离子型谷氨酸受体参与学习和记忆分子机制的研究进展1)

李 君,高维娟

学习和记忆是脑的高级功能,是一个相当复杂的生理过程,目前认为学习记忆机制是突触传递效能的长时程增强(Longterm potentiation,LTP),被认为是学习与记忆的一个细胞模型[1]。LTP的形成与突触前递质的释放、突触后相关受体通道以及各种蛋白激酶、逆行信使、即早基因等密切相关。谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统中最重要的兴奋性神经递质,主要在谷氨酸受体的介导下实现其在脑内的众多功能。谷氨酸受体被激活后除参与快速的兴奋性突触传递外,还可以调节神经递质的释放、突触的可塑性、LTP和长时程抑制(long-term depression,LTD)以及学习和记忆等中枢神经系统正常的生理功能[2]。本文就离子型谷氨酸受体参与学习和记忆的分子机制研究进展进行了综述。

1 离子型谷氨酸受体概念及其组成

离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptor,iGluR)为配体门控离子通道型受体,它们与离子通道耦联形成受体通道复合物,介导快信号突触传递。根据特异选择性激动剂的不同,离子型谷氨酸受体主要分为3种亚型:①N-甲基-D-门冬氨酸(N-Methy1-D-aspartic acid,NMDA)受体;②α-氨基羟甲基恶丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methy1-4-isoxazole propionic acid,AM PA)受体;③海人藻酸(kainic acid,KA)受体。NMDA受体由 NR1、NR2、NR33个亚单位,NR2亚单位又可以进一步分为NR2A-D4 个亚型;AM PA 受体由 GluR1、GluR2、GluR3、GluR44个亚型构成;GluR5、GluR6、GluR7和 KA1、KA2构成了 KA 受体。

2 学习记忆的生理基础

2.1 LTP的发现及概念 1973年,Bliss等[3]发现家兔海马神经元在短暂高频刺激后,兴奋性突触后电位(excitatory postsynaptic potential,EPSP)增大,海马突触传递可在数秒内增强,其增强效果能持续数小时至数周,他们把这一现象称为突触传递的长时程增强。目前普遍接受LTP是单突触受到重复刺激或两组突触共同活化后产生的谷氨酸盐兴奋性突触后反应的增强,这种突触后反应的增强可引起突触传递效能的持续变化。根据LTP的持续时间将其分为早时相LTP(earlyphase LTP,E-LTP)和晚时相LTP(late phaseLTP,L-LTP),前者持续1 h～3 h,不需要合成蛋白[4];后者可持续24 h以上,需要合成新的蛋白[5]。

2.2 LTP的特征 LTP有三个基本特征,①协同性:诱导 LTP需要很多纤维同时被激活;②联合性:有关纤维和突触后神经元需要以联合的形式一起活动;③特异性:所诱导的LTP对被激活的通路是特异的,在其他通路上不产生LTP。

2.3 LTP产生机制 LTP是突触可塑性的一种模式,NMDA受体与递质结合后,导致细胞内级联反应,触发神经元内一系列生化反应,最终改变突触后膜的性质,建立LTP。LTP的形成一般分为诱导与表达两个阶段[6],LTP的诱导以突触后膜成分变化为主,主要包括:①突触后膜去极化;②NMDA受体的激活;③钙离子内流。其表达则是由突触前膜和突触后膜共同参与的过程,主要包括:①突触前膜递质释放增加;②突触后膜受体与递质作用效应增强;③突触形态学变化使突触的整合效应增强;④逆行信使向突触前释放。

3 离子型谷氨酸受体与学习记忆

3.1 NMDA受体

3.1.1 NMDA受体对于学习记忆形成的机制 NMDA受体对于学习记忆的重要作用已经得到肯定,但是其作用的机制还都主要集中在Ca2+-钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)途径上。Miyamoto[7]报道,NMDA受体是一种电压、配体双重门控通道,既受电压门控,也受递质门控,主要对Ca2+高度通透,对Na+和K+有一定的通透性。在静息电位下,突触前释放的兴奋型氨基酸可同时作用于NMDA受体和非NMDA受体,此时Na+和K+可通过非NMDA受体通道,但不能通过NMDA受体通道,因为静息水平的膜电位不能使Mg2+移开,NMDA受体因与Mg2+结合而受到阻滞,NMDA受体通道也就不能打开。而当外界刺激信号刺激机体使得突触后膜去极化后,堵塞通道的Mg2+就可以移开,此时兴奋型氨酸与NMDA受体结合使通道打开。当递质与受体结合导致通道开放后,Ca2+大量进入胞内与钙调蛋白(CaM)结合,Ca2+/CaM复合物结合于自动抑制序列的临近序列,去除后者与CaMKⅡ的催化结构域的结合,CaMKⅡThr286发生自身磷酸化而活化,活化后的CaMKⅡ变为不依赖于Ca2+/CaM的形式,并且移位于突触后致密结构(postsynaptic density,PSD)内形成复合物参与NMDA受体磷酸化的调节,cAMP依赖性蛋白激酶的激活等过程,从而启动下游一系列生化反应包括cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element-binding protein,CREB)的转录因子磷酸化、CREB与 DNA分子上的特定区域也称为 cAM P反应元件(CRB)结合、基因的表达的启动等形成LTP产生学习记忆,此为学习记忆形成的经典途径。同时Hawkins等[8]报道,学习记忆形成时包括短时记忆和长时记忆的产生,短时记忆的产生涉及3条途径,即突触前膜cAMP-PKA、Ca2+/CaMKⅡ途径以及瞬时性的Ca2+内流、K+外流;长时记忆的产生涉及突触前膜PKA-MAPK-CREB、PKC以及突触后膜Ca2+/CaMKⅡ 3条途径。但是NMDA受体对于学习记忆的调节是否还有其他途径还有待进一步的研究。

