存在較大爭議。LI等[17]選擇性抑制NR2B沒有達到阻止LTP誘導的作用，然而選擇性抑制NR2A卻抑制了LTP的產生，結果表明NR2A有助于LTP的誘導。但BALLESTEROS等[18]卻認為相比NR2A，NR2B更能促進Ca2+內流，通過與CaMKⅡ作用促進LTP長時間維持，而NR2A只能促進LTP短暫的維持。目前，對于哪種亞單位在LTP的誘導中發揮主要作用尚無定論，需進一步研究證實。

2.2學習記憶 海馬是大腦邊緣系統重要組成部分,海馬結構受損,動物維持記憶的能力也將下降。海馬的神經細胞突觸后膜存在大量的NMDA受體,因此NMDA受體被認為是學習和維持記憶的重要物質。研究人員發現，大腦的記憶力下降與大腦海馬區NMDA受體表達異常有關[19]。

Morris水迷宮是用于評價學習和記憶的經典實驗，現在廣泛應用于研究動物的空間學習記憶能力。其中，逃避潛伏期是判斷記憶能力的一個重要指標。逃避潛伏期越長，動物的記憶力受損程度越嚴重[20]。趙寶敏等[21]通過永久性結扎雙側頸總動脈方法建立血管性癡呆大鼠模型進行的研究發現，與正常大鼠相比，癡呆大鼠在Morris水迷宮試驗中的逃避潛伏期明顯延長。此外，Western blot檢測結果顯示NR1、NR2A、NR2B蛋白表達明顯下降。反之，NMDA受體過度表達，Ca2+大量內流超載，致使神經元損傷，最終也會導致學習和記憶力水平下降[19]。這充分說明NMDA受體與學習記憶的密切聯系。

NR1亞基是NMDA受體的基本功能亞單位。NR1亞基的減少將影響NMDA受體的整體數量。NR2亞基是NMDA受體的調節亞單位，其在機體中的表達與大腦記憶、認知功能密切相關，被稱為“聰明基因”的NR2B與學習記憶關系更為密切。NR2B亞基不能單獨發揮功能，只能通過和NR1亞基形成異四聚體才能發揮功能。NR2B亞基激活后，通過CaMKⅡ作用促進LTP的形成，LTP反過來促進NR2B的表達，從而增強學習記憶的功能[15]。LTP是學習和記憶的基礎。在病理條件下，NMDA受體表達異常，NMDA受體反應性降低抑制了LTP的誘導，影響記憶和認知功能。近年研究發現，在衰老大鼠中NR2B表達下降且伴隨記憶缺陷[22]。隨著年齡增長，NR2B減少并逐漸被NR2A取代，誘導LTP的功能受損。

2.3疼痛 疼痛是一種不愉悅的主觀感受，常常伴有實質或潛在的組織器官損傷。研究發現，NMDA受體不僅在神經系統廣泛表達，且沿著疼痛途徑分布。NMDA受體在病理狀態下與誘發和維持疼痛有密切聯系。雌激素、腦源性神經營養因子(BDNF)、絲氨酸等物質在NMDA介導的疼痛反應中發揮了重要作用。

雌激素是維持女性第二性征的主要物質，通過調節體內氧化還原平衡發揮神經保護作用。雌激素與雌激素受體結合后，可能參與促進NMDA受體激活和Glu釋放的過程。DENG等[23]建立大鼠慢性坐骨神經損傷慢性神經痛模型，研究結果表明機體雌激素水平的上升會增加NMDA受體通道的開放性，促進Ca2+內流，導致機體對機械和物理的刺激更敏感。

BDNF是一種小分子多肽物質,在中樞神經系統成熟過程中參與突觸的形成和重構,又可以通過突觸前和突觸后機制改變突觸傳遞的效能,從而對神經結構和功能可塑性發揮調節作用。ZHANG等[24]通過福爾馬林誘導大鼠炎癥模型，研究顯示BDNF觸發其下游信號級聯PI3K/mTOR，活化NR2B表達，參與疼痛突觸可塑性是炎性疼痛程度增加的原因。

