Reelin对突触可塑性的调节作用

(南华大学附属第一医院麻醉科,湖南衡阳421001)

Reelin是一种细胞外基质糖蛋白,其命名源于reeler鼠,这种基因突变鼠因为无法编码表达reelin导致大脑皮层发育异常,而出现共济失调等异常行为[1]。胚胎期主要由Cajal-Retzius细胞合成和分泌,在大脑发育过程中对神经元迁移、定位发挥了关键的作用。后来发现在神经细胞迁徙完成后,Cajal-Retzius细胞几乎完全消失,但reelin仍持续存在发育成熟的大脑中,且主要由γ-氨基丁酸能神经元分泌[2],reelin表达异常与阿兹默海病、精神分裂症和双向情感障碍等神经系统疾病相关[3],还会引起痛阈值的改变[4],可见reelin在维持中枢神经系统功能稳定发挥着重要作用。突触是神经系统功能活动及传递信息的结构基础。不少发现证实,reelin的信号通路参与了突触可塑性的调节,研究reelin与突触的关系,对探究神经病理性疼痛与情绪、记忆紊乱疾病的发病机理有重要意义。现就reelin与突触可塑性的关系进行综述。

1 突触可塑性相关机制

突触可塑性,即突触强度和传递效率随外界环境变化而改变的能力,其主要表现形式为长时程增强(long-term potentiation,LTP)和长时程抑制(long-term depression,LTD),是研究学习、记忆的理想模型[5]。以兴奋性突触后膜的LTP为例,其发生机制主要由两种谷氨酸离子受体相关,即N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)和 α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙受体(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptor,AMPAR),前者是电压依赖性门控的钙离子通道,静息电位下不开放,而后者是对Na+、K+在静息电位下有着高通透性的离子通道,两者常存在于同一树突棘上。由NMDAR触发AMPAR介导的LTP机制主要分以下几步：①突触前膜释放神经递质(主要是谷氨酸盐);②谷氨酸盐与NMDAR结合,突触后膜发生去极化,NMDAR通道激活;③大量钙离子内流激活以钙调蛋白激酶CaMKII为主蛋白激酶;④树突棘膨大;⑤AMPAR受体通过CaMKII介导的胞吐作用,插入突触后膜;⑥钠离子内流骤增,突触后动作电位形成[6-7]。这是LTP发生的经典模型,近来也发现一些神经突触没有AMPAR的存在,NMDAR可以单独完成LTP的发生[8]。综上可知,谷氨酸盐受体在突触可塑性的调节中是关键因素,而其余所有参与因素的改变也都可以影响突触传递功效。

2 Reelin信号通路分子基础

Reelin有两种高亲和性受体,分别是载脂蛋白E受体-2(apolipoprotein E receptors-2,ApoER2)和极低密度脂蛋白受体(very-low-density lipoprotein re-ceptor,VLDLR),Reelin与任一种受体结合后,可以使细胞质调节蛋白disable-1(Dab1)发生聚集,这种聚集激活了Src族激酶(Src family tyrosine kinases,SFK),一种催化受体或蛋白酪氨酸磷酸化的激酶,SFK同时促使Dab1与NMDAR受体的磷酸化,磷酸化的Dab1诱发了一连串级联反应,从磷脂酰肌醇-3激酶(phosphoinositide-3′kinase,PI3K)被激活开始,直到糖原合酶激酶3β(glycogen synthase kinase 3β,GSK3β)被蛋白激酶B(protein kinase B,PKB)抑制才结束,GSK3β可以介导LTD的发生[9]。除了以上的经典信号通路,reelin还可以与整合素家族(integrins)中的细胞粘附分子α3β1结合,这条通路主要参与调节神经突的生长[10]。

3 Reelin通路与突触可塑性

Weeber等[11]首次报道了reelin信号通路在调节突触可塑性中的作用,他们用基因敲除鼠的海马组织离体培养,发现LTP现象在缺少ApoER2的小鼠体内的LTP作用明显减弱,VLDLR缺乏的小鼠也有轻微衰减,外源性加入reelin后也并无改善,而正常鼠的海马组织加入reelin后,LTP作用明显增强。Rogers等[12]发现正常小鼠活体内注射reelin,其海马组织的LTP也出现了明显的增强。以下是近年来对reelin调节突触可塑性的机制的研究进展。

3.1 促进NMDAR磷酸化

Beffert等[13-14]经过多项研究,不仅证明 reelin通过促进NMDR的磷酸化来增强LTP,还发现这个调节过程需要Src族激酶(Src family tyrosine kinases,SFK)和突触后致密蛋白-95(Postsynaptic Density protein 95,PSD-95)的共同参与。Reelin-DAB1通路再激活 SFK,然后 SFK再催化 NMDR磷酸化,NMDAR磷酸化后会使离子通道对Ca2+的导电率增加,LTP因此得以增强。SFK建立了 ApoER2和NMDAR之间的功能连接,PSD-95则是两者间的结构连接。PSD-95是一种较稳定的突触后架构蛋白,它一端与NMDAR相连,另一端可以与ApoER2胞浆段相连,这种连接使两种受体的相互作用更稳固。另外ApoER2的胞浆段必须存在exon-19编码的氨基酸序列才能与PSD-95相连。

