27医学论文范文网

主页
分享医学论文范文

突触传递效率物质与突触可塑性相关蛋白

更新时间:2020-04-23 08:30点击:

突触可塑性是指突触在形态和功能上的改变,是学习和记忆活动的神经生物学基础,在神经系统的发育、成熟及学习记忆中起重要作用。突触的传递可塑性是决定整个突触可塑性最关键的部分。多项研究表明,突触可塑性与阿尔茨海默病( AD) 患者认知功能下降密切相关,修复受损突触结构,提高突触传递可塑性,可有效改善 AD 患者认知功能,提高学习记忆能力〔1〕.本文就影响突触结构及传递可塑性的物质基础进行综述,以期为临床治疗 AD 认知功能障碍提供可行途径及依据。
 
  1 突触传递效率的物质
 
  1. 1 N-甲基-天冬氨酸( NMDA) 受体的功能与突触可塑性NMDA 受体是兴奋性氨基酸受体,是由 3 种不同亚基 ( NR1、NR2、NR3) 构成的阳离子通道。NR1 是 NMDA 受体复合物的功能性亚单位,参与离子通道的形成,是调节能力最强的神经递质受体〔2〕,NR2 是 NMDA 受体的调节亚基,独立存在时并不表达,主要作用是修饰整个受体的功能特性,增强了 NR1 对兴奋性氨基酸的反应〔3〕,NR3 的功能是抑制 NMDA 受体通道的开放〔2〕,结合 NR3 受体亚型可降低 NMDA 受体通道内钙离子的通透性,而且在突触和突触外的 NMDA 受体反应性中起着一定的保护作用〔4〕.NMDA 受体主要是由 NR1 和 NR2 亚基构成的四聚体复合物,存在于谷氨酸能神经元突触后膜的致密体( PSD) 内,静息的 NMDA 受体可电压依赖性被 Mg2 +阻断,开放时主要允许 K+、Na+及部分 Ca2 +通过。一般情况下,在海马的 CA1 区,高频刺激引起树突棘内 NMDA 受体的激活,Ca2 +浓度升高,Ca2 +/ 钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ( CaMKⅡ) 活化,突触蛋白质磷酸化,进而诱发长时程增强( LTP) ; 相反,低频刺激引起树突棘内 Ca2 +浓度轻度升高,从而激活磷酸蛋白磷酸化酶,突触 AMPA 受体去磷酸化,进而诱发长时程抑制( LTD)〔5〕.突触后膜上 NMDA 受体的数量对突触可塑性具有重要的调节作用,研究发现,β 淀粉样蛋白( Aβ) 可通过减少神经元内突触后致密物蛋白 95( PSD-95) 的含量,从而降低稳定 NMDA 受体的数量,进而影响突触的可塑性〔6〕.NMDA 受体除了直接在突触后膜和细胞胞质库间垂直运动外,还能沿突触后膜表面在突触和突触外位作侧向移位,这种在细胞膜表面的移位可以改变突触受体的数目和组成,对突触传递效率的改变起着重要作用.
 
  1. 2 Ca2 +对突触后可塑性的诱导起决定作用 Ca2 +是神经元细胞内重要的第二信使,与基因表达,膜兴奋性调节,树突的发育,突触的发生和神经元信息加工、记忆储存等功能有关。刺激后突触后膜内 Ca2 +浓度变化的差异导致神经元产生不同的生理反应。在长时程增强过程中,高频刺激引起的谷氨酸大量释放激活了突触后膜的 NMDA 受体,导致突触后神经元内突触后神经元内 Ca2 +大幅升高,Ca2 +激活 CaMKⅡ,进使 α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸( AMPA) 受体通道磷酸化而增加其电导,也能使储存于胞质中的 AMPA 受体位移到突触后膜上而增加其密度,因而使突触后的反应增强。在长时程抑制过程中,低频刺激引起突触后胞质内 Ca2 +浓度轻度升高,优先激活蛋白磷酸酶,结果使 AMPA 受体去磷酸化而电导降低,突触后膜上 AMPA 受体的数量减少,从而产生 LTD.同时突触后神经元内的 Ca2 +浓度水平也影响着高频刺激引起的突触可塑性过程,高频电刺激海马齿状回激活 NMDA 受体,既可引起 LTP,也可引起 LTD,这种突触可塑性取决于细胞内 Ca2 +缓冲剂的浓度和种类。在细胞内存在高浓度 Ca2 +缓冲剂的条件下,高频电刺激主要诱发 LTD,在细胞内 Ca2 +缓冲剂浓度较低的情况下产生LTP,提示细胞内游离钙的浓度决定 NMDA 受体调控的突触可塑性变化方向〔8〕.
 
