代謝型谷氨酸受體5在中樞神經系統疾病中的研究進展

朱恩妮，吳超然，廖 紅

（中國藥科大學新藥篩選中心 江蘇省藥效研究與評價服務中心，南京210009）

谷氨酸是大腦內重要的興奮性氨基酸類神經遞質，負責中樞神經系統近70% 的突觸傳遞［1］，其主要作用于兩種受體：離子型谷氨酸受體（ionotropic GluRs，iGluRs）和代謝型谷氨酸受體（metabotropic GluRs，mGluRs）。iGluRs 是配體門控型離子通道，可快速誘發神經元興奮；mGluRs屬于C 類G 蛋白偶聯受體（G protein-coupled receptors，GPCR）家族，可經由不同信號轉導調控細胞生長增殖、突觸可塑性、神經興奮性等生命活動［2］。目前8 種mGluR 亞型被分為3 型，Ⅰ型mGluR（mGluR1 和mGluR5）與Gαq/11偶聯，而Ⅱ型mGluR（mGluR2 和mGluR3）和Ⅲ型（mGluR4，mGluR6，mGluR7和GluR8）則與Gαi/o偶聯［3］。

mGluR5作為腦內豐富表達的一種mGluRs，對于調控突觸活動和維系神經網絡穩定至關重要。近年來，越來越多研究者專注于探究mGluR5 與中樞神經系統疾病的聯系以及針對該受體的藥物在臨床應用的可行性和有效性。

1 mGluR5結構與分布

mGluR5 具有典型的C 類GPCR 結構特征，以二聚體形式發揮作用，且每個單體含有一個較大的N 端胞外結構域。胞外結構域包含有能與L-谷氨酸、離子等結合的配體結合域（ligand-binding domain，LBD），形似捕蠅草葉片；LBD 由一段富含半胱氨酸的序列與7次跨膜結構域相連接［4］。C端胞內結構域可被剪切成不同末端，生成剪切體mGluR5a和mGluR5b［3］。

mGluR5 在人類和嚙齒動物的大腦皮層、海馬、嗅球、紋狀體、丘腦等區域廣泛分布［1］，主要分布于突觸后膜上，也存在于突觸前膜、星形膠質細胞中［3］。mGluR5 與mGluR3 是星形膠質細胞主要表達的兩種mGluRs，不同于mGluR3 在星形膠質細胞上的持續性表達，mGluR5 在小鼠大腦發育早期的星形膠質細胞中高表達，而在發育后期至成年階段表達急劇下降［5］。研究發現，在癲癇、多發性硬化癥等神經疾病中，反應性星形膠質細胞的mGluR5 表達會顯著增加［6］，這暗示星形膠質細胞mGluR5 可能也與神經系統疾病的發生發展密切相關，但其如何參與以及內在機制的相關研究迄今為止較少。

2 mGluR5功能

mGluR5優先偶聯Gαq/11，通過啟動經典信號通路來調控膜受體活性、基因轉錄、蛋白合成等細胞活動。配體與受體結合后，Gαq/11活化并激活磷脂酶C（phospholipase C，PLC），PLC 催化細胞膜上4，5- 二磷酸 磷脂 酰 肌醇（phosphatidylinositol-4，5-bisphosphate，PIP2）生成第二信使分子肌醇-1，4，5-三磷酸（inositol-1，4，5-triphosphate，IP3）和甘油二酯（1，2-diacylglycerol，DAG）。 IP3誘導 內質 網（endoplasmic reticulum，ER）Ca2+釋放，增強胞內Ca2+信號，活化鈣調蛋白（calmodulin，CaM）及其下游Ca2+/鈣調蛋白依賴性激酶（calcium/calmodulindependent protein kinase II，CaMKII）；而Ca2+與DAG協同激活蛋白激酶C（protein kinase C，PKC），PKC磷酸化下游多種靶蛋白酶［7］，最終實現對細胞生命活動的調控（圖1）。有研究報道，除偶聯Gαq/11外，mGluR5 也可以通過招募β-arrestin 來調控突觸可塑性［8］。

