磷酸二酯酶与神经保护作用

范鸣玥 吕佩源

环磷酸腺苷（cyclic adenosine 3’，5’－monophosphate，cAMP）和 环 磷 酸 鸟 苷 （cyclic guanosine 3’，5’－monophosphate，cGMP）是细胞内重要的第二信使，在细胞代谢、记忆、神经传递、细胞生长和分化中起重要作用。磷酸二酯酶（phosphodiesterases，PDEs）催化cAMP和cGMP水解是细胞内降解cAMP和cGMP的惟一途径。由于环磷酸核苷信号对神经可塑性的重要作用和PDEs亚型的不同特性，抑制PDEs正在成为大多数神经系统疾病的治疗靶点。本文将对PDEs及其在神经系统的作用做一综述。

1 环核苷酸和PDEs

1.1 cAMP和cGMP cAMP和cGMP均属于环核苷酸类，也是细胞内两种重要的第二信使，它们通过特殊的受体参与机体的多种新陈代谢活动，其细胞内浓度的调节主要取决于腺（鸟）苷酸环化酶（adenylyl cyclase，AC）的合成作用和PDEs水解作用之间的平衡。PDEs能特异性地以3’，5’环核苷酸为底物，催化细胞内的cAMP和cGMP水解生成相应的无活性5’核苷酸，从而影响生物体的各种代谢功能。

1.2 PDEs家族及其功能特点 根据序列同源性原则，PDEs超家族有11个亚型（PDE1－11），多数亚型有不止一种基因产物，如PDE4亚型有PDE4A、PDE4B、PDE4C和PDE4D四种基因产物。各亚型间的主要区别是与两种不同环核苷酸的密切程度不同。如PDE4、7和8是cAMP特异性酶，PDE5、6和9是cGMP特异性酶，而PDE1、2、3、10和11是所谓的双底物PDEs，可以作用于cAMP和cGMP。选择性PDEs抑制剂可特异性作用于不同亚型而发挥不同作用。

PDEs是调节第二信使的重要酶类，可以调节cAMP（cGMP）／蛋白激酶 B（PKA）〔蛋白激酶 G（PKG）〕／cAMP反应元件结合蛋白（cAMP－responsive element binding protein，CREB）细胞信号通路，进而影响CREB磷酸化过程及其下游基因表达水平，并产生各种生物学作用，包括抗炎、抗抑郁、增强记忆和改善认知功能等。

2 PDEs与神经系统疾病

2.1 脑血管病 既往研究已证实，在PDEs的多个家族成员中，16种PDEs基因产物在脑微血管中表达［1］。PDE4D是其中一种，它在脑缺血急性期发挥重要作用，可能与其改变血－脑脊液屏障通透性有关。脑缺血导致血管PDE4D表达增高，使海马CA1损伤严重，白蛋白免疫反应性明显增高，这将改变血－脑脊液屏障通透性，并进一步加重缺血后损伤［2］。有研究发现，在幼年大鼠中这一变化更明显，且PDE4D表达也更高［2］。

2.2 阿尔茨海默病（Alzheimer Disease，AD）AD是迄今研究最多的与年龄相关的神经退行性疾病。这种疾病最突出的症状是认知功能，尤其是记忆功能进行性下降。虽然该病的确切病因还未阐明，但是已经发现该病患者脑内淀粉样蛋白和神经纤维缠结的存在对疾病进程有重要影响。

通常认为，cAMP和cGMP参与了AD中神经纤维缠结和突触可塑性下降。cAMP及其主要目的蛋白酶——蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）通过磷酸化tau蛋白在神经纤维缠结中发挥重要作用［3］。有研究发现，在 AD患者中 AC／cAMP／PKA信号通路下调［4］。由于一些PDEs亚型的激活受cAMP／PKA信号本身的调节，因此PDEs的活性和表达受信号通路功能失调的影响。AC／cAMP／PKA信号通路可激活CREB，此信号通路下调与AD中认知功能障碍和突触可塑性下降有关［5］。

与cAMP／PKA 通路相似，一氧化氮（NO）／cGMP通路在记忆形成中也具有重要作用。有文献表明，cGMP与AD有关。淀粉样前蛋白／早老素1（APP／PS1）转基因小鼠表现为认知障碍和cGMP信号下调，而PDE5抑制剂可通过调节PKG／p－CREB信号通路和减少Aβ水平减轻认知损害［6］。PDE9抑制剂可通过 NO／cGMP／PKG通路增强长时程增强（long－term potentiation，LTP）影响学习和记忆［7］。

2.3 多发性硬化（multiple sclerosis，MS） MS是一种以白质损伤为特征的中枢神经系统自身炎性疾病。虽然该病的主要病因是中枢神经系统炎性反应，但是疾病进展和不可逆神经功能缺失却与轴突损伤密切相关。PDE7参与了促炎反应，PDE7抑制剂能通过增加细胞内cAMP水平减轻炎性反应发挥神经保护作用［8］。在MS实验动物模型实验性自身免疫性脑脊髓炎（EAE）中，PDE4B可通过调节cAMP水平影响对T细胞分化有重要作用的细胞因子［9］。另有研究报道，MS患者外周血淋巴细胞PDE2、3、4和7等cAMP特异性PDEs亚型mRNA表达增加［10］，但其脑内表达水平尚未知。综上所述，cAMP信号参与了神经炎性进程，此过程可能源于PDEs水平改变。