  1. 3 Ca2 +CaMKⅡ CaMKⅡ在大脑皮质和海马中大量存在,在突触中分布密集,是突触后致密物的主要成分,其磷酸化状态可间接调节如神经递质的合成与释放、离子通道的活性、突触可塑性及基因表达等神经活动。谷氨酸 NMDA 受体是CaMKII 的直接底物,研究表明 CaMKII 直接与 NMDA 受体胞内C 末端相互结合,催化一特定丝氨酸 ( S1303 ) 的磷酸化。
 
  CaMKII 也加强谷氨酸 AMPA 受体的磷酸化,通过磷酸化 AMPA受体 C 末端特定的丝氨酸( S831) ,CaMKII 增强 AMPA 受体的功能。CaMKⅡ在正常状态下与 mGluR5 受体结合以储存于突触内,刺激 mGluR5 受体时,CaMKⅡ与 mGluR5 受体分离,转运至 NMDA 受体,以介导 mGluR5 信号对 NMDA 受体的增强作用。在大鼠海马 CA1 区 LTP 诱导和维持依赖于 CaMKⅡ的活化。最新的体内实验研究也表明,动物在经过行为学训练以后,其海马中磷酸化的 CaMKⅡ蛋白含量升高〔9〕,进一步证实CaMKⅡ在学习记忆和突触可塑性中的关键作用。
 
  1. 4 AMPA 受体介导 LTP 的增强 AMPA 受体是兴奋性谷氨酸受体,是由 GluR1、GluR2、GluR3 和 GluR4 四种亚基选择性组装构成同源或异源四聚物。中枢神经系统中大多数 AMPAR 受体含有 GluR2 亚基,这类 AMPA 受体对 Ca2 +不通透,在 LTP 过程中具有重要作用。以往的研究认为在具有 NMDA 受体的突触上,NMDA 受体介导的 AMPA 受体的插膜和内吞过程分别是LTP、LTD 发生的机制之一,对突触后膜上的受体数目进行调控是进行突触可塑性改变的有效途径,尤其在沉默突触唤醒的过程中,AMPA 受体的插膜是关键性的步骤。但研究显示 GluR2缺失的 AMPA 受体对突触功能、突触可塑性、神经局部环路传导等有特殊的作用〔10〕.研究表明,表达 GluR2 缺失 AMPA 受体的突触可以产生非 NMDA 受体依赖的 LTP,且这种 LTP 的诱导需要突触后 Ca2 +水平的升高,据此推测由 GluR2 缺失的 AM-PARs 对 Ca2 +通透性改变可诱导 LTP 的发生〔11〕.
 
  1. 5 NO 是重要的逆信使 NO 由一氧化氮合酶( NOS) 催化而成,属于非典型神经递质,以扩散的方式到达临近靶细胞,直接结合并激活一种可溶性鸟苷酸环化酶,使细胞内的 cGMP 水平升高而产生效应。NO 在中枢神经系统中参与 LTP 和 LTD 等突触可塑性,作为一种逆行信使,由突触后产生作用于突触前神经元。试验研究发现,条件刺激大鼠离体海马脑片 10 min后,LTP 产生,NO 含量和 NOS 活性均显着升高,条件刺激60 min后,LTP 稳定维持,但 NO 含量和 NOS 活性却恢复到条件刺激前水平,提示 NO 及 NOS 的活性升高参与了 LTP 的形成〔12〕.Wu 等〔13〕运用 NOS 抑制剂能够抑制海马脑片齿状回的LTP,而 NO 的底物 L-精氨酸可逆转这种抑制作用。NO 通过增加海马齿状回区细胞外液中天冬氨酸、葡萄糖和甘氨酸的分泌来增强习得性的 LTP 形成及维持过程〔14〕.NO 可通过激活可溶性鸟苷酸环化酶途径催三磷酸鸟苷转变成环磷酸鸟苷,进而激活环磷酸鸟苷依赖性蛋白激酶,并催化有关蛋白或酶的磷酸化〔15〕,促进突触前递质的释放。
 
  2 突触可塑性相关蛋白
 
  在突触重塑的过程中,许多蛋白质参与其中,这些蛋白质不仅能够促进神经元生长发育,调控神经递质释放、受体蛋白转运,也参与突触的可塑性过程和损伤后突触结构、功能的修复。
 