突觸后膜上的mGluR5 可通過不同的分子機制調控iGluRα-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid receptor，AMPAR）內化，從而介導突觸長時程抑制（long-term depression，LTD）［9］。突觸后支架蛋白復合物Homer-Shank-GKAP-PSD95 介導mGluR5與iGluRN-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-D-aspartic acid receptor，NMDAR）的物理連接和相互作用［2］；其中，Homer 蛋白長剪切體Homer1b/c 還將mGluR5 與ER 上的IP3受體相連，mGluR5 借此調控ER 的Ca2+釋放［10］。當Homer 蛋白短剪切體Homer1a 競爭性取代Homer1b/c 連接mGluR5 時，便會阻斷mGluR5 與IP3受體的相互作用，轉而增強其他信號轉導［11］。由Homer 介導，mGluR5 還參與調控下游磷脂酰肌醇3-激酶（phosphoinositide-3 kinase，PI3K）/蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）/哺乳動物雷帕霉素靶蛋白（mammalian target of rapamycinm，TOR）信號轉導、細胞外信號調節激酶（extracellular signal-regulated kinases，ERK1/2）激活等［12］（圖1）。

圖1 mGluR5信號轉導通路示意圖mGluR5 偶聯Gαq/11,啟動下游經典雙信號通路PLC/DAG/PKC 和PLC/IP3/Ca2+。mGluR5 與NMDAR 通過突觸后支架蛋白復合物Homer-Shank-GKAP-PSD95 相連接;由Homer 介導,mGluR5 參與調控ER 的Ca2+ 釋放、PI3K/AKT/mTOR 信號轉導和ERK1/2 激活等。PLC:磷脂酶C; PIP2:4,5-二磷酸磷脂酰肌醇; DAG:甘油二酯; IP3:肌醇1,4,5-三磷酸; IP3R: IP3受體;PKC:蛋白激酶C; CaM:鈣調蛋白; CaMKII:Ca2+/鈣調蛋白依賴性激酶;PI3K: 磷脂酰肌醇3-激酶; AKT:蛋白激酶B; mTOR:哺乳動物雷帕霉素靶蛋白;ERK1/2: 細胞外信號調節激酶;ER:內質網

3 mGluR5與中樞神經系統疾病

中樞谷氨酸能系統失調是神經和精神疾病的常見病理機制之一。近年來，越來越多實驗表明，mGluR5 及其調控的信號通路與神經發育障礙［13］、神經退行性疾病［12］、精神類疾病［14］、神經疼痛［15］、藥物成癮［1］等疾病的發生發展密切相關，多項研究支持mGluR5 可作為下列幾種中樞神經系統疾病的潛在治療靶標。

3.1 脆性X綜合征（fragile X syndrome，FXS）

FXS 是一種X 染色體上脆性X 智力低下基因（fragile X mentalretardation gene 1，FMR1）啟動子區域CCG 三核苷酸重復擴增引起FMR1沉默，導致其編碼的脆性X 智力低下蛋白（fragile X mental retardation protein，FMRP）缺失的神經發育障礙疾病［16］。FMRP 作為一種RNA 結合蛋白，密切參與調控與神經元發育和突觸功能相關的mRNA 的運輸、穩定和局部翻譯，也包括負調控mGluR5 介導的下 游翻 譯過 程［17］。 FMRP 缺失 導致 的相 關mRNA 過度翻譯被認為是FXS 中出現樹突棘形態異常、突觸功能損傷和認知障礙的主要原因［13］。最初是Huber 等［18］在Fmr1敲除（Fmr1knockout，Fmr1KO）小鼠上證實，mGluR5介導的蛋白過度合成導致了海馬CA1 區突觸LTD 異常增強。這一開創性發現奠基了FXS 中mGluR 信號通路過度活化的理論，使mGluR5 成為FXS 治療中備受關注的藥理靶標。

隨著研究深入，PI3K 增強子（PI3K enhancer，PIKE）參與調控的mGluR5 下游PI3K/AKT/mTOR信號通路過度激活被確認在介導Fmr1KO 小鼠海馬LTD 異常增強中發揮關鍵作用［19］。此外，有文獻報道，當Fmr1KO 小鼠海馬神經元上mGluR5-Homer 連接被破壞時，mGluR5 易在突觸后膜上擴散，且間接影響NMDAR 功能，從而引起Fmr1KO小鼠認知功能障礙［20］；選擇性阻斷mGluR5-Homer連接則會導致正常小鼠出現類似FXS 的表型［21］。而在星形膠質細胞中，FMRP 被發現可積極調控mGluR5 的表達和功能［22］。Men 等［23］的實驗表明，FMRP 缺失會使人類和小鼠星形膠質細胞中微小RNA（microRNA，miRNA）miR-128-3p 水平升高，miR-128-3p 以轉錄后調節機制抑制發育時期星形膠質細胞mGluR5 的表達和功能，該研究為FMRP對mGluR5的調節方式提供了新視角。