而近年的研究發現，NMDA受體磷酸化參與慢性疼痛產生的病理過程。NMDA受體通過一些蛋白激酶(PKA、PKC等)作用解除Mg2+的阻滯，使得NMDA受體磷酸化信號增強，提高機體對疼痛的敏感性[25]。其中，NR1亞基的磷酸化增加NMDA內流突觸的效率，促使Ca2+內流，提高神經元的興奮性，增強疼痛的表達[26]。總之，NMDA受體與疼痛的發生密切相關。

3 NMDA受體介導的興奮性神經毒性

一般觀點認為，NMDA受體適度的活化并不會引起組織的損傷。然而，NMDA受體活化過度和Ca2+持續內流易導致細胞內Ca2+自穩態紊亂，從而引起神經元的死亡。作為神經遞質的Glu位于突觸前末梢囊泡內，它由不能通過血腦屏障的非必需氨基酸合成，而血液中的Glu不能通過血腦屏障，故不會引起腦組織損傷。在某些病理情況下，血腦屏障通透性增加，大量的Glu釋放入血，作用于細胞膜上的NMDA受體，Ca2+內流導致生理功能受損。眾所周知，NR3亞基對Glu不敏感，因此，NR3亞單位和NR1亞單位形成的異四聚體可以抑制NMDA受體活性和Ca2+內流，拮抗NMDA受體介導的神經毒性。

隨著研究深入，NMDA受體過度活化不再是引起神經元損傷的唯一因素，突觸內外NMDA受體失衡在NMDA受體介導的興奮性神經毒性充當重要角色。研究人員發現，阻斷突觸上的NMDA受體并沒有改善其引起的神經毒性作用；相反，抑制突觸外的NMDA受體的表達可抑制神經細胞死亡，因此突觸外NMDA受體越來越引起人們的關注。突觸外的NMDA受體中，NR2B占主導地位。NR2B蛋白C末端與DAPK1作用，使NR2B亞單位的Ser-1303位點磷酸化，進而激活NR1/NR2受體通道的轉運，介導死亡信號[27]。此外，NR2B耦聯的蛋白是PSD-95，PSD-95通過與 Fyn 激酶作用使NR2酪氨酸磷酸化，增強NMDA受體通道的功能，加劇神經毒性反應[28]。

更為嚴重的是，NMDA受體介導的興奮性神經毒性是引發某些神經系統退行性疾病的重要原因。阿爾茲海默癥(AD)是最常見的神經退行性疾病，其最具特征性的病變是Aβ蛋白的聚集，臨床上常表現為進行性記憶力和認知功能下降[29]。研究發現，AD患者的大腦神經元細胞發生變性壞死，伴有大量自由基產生并出現突觸丟失現象[13]。氧自由基具有強氧化性，與其相關產物過多集聚,對神經細胞造成毒性作用。而突觸丟失將會影響神經元信息的傳遞，作為Glu受體的重要類型，突觸外NMDA受體導致的神經毒性與AD發生密切相關。臨床研究發現AD患者腦內紋狀體中NMDA受體與Glu的親和力增加,突觸外NR2B更為顯著[30]。Aβ誘導神經元細胞釋放Glu,活化突觸外的NMDA受體，觸發促凋亡信號的產生[13]。此外，突觸外NMDA受體活化抑制ERK通路的激活，影響細胞間信號傳遞，從而抑制LTP，導致記憶受損。目前，通過使用NMDA受體拮抗劑雖不能完全治愈AD，但是可以改善AD癥狀,由于其毒副作用較大，并沒有在臨床工作中得到廣泛推廣[30]。

綜上所述，NMDA受體是一種重要的Glu受體亞型，調節Ca2+通道，對于維持學習記憶力和調節突觸可塑性發揮了重要的作用。正常情況下，突觸內外的MNDA受體處于平衡狀態，當突觸內外的平衡被打破，NMDA受體激活，Ca2+內流超載，可能引起興奮性神經毒性，導致相關神經元功能損害。從突觸內外NMDA受體的分布及表達切入研究NMDA受體介導的興奮性神經毒性，可能為相關疾病治療提供新的研究方向。