PSD-95與老化相關學習記憶能力下降關系研究進展

林江濤， 丁悅敏， 張 雄

(1.浙江大學 醫學院 基礎醫學系， 杭州 310058; 2. 浙江大學城市學院 醫學院 臨床醫學系， 杭州 310015)

隨著我國逐步進入老齡化時代，腦老化及其相關疾病已成為影響我國老年人群健康和生活質量的重要因素。腦老化可導致學習記憶能力、感覺、運動能力的衰退，從而產生神經系統的生理功能改變，甚至出現病理性變化。其中，學習記憶能力的下降是腦老化最顯著的特點之一，老年人群、靈長類、嚙齒類動物均普遍表現出類似的學習記憶能力障礙[1]。

突觸結構的改變被認為是導致腦老化時認知能力下降的原因之一，而突觸結構與功能的完整性很大程度上依賴于支架蛋白，其中，膜相關鳥苷酸激酶(MAGUK)蛋白家族是突觸中一類重要的支架蛋白，其中一個由DLG4基因編碼的重要成員-突觸后致密蛋白95(postsynaptic density protein 95, PSD-95)受到廣泛關注[2]，近年來的研究發現PSD-95與腦老化密切相關。本文通過闡明PSD-95的表達改變對突觸結構與功能的影響，以說明PSD-95的表達改變與腦老化時學習記憶能力下降的關系。

1 導致腦老化時學習記憶能力下降的原因

腦老化常伴隨執行能力、工作記憶、空間記憶、情節記憶能力的下降[3]。由于大腦大部分結構的神經元數量未隨老化而減少[1]，而突觸是神經系統中信號傳遞最基本的結構，Barnes等人認為腦老化時學習記憶能力下降一定程度上歸因于突觸結構與功能的細微改變，這包括軸突退化[4]、樹突棘密度減少、突觸可塑性的改變等[1]。

突觸的退化并非是一個普遍現象，在海馬等對老化較敏感的區域中突觸退化現象較明顯，其中興奮性突觸與學習記憶能力有密切相關性，大部分興奮性突觸的突觸后結構是樹突棘，由于樹突棘結構具有高度動態性，這種突觸對老化更加敏感[5]。樹突棘是神經元樹突上一種隆起的特異性結構，主要有蘑菇型、瘦長型及短粗型3種形態，其中蘑菇型樹突棘較為成熟，有較大的頭部，與記憶存儲相關，而未成熟的瘦長型樹突棘則與學習能力相關[3]。相較于成年同類，老年大鼠海馬CA1區的蘑菇型樹突棘密度顯著下降[6]。樹突棘的減少可導致興奮性突觸數量減少，這被認為與老年動物學習記憶能力下降相關[3]。

突觸可塑性改變也是腦老化時的一大特征。突觸可塑性是影響突觸形態、生理功能與突觸連接的重要指標。腦老化時，突觸可塑性的改變在神經系統中較為普遍。突觸可塑性可用長時程增強(LTP)與長時程抑制(LTD)這兩個指標來評估。LTP指高頻刺激下突觸強度長時間增強的過程，而LTD則指長時間的突觸強度減弱，這兩者主要受突觸后結構中兩種谷氨酸受體——NMDA受體與AMPA受體的調控。研究發現老年大鼠的CA1與DG區的細胞更難誘導LTP，且難以維持；反之，其LTD則更易被誘導[1]。LTP是衡量學習能力的重要指標[7]，老年動物的這些突觸可塑性改變也是導致學習記憶能力下降的原因之一。