3.1.2 NMDA受体亚单位对学习记忆的作用 NR1是NMDA受体的功能亚单位,是NMDA受体的必需组分,在脑内各区广泛表达,通过调节Ca2+内流而保持神经元正常的生理功能。选择性敲除小鼠海马CA1区锥体细胞的NR1亚单位后,其NMDA受体诱导的LTP被破坏,在小鼠表现为空间记忆障碍[9]。最近的研究发现,NMDA受体介导的信息参与皮层内突触结构和功能的调节[10]。在皮层NR1亚单位对树突棘的发育有重要影响,通过共聚焦显微镜和电镜成像技术,发现皮层2/3层的锥体细胞树突棘头部体积增大,同时突触前的轴突终扣体积和PSD区域明显增大,PSD厚度是反映突触功能的活性指标,在突触的可塑性中发挥重要的作用。皮层N R1亚单位基因敲除的小鼠,减少了NMDA受体的反应,PSD厚度变小,突触功能活性降低,突触传递效率减退,引起学习记忆能力减退。同时有报道显示,癫痫患者学习记忆发生障碍的原因之一既是NR1mRNA表达减少所致,铅暴露以后损伤学习记忆也和海马区NR1mRNA转录和蛋白表达减少有关[11],因此,认为NR1亚单位与学习记忆关系非常密切,是学习记忆形成过程中必不可少的NM DA受体亚基。

N R2亚单位主要分布在前脑和海马脑区,是NMDA受体的调节亚单位,对NMDA受体通道功能起一个修饰作用,完整的有功能的NMDA受体必须至少要有1个NR2亚单位参与组成。Rondi-Reig等[12]发现,由不同的NR2亚单位参与组成的NMDA受体对学习记忆功能的贡献不一样,其中NR2A和NR2B在学习记忆形成的过程中都有表达,并且二者有着一致性的关系,即随着神经系统的发育成熟NR2A的表达增加而NR2B的表达减少,NR2C的表达局限在丘脑并且是在学习记忆产生的后期才有表达;与此相反,NR2D是在学习记忆形成的早期表达并且是在丘脑和下丘脑有表达。NR2B转基因动物表现为海马LTP增强、海马NMDA受体通道长久开放,用NR2B选择性拮抗剂艾芬地尔阻断杏仁核内的NR2B后,动物表现为剂量依赖的情绪学习能力的损害。同时有报道显示,缺血/再灌注动物模型后期记忆功能损害是由NR2B基因表达减少所致,大鼠重复注射氯胺酮以后会使学习记忆功能受损,与此同时可以检测到海马内NR2A、N R2B含量减少[13],由此可以证明NMDA受体的 NR2也是参与学习记忆产生过程中必不可少的一种亚单位。

N R3亚单位的功能目前尚不清楚,但是M adry等[14]利用Western blot方法检测到,不管是在胚胎还是成人大脑皮质中,NR3的含量都是非常丰富的,具有和N R1一样的甘氨酸结合位点,因此有可能替代NR1亚基的作用,将人类N R3克隆发现其还有一个和胞内SH3序列结合的聚脯氨酸位点,由此假设NR3结合于SH3序列再构架在特异性增强突触后膜致密物(postsynaptic density,PSD-95)中,从而达到对学习记忆的调节。但是利用不同的蛋白序列将PSD-95和NR3结合在一起,无论在体外还是体内都无法发挥作用,因此N R3参与学习记忆的调节的具体机制还是没有得到阐述,NR3可能与NR1和NR2一起形成多聚体,参与甘氨酸的激活。

3.1.3 NM DA受体对学习记忆的双重影响 一方面NMDA受体促进学习记忆。当递质与NMDA受体结合后,通过其信号转导级联反应经典途径,导致突触后神经元产生LTP生理效应,促进学习与记忆。另一方面引起学习记忆障碍。目前认为主要机制是NMDA受体介导的兴奋毒作用,其机制主要有两种:①由NMDA受体过度兴奋介导的神经细胞迟发性损伤,可推迟数日发生,主要与Ca2+超载有关,这种迟发性损伤是谷氨酸兴奋性毒性损伤的主要途径,与海马区细胞迟发性神经元坏死密切相关[15];②谷氨酸超常释放造成海马区内病理性LTP并造成了以后的信息传递障碍形成学习记忆障碍[16]。