盡管臨床前實驗結果顯示，抑制mGluR5 功能或mGluR5基因缺失能改善Fmr1KO 小鼠的部分病理情況和行為障礙，但是針對mGluR5 的藥物在FXS臨床轉化中尚未成功［16］，這可能與FXS發病機制的復雜性和動物模型與人體間的差異性相關，未來仍有待進一步探索。

3.2 神經退行性疾病

阿爾茲海默病（Alzheimer′s disease，AD）是一種以胞外β-淀粉樣蛋白（amyloid β-protein，Aβ）異常沉積形成斑塊、胞內tau 蛋白過度磷酸化導致神經纖維糾纏、神經元進行性萎縮死亡為主要病理特征的神經退行性疾病。Aβ是由淀粉樣前體蛋白（amyloid precursor protein，APP）水解得來，APP 在發育大腦的突觸形成中起重要作用［24］，而可溶性Aβ 寡聚體（Aβ oligomers，Aβo）是導致AD 中突觸功能障礙和樹突棘丟失的主要致病因素［25］。

一方面，FMRP 可以負調控突觸中APP 的翻譯，mGluR5 信號通路激活可以解除FMRP 對APP合成的抑制［26］，因此mGluR5 信號過度激活可能導致APP 大量合成，為Aβ 的產生提供原料。另一方面，有研究發現mGluR5 和細胞型朊蛋白（cellular prion protein，PrPc）參與Aβ 介導的大鼠突觸LTD增強［27］；可溶性Aβo 易與神經細胞表面的PrPc 結合形成復合物，Aβo/PrPc/mGluR5 復合物可激活非受體酪氨酸激酶Fyn，Fyn 磷酸化突觸NMDAR，從而影響突觸功能和引起樹突棘丟失［25］。由此可見，mGluR5 與AD 中突觸功能障礙的病理機制密切相關。

研究發現，抑制mGluR5可以逆轉AD模型APPswe/PS1ΔE9 小鼠和3xTg-AD 雄性小鼠的認知障礙，減少腦內Aβ 斑塊沉積［28］；Abd-Elrahman 等［29］的實驗表明，抑制mGluR5 后下游糖原合成酶激酶3β（glycogen synthase kinase 3β，GSK-3β）/ZBTB16/ATG14L和Akt /mTOR/p70S6K1信號通路激活所介導的自噬是AD 小鼠腦內Aβ 沉積減少的潛在分子機制。

除AD 外，mGluR5 也被報道具有作為治療其他神經退行性疾病的藥理靶標的潛能。臨床前研究發現，激動或抑制mGluR5 可能通過不同分子機制改善亨廷頓病（Huntington disease，HD）小鼠模型的病理學特征［30-31］。在嚙齒類和非人靈長類的帕金森病（Parkinson's disease，PD）相關動物模型中，抑制mGluR5 能減輕多巴胺神經元變性情況或改善左旋多巴（levodopa，L-DOPA）誘導的運動障礙（L-DOPA-induced-dyskinesia，LID）［32］。 而 在 肌萎縮性側索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）SOD1G93A轉基因小鼠模型中，敲除mGluR5基因能使SOD1G93A小鼠疾病延遲發作、生存期延長和運動功能改善［33］。綜上，多項研究發現mGluR5 在各類神經退行性疾病中扮演重要角色，針對mGluR5 的調控可為神經退行性疾病的臨床治療提供新思路。

3.3 重度抑郁障礙（major depressive disorder,MDD）

MDD 是一種以顯著而持續的情緒低落為主要特征的精神障礙，其高致殘率、高自殺率的特點給患者家屬和社會帶來痛苦與負擔。基于抑郁障礙中谷氨酸能系統亢進的假說，抑制mGluRs 可能是治療MDD 的潛在方法［34］。臨床前研究證實，抑制mGluR5 能改善慢性應激誘導的小鼠抑郁樣行為［35］，但針對mGluR5 的藥物在MDD 臨床試驗中的療效并不理想［36］。