2 PSD-95的結構與功能

PSD-95最早在大鼠的突觸后致密(PSD)區域被發現，在人類基因組中由DLG4基因表達，由于其分子量約為95 ku，因此被命名為PSD-95[8]。PSD-95作為一種支架蛋白大量存在于谷氨酸能突觸的樹突棘中[9]。PSD-95包含3個PDZ結構域，1個SH3結構域和1個C端鳥苷酸激酶結構域[2](圖1)。PSD-95能通過其PDZ結構域與多種突觸后膜上的受體及其下游的酶結合[10]。PSD-95主要聚集在突觸后成熟樹突棘頭部的PSD區域中[11]，其表達受突觸活動的調控，突觸活動增強時PSD-95表達升高且原本游離在神經元胞體中的PSD-95聚集到突觸后膜上，這說明PSD-95并非靜態存在于突觸中，而隨突觸活動呈現動態變化[12]。PSD-95以垂直于PSD的構象插入質膜中并利用它的PDZ結構域將離子通道受體﹑酶及細胞連接分子等募集到PSD區域中，上游的受體包括NMDA受體、AMPA受體、紅藻氨酸受體，下游的酶包括鈣調蛋白激酶II(CaMKII)、神經一氧化氮合成酶(nNOS)等，這使得受體在接受外界信號時能更好地調控酶的功能[13]。PSD-95的這一特性使其具有促進突觸成熟、調控突觸連接、調控突觸可塑性的功能。

圖1 PSD-95的分子結構示意圖

Figure 1 Structure of PSD-95

3 PSD-95影響突觸結構

突觸的形成依賴于突觸前的軸突與突觸后結構的連接，其中突觸黏附分子之間的黏附起了重要作用[14]。PSD-95能將突觸后膜上的突觸黏附分子聚集并活化。例如，PSD-95的第三個PDZ結構域能與一種重要的突觸黏附分子-神經連接蛋白的胞內域連接，神經連接蛋白與突觸前的突觸黏附分子-軸突蛋白的相互作用調控突觸的連接[15]。PSD-95可以調控神經連接蛋白在突觸后的聚集，過表達PSD-95使更多的神經連接蛋白聚集在興奮性突觸后膜上，并使興奮性突觸的數量增加；反之，干擾內源性PSD-95的表達使突觸后神經連接蛋白減少且興奮性突觸數量減少[16]。

PSD-95對于樹突棘的成熟與穩定十分重要，且能影響樹突棘的形態與數量。體外培養21 d的海馬神經元趨于老化，其樹突棘數量顯著減少，若過表達PSD-95又會使樹突棘的數量增加，體積增大，改變最明顯的是體積較大的樹突棘：直徑大于1 μm的樹突棘數量明顯增加[17]；反之，在大鼠腦片中敲減PSD-95的表達會使樹突棘數量減少且平均體積變小[18]。在LTP的刺激下，樹突棘的體積會逐漸增大并趨于成熟，Ehrlich等人的研究表明抑制PSD-95的表達則妨礙這一過程，使樹突棘體積變小且結構更不穩定[18]。Muller等人在大鼠海馬中過表達PSD-95后發現其樹突棘上PSD區域的范圍增大，這使突觸后結構能接受更多的神經信號，形成一類接受多個突觸前信號的樹突棘，即多支配樹突棘，過表達PSD-95不僅使多支配樹突棘數量增加，還能使每個樹突棘與更多的突觸前末端連接[19]。這些變化將導致突觸數量的增加。

大量研究證實PSD-95的表達改變能影響突觸連接及樹突棘成熟與穩定，對其分子機制的深入探究是一大熱點。例如，LTP能誘導樹突棘增大，Wu等人構建了一種561位絲氨酸不能被磷酸化的突變，表達這種PSD-95的樹突棘在LTP的刺激下不能增大，說明561位絲氨酸的磷酸化在PSD-95調控樹突棘結構時起關鍵作用[20]。通過調控PSD-95的表達及修飾可以調節突觸連接與樹突棘結構，其具體應用尚待進一步開發。

4 PSD-95影響突觸信號傳遞及可塑性

過表達或敲減PSD-95也能顯著影響突觸信號傳遞與突觸可塑性。過表達PSD-95會使大鼠海馬興奮性突觸后電流(EPSC)的振幅與頻率增強，類似地，敲減PSD-95使EPSC減弱[21]，這說明PSD-95能調控突觸后電信號的傳遞。PSD-95對突觸傳遞的這一增強作用與LTP發生時非常類似，這導致在過表達PSD-95的神經元中LTP更難被誘導而LTD則得到增強[22]。反之，大鼠海馬中敲減PSD-95則削弱了LTD過程[18]。