  2. 1 神经生长相关蛋白 神经生长相关蛋白( GAP-43) 是一种快速胞膜磷酸蛋白,与神经发育、突触重建、轴突再生密切相关。GAP-43 在发育中的神经元沿整个轴突表达,在生长锥表达尤其丰富,调控轴突生长,对突触可塑性具有重要意义。对发育期大鼠 GAP-43 表达的检测发现,刚出生的大鼠的神经元GAP-43 主要在胞体和初生突起中高表达,胞浆中含量极低,而在实质锥和突触前膜的动态结构中含量极高。对人神经发育不同时期 GAP-43 表达研究显示,出生后 1 w 达到表达最高峰,而后随着年龄增加而逐步下降。成年时,神经系统的大部分区域 GAP-43 表达水平很低,但在嗅球、新皮质、海马和脑干部分区域内的单胺类神经元内,GAP-43 一直维持在较高水平,说明GAP-43 与神经元的正常活动是密切相关的。除了促进神经元的发育,GAP-43 与突触的生长和损伤后修复关系也密切相关。
 
  损伤周围的神经元时,受损区域 GAP-43 水平再次升高,受损神经元可出现侧枝发芽和轴突再生以进行功能代偿,但 GAP-43水平随着时间的延长逐渐下降〔16〕.动物试验发现,GAP-43 在诱导 LTP 过程中有重要作用,在海马 CA1 区高频刺激诱导出LTP,在 NMDA 受体的激活之后,对 GAP-43 磷酸化程度进行监测发现,大鼠海马脑片 CA1 区僵直刺激后 10 至 60 min 可出现GAP-43 磷酸化程度的提高,至 120 min 后不再增加,用 NMDA受体阻断剂 AP5 抑制 LTP 后,GAP-43 磷酸化程度的提高也受到抑制,这说明 GAP-43 磷酸化程度与 LTP 的表达正相关〔17〕.
 
  2. 2 神经细胞黏附分子( NCAM) NCAM 是属于细胞表面糖蛋白的一种,主要功能介导细胞黏附和识别,分布集中在神经组织中,参与神经细胞黏附、髓鞘形成、神经元出芽、轴突再生等神经生长及修复过程,并具有促进突触可塑性并维持突触结构的功能,是突触可塑性的标志之一〔18〕.NCAM 的一个重要特征就含有以 α-2,8 键相连的多聚唾液酸复合物( PSA) ,研究发现,PSA-NCAM 在中枢神经的分化、迁移、突起长芽、突触联系的建立以及神经元发育和突触可塑性的许多过程中发挥作用〔19〕.PSA-NCAM 在成年动物中枢神经系统中含量很少,但在海马齿状回颗粒细胞层的最深部表达较多,与学习、记忆相关的突触重塑过程密切相关。研究认为,通过 PSA-NCAM 对海马锥体细胞和齿状回颗粒细胞通过 NMDA 受体发挥调节功能,促使齿状回颗粒细胞发出苔状纤维轴突,与锥体细胞顶树突的近端形成突触,然后与 NMDA 受体结合位点连接在一起,给予这些突触短暂重复刺激可引起 LTP,且该增强作用可完全被NMDA 受体拮抗剂阻断,同时缺乏 PSA -NCAM 也引起 NMDA受体依赖性 LTP 减弱〔20〕.
 
  2. 3 微管相关蛋白蛋白( MAP) -2 MAP-2 是组成神经元的结构蛋白,哺乳动物脑中含量丰富,是神经细胞的骨架成分,主要在神经元胞体、树突和树突棘表达,能调节微管蛋白组装,稳定细胞骨架结构。研究显示海马梗死大鼠 MAP-2 蛋白表达增加的同时有脑梗死大鼠行为学的改善,并且与学习记忆功能的恢复呈正相关。同样的动物实验也表明,在大脑缺血初期,受损区域神经元树突和结构受损、MAP-2 表达水平下降,在 3 至 7天后 MAP-2 表达逐渐升高,提示 MAP-2 与神经可塑性密切相关。赵晖等〔21〕研究表明丰富环境干预可改善慢性低灌注大鼠的学习记忆能力,其作用机制与上调海马突触素、MAP-2 蛋白表达,提高突触可塑性有关。
 