3.2 AMPA受体 AMPA受体是由GluR1～GluR44种结构极为相似的亚基组成的同聚性或异聚性五聚体,介导中枢神经系统中快速的突触传递。目前有关AMPA受体功能的研究大多集中在海马的联接上[17]。海马LTP的形成需要通过两条途径强化AM PA受体的作用:其一,AMPA受体GluR1亚单位第831位丝氨酸在钙离子/CaMKⅡ作用下磷酸化,使整个受体通道电导增加从而使量子流增大;其二,CaMKⅡ易化储备的AM PA受体从胞质动员,插入突触后细胞膜,从而使神经末稍释放的量子化谷氨酸有更多突触后反应位点。

在成年啮齿类动物的海马CA1、CA2、CA3区的锥体细胞和齿状回的颗粒细胞中,大部分AMPA受体都是GluR1/2异二聚体通道,一些是GluR2/3异二聚体通道,极少数为GluR1同二聚体通道。GluR1和GluR3敲除小鼠的学习测试显示,是GluR1而不是 GluR3敲除导致了小鼠空间记忆的损害[18]。成年GluR1敲除小鼠在大部分行为模式中都是正常的[19],提示含有GluR1的AM PA受体对于规则的快速兴奋性传递并非必需。然而,GluR1丢失可能导致以下损害:损害空间工作记忆;在CA1突触外区缺乏AMPA受体;无法诱发CA3-CA1突触的场LTP(field LTP)[20]。所有三种表型损害都可以通过转基因控制的GluR1在成年GluR1敲除小鼠海马锥体细胞中的再表达而部分恢复,表明含有GluR1亚单位的AM PA受体对于空间工作记忆极为关键[21]。

GluR2是 AM PA受体的一种控制Ca2+渗透的关键亚单位。在AMPA受体的四个亚单位中,GluR2是唯一一种经过RNA编码后在M2区域含有精氨酸残基的亚单位。GluR2亚单位的Q/R位置影响AMPA受体对二价阳离子的通透性。缺乏GluR2的AMPA受体具有极高的Ca2+渗透性,表现出双曲线性I/V关系,而含有GluR2的AMPA受体Ca2+不可渗透,表现出线性I/V关系[22]。GluR2基因敲除小鼠表现为运动协调性差、探测能力低下[23],其中枢神经系统最有可能被AM PA受体介导的Ca2+流入所诱发的长时程改变所介导。而这些长时程改变在出生后前脑主要神经元条件性GluR2缺失的基因修饰小鼠中可以被探测到[24]。在前脑特异性GluR2基因敲除小鼠,尽管突触的兴奋性增加,但兴奋性突触的CA3-CA1传递反而减少。这些变化没有改变CA3-CA1LTP,但海马环路的改变影响到空间学习和记忆[24]。

3 KA受体

近年来,分子生物学及药理学技术的发展大大加快了对KA受体的研究进程。迄今为止,已经克隆出五种KA受体的亚型(GluR5,GluR6,GluR7,KA1,KA2),他们广泛的分布于中枢和外周神经系统内,不仅存在于突触前膜调节神经递质的释放,而且存在于突触后膜在突触传递中发挥作用。由于KA受体在海马区,尤其在苔状纤维和CA3区锥体细胞分布密集,功能特性较为典型,目前围绕此区域有关KA受体的研究较多。

研究显示KA受体拮抗剂LY382884可选择性阻断海马CA3区的突触前KA受体,进而阻碍苔藓纤维LTP的产生,可能与KA受体易化谷氨酸释放有关[25],在不影响 AMPA和NMDA受体的情况下,发现KA受体拮抗剂LY382884对NMDA受体依赖性LTP无效,但可阻断苔藓纤维非NMDA受体依赖性LTP,说明KA受体作为突触传递LTP的触发点,对LTP的形成起促进作用。

GluR5基因敲除小鼠的海马脑片突触生理功能并无异常,兴奋性突触后电流(excitatory postsynaptic current,EPSC)也无改变;GluR6基因敲除小鼠的苔藓纤维LTP显著减弱并且EPSC完全丧失,证明GluR6亚单位是KA受体的关键亚单位,其表达增强对学习记忆有促进作用。KA2亚单位是苔藓纤维突触前和突触后KA受体功能的重要决定因子。KA2基因突变小鼠的苔藓纤维突触前和突触后KA受体功能均发生改变。突触前KA受体对外源性激动剂的亲和力下降,突触后由低浓度KA刺激产生的EPSC幅度未增大,且EPSC的半衰期缩短[26],可能与KA受体抑制谷氨酸释放有关,其对学习记忆的分子作用机制有待进一步研究。

4 小 结

离子型谷氨酸受体通过影响LTP的诱导和维持从而发挥对学习记忆功能的调节作用,但是离子型谷氨酸受体对于学习记忆调节的具体的机制还存在一些疑惑:①离子型谷氨酸受体除了在突触后参与学习记忆的调节外,在突触前是否有调节作用及其作用的方式怎样尚未明确;②NMDA受体在突触后的作用除了通过Ca2+-Ca2+/CaMKⅡ、cAM P依赖性蛋白激酶-生化反应途径外是否还有其他途径,还有待进一步研究。

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