Reelin通路在调节NMDAR受体磷酸化时还联合了其他通路,如血管内皮生长因子(Vascular endothelial growth factor,VEGF)[15-16]也可以以磷酸化的形式激活 NMDAR,但必须有 Dab1的参与,而Dab1在缺乏reelin的条件下可以通过VEGF通路被磷酸化激活,说明reelin-Dab1通路和VEGF-Dab1通路可以分别单独激活NMDAR,两者对NMDAR的调节为互补或协同关系[17]。

3.2 抑制NMDAR的内吞作用

Durakoglugil等[18]发现 reelin可以遏制 Aβ导致的LTP和NMDAR的衰减。Aβ是淀粉样蛋白前体(amyloid precursor protein,APP)的裂解产物,与阿尔茨海默病患者的发病密切相关,Aβ使NMDAR去磷酸化,该受体去磷酸化后易发生细胞内吞而在胞膜上消失[19]。Durakoglugil等的研究结果显示,reelin激活的SFK能强化NR2A和NR2B磷酸化,从而阻止Aβ介导的NMDAR内吞作用。在高浓度的Aβ条件下,reelin无法抗衡Aβ诱导的突触功能衰减,Aβ甚至会干扰reelin的结构表达以致破坏其下游信号通路[20]。可见,Aβ和reelin在调节神经元的传递时,相互制约,以维持突触活动的稳定。

3.3 改变谷氨酸盐受体的构型比例和数量

Qiu等[21]证明reelin能促进海马CA1区的谷氨酸盐神经突触的成熟,主要包括以下三方面：①上调NR2A/NR2B的比例。NMDAR是由两个NR1亚单位和两个NR2或NR3亚单位组成的四聚体,正常突触发育过程中,NMDAR在由含NR2B为主转变为含NR2A为主,Reelin则会加速NR2B向NR2A的转变。Campo等[22]也发现要维持 NMDAR中NR2B的低比例必须靠Reelin的持续分泌。②增加AMPAR和 NMDAR数量。Reeler鼠胚胎组织中AMPAR和NMDAR各自的数量都有衰减,补充reelin后,可以逆转这种改变。③减少静止突触的数量。静默突触,即只含NMDAR没有AMPAR的突触,被认为是突触发育阶段的一种未成熟状态,reelin对静默突触的削减作用,也提高了 AMPAR/NMDAR的比例,从而增强了AMPAR介导的突触后电位,Qiu等先前的研究[23]也证明了 reelin增强AMPAR传递功效的途径,不同于NMDAR被SFK磷酸化,而是通过激活PI3K,来刺激更多的AMPAR在插入突触后膜。

3.4 其他机制

Sabine等[24]发现reeler鼠突触前的囊泡数量明显增加,而导入外源性reelin后,囊泡数显著减少,很可能与囊泡释放增多有关。另外reelin-Dab这一经典信号通路并不参与reelin调节囊泡释放过程,而是通过reelin-integrins通路来实现的。调节突触前囊泡的释放可以影响突触前可塑性,囊泡释放增多,可以增强突触前的LTP作用,反之,则LTD增强[25]。可见,reelin对突触功能的影响不仅表现在突触后膜的受体上,还可能参与调节突触前神经递质的释放。

Reelin还参与了突触的形态调节。Niu等[26]证实了reelin通过与ApoER2/VLDLR结合激活Dab1这条信号通路促进树突棘生长,导入外源性reelin可以逆转 reeler鼠的树突棘下调。后来Pujadas等[27]发现reelin的过度表达在强化LTP的同时,也可使树突棘更加膨大。树突棘的形成和稳定需要AMPAR介导的电流,NMDAR的激活也可以促进树突棘的生长[28]。

4 结 语

综上所述,谷氨酸盐受体是reelin对突触可塑性的调节的关键点,而促进NMDAR的磷酸化是其核心步骤。NMDAR磷酸化本身可以增强突触的传递效率,还可以启动其他途径巩固这一作用：①增加突触后膜AMPAR的数量;②抑制NMDAR的内吞;③促进树突棘的生长。但reelin对突触的调节作用还有很多机制尚不清楚,如reelin是主要由GABA能神经元分泌,GABA是抑制性神经递质,研究大多涉及reelin对兴奋性突触的研究,而reelin对抑制性神经突触是否存在影响仍是个迷;reelin抑制NR2B的表达,会削弱对突触的传递作用,这是一种负反馈调节还是一种另外的生理调节机制?缺乏reelin导致的突触囊泡减少,是由于神经递质产生过少,还是由于释放过多,还没有直接证据,这些都有待今后的进一步研究。

[1]D'Arcangelo G,Miao GG,Chen SC,et al.A protein related to extracellular matrix proteins deleted in the mouse mutant reeler[J].Nature,1995,374(6524)：719-723.