臨床尸檢報告表明，MDD 患者前額葉皮層的mGluR5 蛋白表達量比正常人低［37］；而一項正電子發射斷層掃描（positron emission tomography，PET）人體成像結果卻顯示，MDD 患者和正常人腦內的mGluR5 與放射性示蹤劑的結合率相比沒有顯著差異［38］；另有動物實驗表明，敲除mGluR5基因會誘導小鼠出現抑郁樣行為［39］。不一致的研究結果提示了mGluR5 參與介導MDD 病理機制的復雜性。

臨床上，睡眠剝奪是一種能快速緩解抑郁癥狀的物理方法。相關研究報道，抑郁患者進行33 h睡眠剝奪治療后，通過PET 成像發現患者腦內結合放射性示蹤劑的mGluR5 增加［40］，提示睡眠剝奪的抗抑郁機制與mGluR5 功能增強有關。 Holz等［11］在小鼠抑郁模型中發現，神經元mGluR5/Homer1a/mTOR 信號通路激活所介導的AMPAR 表達增加和功能增強是睡眠剝奪治療起快速抗抑郁作用的關鍵分子機制；而在mGluR5基因敲除小鼠中，睡眠剝奪治療未能起到抗抑郁作用。氯胺酮是一種能快速、持久有效發揮抗抑郁作用的藥物；基于臨床前實驗數據，Esterlis 等［36］認為氯胺酮的抗抑郁機制與mGluR5 調控的下游信號通路有潛在關聯；但一項PET 結果顯示，MDD 患者在給予氯胺酮治療后，腦內mGluR5 表達降低［41］，作者認為這可能是抑郁障礙中谷氨酸增加導致的代償性mGluR5 表達下調，因此氯胺酮如何借由mGluR5發揮抗抑郁作用仍未可知。綜上，確認mGluR5 在抗抑郁中扮演的角色，以及其能否成為抗抑郁的有效靶標還有待更深入的研究。

3.4 精神分裂癥

精神分裂癥是一種嚴重的精神疾病，其發生發展由遺傳因素和大腦發育成熟過程中的環境因素共同決定。其臨床癥狀主要分為3類：以幻覺和妄想為主要特征的陽性癥狀、以社交互動缺乏和抑郁情緒為主要表現的陰性癥狀和以學習記憶功能受損的認知功能障礙［42］。

目前普遍認為NMDAR 功能減退與精神分裂癥的病理機制密切相關。NMDAR 被外源性或內源性配體拮抗時均可能誘導精神分裂癥的發生［43］；而增強NMDAR 功能則可以改善精神分裂癥狀［44］。研究表明，精神分裂的病理機制涉及NMDAR 亞基NR2A 和NR2B 的失衡［45］；體外實驗發現，mGluR5 在小鼠發育期的海馬和視覺皮層中介導NR2A 和NR2B 的轉換［46］，提示了mGluR5 與NMDAR 相互作用參與精神分裂病理機制的可能性。另外，精神分裂癥與前額葉皮層和海馬區的小清蛋白陽性神經元異常有關；而有研究報道，發育期小清蛋白陽性神經元的mGluR5 敲除是導致小鼠精神分裂表型出現的病理機制之一［47］。

Wang 等［48］通過尸檢發現，相比正常對照人群，精神分裂患者的前額葉皮層中的mGluR5 信號轉導顯著降低，具體表現為Gαq/11與PI3K 和Homer的結合減少，mGluR5與NMDAR亞基NR1和NR2A的連接同樣減少。 由此，作者認為mGluR5 和NMDAR 功能異常減退影響著精神分裂癥的發生發展。與之一致，臨床前實驗表明敲除mGluR5基因會誘導小鼠出現類似精神分裂癥表型［49］。

由于臨床上應用NMDAR 激動劑易誘發興奮性神經毒性、癲癇發作等不良反應，靶向mGluR5從而間接調節NMDAR 功能可能是一種有希望的治療策略。有相關研究報道，在NMDAR 抑制劑苯環己哌啶誘導和絲氨酸消旋酶基因敲除的精神分裂小鼠模型中，激動mGluR5 可改善小鼠認知記憶缺陷［50-51］。因此，臨床前實驗數據積極支持了mGluR5作為治療精神分裂癥的潛在靶標。