  2. 4 突触素 突触素是和突触功能和结构密切相关的一种膜蛋白。有学者对人、牛等动物的突触素研究发现,其广泛分布在各种神经元的突触前囊泡中,突触素在所有的神经末梢均呈点状分布,而在白质及胶质细胞中未发现突触素存在。突触素参与神经递质的释放,突触囊泡的导入、转运,突触囊泡再循环和突触发生〔22〕.神经元受到刺激后产生神经冲动可沿轴突传至突触前膜,进而引起突触前膜去极化,突触前膜上的 Ca2 +通道开放,细胞外 Ca2 +进入轴浆内,由此出发囊泡向突触前膜导入和融合,通过过胞吐的方式,将囊泡内的神经递质释放入突触间隙。研究显示,突触素免疫活性增高与轴突末端出芽、侧支形成、囊泡数量递升、活性增强密切相关,提示神经元突触可以发生重塑〔23〕.突触素影响突触可塑性的途径是: 突触素通过磷酸化的方式与肌动蛋白和突触囊泡结合,调节神经末梢突触囊泡的运动和释放,进而调控神经递质的释放。
 
  2. 5 Reelin Reelin 细胞外基质糖蛋白,具有调节神经元的发生和迁移的作用,也能调控突触的结构和功能。reelin 表达异常与双向情感障碍、精神分裂症和阿兹默海病等神经系统疾病密切相关〔24〕.研究发现,Reelin 可通过抑制 Aβ 导致的 LTP 和NMDAR 的衰减〔25〕.Reelin 对于突触可塑性的作用体现在以下几方面: ①reelin 在 Src 族激酶( SFK) 和 PSD-95 参与下,通过激活 SFK 促使 NMDA 受体磷酸化,促进 Ca2 + 内流,进而增强LTP; 同时这种促使 NMDA 受体磷酸化可以组织 Aβ 介导的NMDA 受体内吞作用; ②Reelin 可增强 AMPA 受体传递功效的途径,对静默突触的有削减作用,通过提高 AMPA 受体/NMDA受体的比例,增强 AMPA 受体介导的突触后电位。③Reelin 的过度表达在强化 LTP 的同时,也可使树突棘更加膨大。
 
  3 总结与展望
 
  突触可塑性是钙离子和多种受体蛋白介导的突触传递效能和结构变化的复杂过程,是影响学习记忆能力的关键因素之一,多种物质参与了突触可塑性的调节。但何种因素是决定突触可塑性的主导因素还尚未确定,目前研究仅仅局限于对突触可塑性部分指标的检测及评价,因此现阶段大部分研究对于突触可塑性的评价尚存在片面性。
 
  在有关药物对突触可塑性影响的研究中,我们不难发现中药及其单体可通过影响相关物质基础调节突触可塑性,且对突触可塑性具有长期的治疗效果,相比于西药具有独特的优势。
 
  但是目前针对中药干预影响突触可塑性的研究还处于初步阶段,尚存在以下几方面的问题: ①实验模型不同: AD 有不同的致病机理观点造成了所造动物及细胞模型的相同,在不同模型基础上进行突触可塑性的研究,实验之间缺乏可比性; ②评价的指标不同: 由于实验目的不同及条件的差异,在突触可塑性研究中选择的指标也有很大的差异性,选择中药种类较多,但有关突触可塑性的研究却较少,很难客观全面的评价中药对突触可塑性的影响; ③研究不全面: 中药对突触可塑性的研究基本上为部分结构或功能的初步研究,缺乏对中药影响突触可塑性结构和功能具体机制的系统研究,及相关临床验证。
 
  综上所述,突触可塑性的研究仍需进一步的系统化,而对于药物尤其是中药对于突触可塑性的研究仍需制定较为公认的动物模型标准、评价体系及相关临床验证系统,方能进一步推动药物对突触可塑性的深入研究,为改善 AD 学习记忆能力提供有力实验支撑。
 
  4 参考文献:
  1 刘慧莉,赵 刚 . 运动、阿尔茨海默病与突触可塑性〔J〕。 中国康复理论与实践,2012; 18(3) : 244-6.
  2 王铭杰,岳少杰 . 谷氨酸及其 N-甲基 D-天冬氨酸受体在肺损伤中的作用〔J〕。 国际呼吸杂志,2007; 27(21) : 1615-8.
  3 武文卿,袁 征,何允刚,等 . NMDA 受体的结构及其生理作用〔J〕。生物技术通讯,2013; 24(4) : 584-6.

推荐文章

在线客服系统