[2]Alcantara S,Ruiz M,D'Arcangelo G,et al.Regional and cellular patterns of reelin mRNA expression in the forebrain of the developing and adult mouse[J].J Neurosci,1998,18(19)：7779-7799.

[3]Teixeira CM,Martin ED,Sahun I,et al.Overexpression of reelin prevents the manifestation of behavioral phenotypes related to schizophrenia and bipolar disorder[J].Neuropsychopharmacol,2011,36(12)：2395-2405.

[4]Wang X,Babayan AH,Basbaum AI,et al.Loss of the reelin-signaling pathway differentially disrupts heat,mechanical and chemical nociceptive processing[J].Neuroscience,2012,226：441-450.

[5]张永杰,唐冬梅,徐桂萍.突触可塑性分子机制的相关研究[J].医学综述,2012,18(8)：1141-1143.

[6]Citri A,Malenka RC.Synaptic plasticity：multiple forms,functions,and mechanisms[J].Neuropsychopharmacol,2008,33(1)：18-41.

[7]Rochefort NL,Konnerth A.Dendritic spines：from structure to in vivo function[J].Embo Rep,2012,13(8)：699-708.

[8]Hunt DL,Castillo PE.Synaptic plasticity of NMDA receptors：mechanisms and functional implications[J].Curr Opin Neurobiol,2012,22(3)：496-508.

[9]Lakatosova S,Ostatnikova D.Reelin and its complex involvement in brain development and function[J].Int J Biochem Cell Biol,2012,44(9)：1501-1504.

[10]Schmid RS,Jo R,Shelton S,et al.Reelin,integrin and DAB1 interactions during embryonic cerebral cortical development[J].Cereb Cortex,2005,15(10)：1632-1636.

[11]Weeber EJ,Beffert U,Jones C,et al.Reelin and ApoE receptors cooperate to enhance hippocampal synaptic plasticity and learning[J].J Biol Chem,2002,277(42)：39944-39952.

[12]Rogers JT,Rusiana I,Trotter J,et al.Reelin supplementation enhances cognitive ability,synaptic plasticity,and dendritic spine density[J].Learn Mem,2011,18(9)：558-564.

[13]Beffert U,Weeber EJ,Durudas A,et al.Modulation of synaptic plasticity and memory by Reelin involves differential splicing of the lipoprotein receptor Apoer2[J].Neuron,2005,47(4)：567-579.

[14]Chen Y,Beffert U,Ertunc M,et al.Reelin modulates NMDA receptor activity in cortical neurons[J].J Neurosci,2005,25(36)：8209-8216.

[15]杨向红.生长因子的协同作用与新血管形成的研究进展[J].中国动脉硬化杂志,2011,19(1)：1-5.

[16]王芳,范平,白怀.血管生成抑制蛋白Vasohibin的研究进展[J].中国动脉硬化杂志,2011,19(3)：282.

[17]Howell KR,Hoda MN,Pillai A.VEGF activates NR2B phosphorylation through Dab1 pathway[J].Neurosci Lett,2013,552：30-34.

[18]Durakoglugil MS,Chen Y,White CL,et al.Reelin signaling antagonizes beta-amyloid at the synapse[J].Proc Natl Acad Sci U S A,2009,106(37)：15938-15943.

[19]Wang ZC,Zhao J,Li S.Dysregulation of synaptic and extrasynaptic N-methyl-D-aspartate receptors induced by amyloid-beta[J].Neurosci Bull,2013.

[20]Cuchillo-Ibanez I,Balmaceda V,Botella-Lopez Aet al.Beta-amyloid impairs reelin signaling[J].PLoS One,2013,8(8)：e72297.

[21]Qiu S,Weeber EJ.Reelin signaling facilitates maturation of CA1 glutamatergic synapses[J].J Neurophysiol,2007,97(3)：2312-2321.

[22]Campo CG,Sinagra M,Verrier D,et al.Reelin secreted by GABAergic neurons regulates glutamate receptor homeostasis[J].PLoS One,2009,4(5)：e5505.

[23]Qiu S,Zhao LF,Korwek KM,et al.Differential reelin-induced enhancement of NMDA and AMPA receptor activity in the adult hippocampus[J].J Neurosci,2006,26(50)：12943-12955.

[24]Hellwig S,Hack I,Kowalski J,et al.Role for Reelin in neurotransmitter release[J].J Neurosci,2011,31(7)：2352-2360.

[25]Yang Y,Calakos N.Presynaptic long-term plasticity[J].Front Synaptic Neurosci,2013,5：8.

[26]Niu S,Yabut O,D'Arcangelo G.The Reelin signaling pathway promotes dendritic spine development in hippocampal neurons[J].J Neurosci,2008,28(41)：10339-10348.

[27]Pujadas L,Gruart A,Bosch C,et al.Reelin regulates postnatal neurogenesis and enhances spine hypertrophy and long-term potentiation[J].J Neurosci,2010,30(13)：4636-4649.

[28]冯波,胡鹏,王蓉.突触后致密区与突触可塑性[J].首都医科大学学报,2010,31(1)：84-87.