4 mGluR5藥物研發

傳統藥物研發策略是基于已知的內源性配體結合位點來尋找正構激活或抑制受體的藥物分子。（R，S）-3，5-二羥基苯基甘氨酸［（R，S）-3，5-dihydroxyphenylglycine，DHPG］是最 早 發 現 的I 型mGluR 選擇性正構位點激動劑。DHPG 與mGluR5的親和力比mGluR5選擇性正構位點激動劑2-氯-5羥苯基甘氨酸［（R，S）-2-chloro-5-hydroxyphenylglycine，CHPG］與mGluR5 的親和力高，所以DHPG 是體外藥理實驗中更為常用的mGluR5激動劑［7］。

通過正構位點完全激活或抑制受體容易影響細胞的正常生理活動，為避免副作用產生，研究者傾向尋找能結合受體其他位點的高選擇性藥物分子。作為GPCR，mGluR5的7次跨膜結構存在多個潛在變構結合位點［52］，為變構調節劑的研發提供可能。近年來，在存在或不存在激動劑的條件下激活mGluR5 的正向變構調節劑（positive allosteric modulator，PAM）和抑制mGluR5 活化的負向變構調節劑（negative allosteric modulator，NAM）已經成為藥物研發的熱點之一［53］。目前報道的進入相關中樞神經系統疾病臨床研究的mGluR5 NAM 有Mavoglurant、Basimglurant 、Dipraglurant、AZD2066、Fenobam 和STX107（表1），這些藥物的臨床實驗結果大多未達預期；其中，Dipraglurant 在治療帕金森患者LID 的Ⅱa 期臨床實驗中展現出初步療效［32］，所以Dipraglurant 用于治療LID 的Ⅱb/Ⅲ期臨床研究（NCT04857359）計劃于2021年啟動。而mGluR5 PAM 目前仍處于臨床前動物實驗階段［54］。

表1 處于中樞神經系統疾病臨床研究階段的mGluR5負向變構調節劑

在mGluR5 藥物研發中，PET 技術發揮了積極作用。PET作為一種先進的體內成像技術，借助放射性示蹤劑來定量活體組織中的受體、轉運蛋白或酶的表達水平，從而反應分子水平的生理、病理、代謝等變化［55］。PET 現在已經廣泛應用于可視化人類和動物體內的mGluR5 表達分布。這項技術不僅有助于觀察不同神經精神疾病患者腦內的mGluR5 表達變化［38，56-57］，還可用于評估mGluR5變構調節劑的藥理效用、洞察藥物劑量與藥物受體占有率之間的關系［58］等。目前應用于臨床的mGluR5 放射性示蹤劑有［18F］FPEB，［11C］ABP688和［18F］SP203；大多數放射性示蹤劑是mGluR5 NAM 2- 甲 基-6-（苯 乙 炔）吡 啶［2-methyl-6-（2-phenylethynyl）-pyridine，MPEP］的結構類似物［55］，后續它們也可能發展成為臨床上抑制mGluR5 的治療藥物。

5 結 語

作為谷氨酸能系統的重要組成部分，mGluR5在維系大腦神經網絡穩定中發揮不可或缺的作用。mGluR5 介導突觸可塑性的功能使其與FXS、AD、精神分裂癥等疾病中的突觸功能損傷和認知障礙發生密切聯系。借助先進的臨床影像技術，許多研究發現mGluR5 在不同疾病動物模型和患者腦內的表達變化，提示mGluR5 在多種中樞神經系統疾病中的潛在作用；探究mGluR5 在不同中樞神經疾病中所扮演的角色，可以為中樞神經系統疾病的臨床治療提供新策略。

雖然目前mGluR5 與不同神經和精神疾病的研究已經取得了一些進展，但是其在特定疾病中介導的具體機制仍未清楚，還有待后續更深入地研究。此外，如何將臨床前實驗中療效良好的mGluR5 NAM 和PAM 成功應用至臨床依舊是一大難題。未來需要更好地將基礎研究和臨床實際結合，研發針對mGluR5 的高選擇性藥物，并提高藥物從動物模型到臨床應用轉化的成功率。