AMPA受體聚集到突觸后膜是誘導LTP過程中的一個重要機制，而LTD形成時突觸后膜上的AMPA受體減少。PSD-95作為AMPA受體結合到PSD上的連接點，調控AMPA受體使其聚集在突觸后膜上。過表達PSD-95使突觸后膜上AMPA受體數量增加并增強其EPSC[23]；反之， PSD-95的減少會使突觸后膜上AMPA受體數量隨之減少并使其EPSC的振幅減小[24]。PSD-95募集AMPA受體到突觸后膜并增強了EPSC，這模擬了LTP過程，導致突觸后膜上聚集的AMPA受體趨于飽和，誘導LTP所需的AMPA受體則難以聚集到突觸后膜上，而膜上AMPA受體更容易與突觸后膜分離，使LTD增強[23]。

另外，PSD-95連接NMDA受體與其下游的酶對突觸信號傳遞及突觸可塑性也十分重要。例如，nNOS能合成一氧化氮(NO)，NO的濃度能調控突觸可塑性。PSD-95與nNOS的連接受阻時，NO合成減少，導致LTP不能被正常誘導[25]。

PSD-95的表達改變對突觸可塑性的影響已較為明確，對PSD-95某些結構域的研究也是近期研究的熱點。例如Nagura等人構建了一種PSD-95突變的小鼠，該小鼠喪失了其PSD-95上的PDZ1與PDZ2這兩個結構域的功能，其海馬EPSC減弱，LTP更容易被誘導[26]。通過精確調控PSD-95的表達、維持PSD-95結構的穩定以保證突觸的功能將會是今后研究的新方向。

5 PSD-95與腦老化時學習記憶能力下降的關系

老年動物會遭受DNA損傷，這使某些基因無法正常表達[27]。腦老化常常伴隨與突觸相關基因的表達量降低，包括突觸囊泡釋放及運輸的相關分子、神經遞質的受體、突觸后致密區域的支架蛋白、調控突觸連接的細胞黏附分子等[27]。Pandey等人研究發現老年小鼠海馬中PSD-95的mRNA與蛋白表達低于成年同類[28]；Rogers等人的研究也發現老年小鼠PSD-95的蛋白表達低于成年同類[29]，這將導致海馬中突觸結構與功能的變化。

如前文所述，PSD-95的表達降低會導致聚集在突觸后膜上的神經連接蛋白減少，這導致興奮性突觸數量減少。PSD-95的表達降低也會影響樹突棘，使樹突棘的體積變小，數量變少且結構變得不穩定。PSD-95特異性地分布在成熟的蘑菇型樹突棘中[11]， PSD-95的表達降低導致蘑菇型樹突棘數量減少并退化為體積較小的樹突棘。PSD-95的表達降低還將導致突觸后膜上AMPA受體數量減少，且EPSC振幅與頻率減弱[24]，這導致PSD-95調控LTP與LTD的能力減弱。

Grant等人構建了一種喪失功能的PSD-95突變小鼠，該小鼠空間記憶能力下降[30]。由于空間記憶能力依賴于海馬的功能，因此我們認為，老年動物海馬中PSD-95的表達降低可能是造成腦老化相關學習記憶能力下降的原因之一。Rogers等人嘗試通過抑制老年小鼠的炎癥反應以恢復PSD-95的表達[29]，通過調控PSD-95的表達以應對腦老化及相關疾病也許會成為腦老化研究的一個突破口。

6 小結與展望

學習記憶能力下降是腦老化的一個標志性特征，且部分歸因于突觸結構功能的改變。本文綜述了突觸后蛋白PSD-95的表達變化對突觸結構與功能的影響以及PSD-95的突變對動物學習記憶能力的影響，以期說明PSD-95與腦老化相關學習記憶能力下降的關系。有關PSD-95與腦老化的研究目前多集中在PSD-95的表達量改變這一方面。PSD-95的表達與功能還受到多種翻譯后修飾調控，包括磷酸化、棕櫚酰化、泛素化等，這些修飾改變能引起突觸后PSD-95的表達、降解與定位改變從而使其功能發生變化，由此影響突觸功能[10]。而腦老化時PSD-95的這些修飾是否發生改變尚待研究，通過調控PSD-95的翻譯后修飾使其正常表達并發揮正常的功能可能為應對腦老化及其相關疾病提供一種新思路。