2.4 纹状体性运动障碍 PDEs在纹状体变性为特征的疾病，如亨廷顿病（Huntington’s disease，HD）和帕金森病（Parkinson disease，PD）等的病理机制中发挥重要作用。关于纹状体神经退行性病变，研究最多的PDEs是在纹状体表达量最高的双底物酶PDE10A［11］。在对严重HD患者的脑尸检中发现，PDE10A水平在尾状核、壳核和伏隔核均下降［12］。另有文献报道PDE5抑制剂能通过减少卡配因（calpain）活性和增加纹状体磷酸化环磷酸腺苷反应元件结合蛋白（p－CREB）和脑源性神经营养因子（brain derived neurotropic factor，BDNF）表达发挥保护作用，使小鼠免受3－硝基丙酸（3－nitropropionic acid，3－NP）引起的纹状体退行性变［13］。

Ca2＋／钙调素依赖性PDE1B也是一种双底物PDEs，与PDE10A定位相似，在尾状核和伏隔核表达较小脑增高［14］。PDE1B的定位与富含多巴胺受体和多巴胺能神经支配的脑区相一致。PDE1B和PDE10A在运动行为方面具有相反作用的事实表明PDEs亚型在纹状体细胞内信号级联中发挥着不同作用。在中间神经元，PDE10A主要表达在纹状体－苍白球D2间接通路中，D2受体负耦合到AC降低cAMP水平导致行为抑制［14］。相比之下，PDE1B主要表达在纹状体－黑质D1直接通路，D1受体使AC活性增强而增加cAMP水平导致行为活跃［15］。

除了运动功能外，HD还表现为认知障碍。有研究报道HD患者海马PKA信号过度活跃，这些与海马区大量PDE4亚型表达下调密切相关，表明在HD患者cAMP信号过度活跃可能引起早期认知障碍［15］。

常染色体显性纹状体退行性疾病（autosomaldominant striatal degeneration，ADSD）是一种与HD和PD有关的疾病，以功能障碍和纹状体形态改变为特征，其临床特征与PD相似，但没有震颤且对左旋多巴治疗反应较差。Appenzeller等［16］应用遗传连锁分析了1个ADSD家族发现，ADSD是由cAMP特异的PDE8B的一个基因编码区的复杂移码突变引起的，PDE8B在整个脑区高表达，在壳核表达最高。PDE8B也可能与其他纹状体性运动障碍，如PD有关 。鉴于对左旋多巴治疗反应不同，考虑ADSD可能是由纹状体多巴胺能信号下降引起，而PD由其上调引起。

2.5 肌萎缩侧索硬化（Amyotrophic lateral sclerosis，ALS） ALS是一种致死性神经退行性疾病，以运动神经元快速进行性退化为特征。cGMP介导的神经保护作用的缺失是运动神经元选择性易损的重要原因。PDEs是水解cAMP／cGMP酶系大家族，抑制PDEs能增加细胞内cGMP水平，对运动神经元存活有益。有文献报道，cGMP能保护脊髓运动神经元免受急性活性氧（reactive oxygen species，ROS）诱导的毒性损伤。PDE5选择性抑制剂（如双嘧达莫和扎普司特）和PDEs非选择性抑制剂（如氨茶碱）对慢性兴奋性毒性作用或急性ROS诱导的脊髓运动神经元和非运动神经元具有保护作用，而PDE1－4的选择性抑制剂则不具有该作用［17］。另外，免疫组化证实在大鼠几乎所有腰髓神经元均有PDE5表达，并且在运动神经元表达量更多，这种数量上的差异可能是造成运动神经元更易受慢性兴奋性毒性损伤的原因［17］。综上所述，推测PDE5抑制剂可能会成为ALS的治疗选择。

2.6 抑郁症 严重抑郁障碍（major depressive disorder，MDD）是一种神经退行性疾病，它与海马齿状回神经发生下降［18］和海马CA3区神经元萎缩［19］有关。

人脑尸检的大量证据表明，cAMP信号级联反应的多个成员包括AC、PKA和CREB在MDD中均下调。这其中一个研究较多的亚型是cAMP特异性 PDE4。O’Donnell等［20］报道 MDD 患者PDE4水平明显下降，并认为其可能是对神经信号降低导致cAMP下降做出的代偿反应。另有一项研究使用PET扫描对非药物治疗MDD患者11C－（R）－咯利普兰体内结合水平进行检测，结果发现MDD患者11C－（R）－咯利普兰水平下降20%，提示PDE4抑制剂可能具有抗抑郁作用［21］。

Wong等［22］检测了美国人群中284名患者和性别年龄匹配的健康对照组PDEs超家族所有21个基因编码区单核苷酸多态性（single－nucleotide polymorphism，SNPs），发现PDE9A 和PDE11A多态性与MDD诊断之间有密切联系。还有研究发现PDE11A多态性与抗抑郁治疗反应有关［23］。然而，Cabanero等［24］进行了一个更大样本量的研究，对1914名患者和性别年龄匹配的健康人进行比较，发现PDE11A、PDE9A和PDE1A与抗抑郁治疗效果间没有明显关系，与上述结果不相一致。

2.7 其他 中枢神经系统急性损伤后，抑制PDEs导致环核苷酸水平升高可改善恢复进程。在各种体外神经毒性（包括缺氧／低糖诱导和谷氨酸诱导的神经毒性）模型中，抑制PDEs都表现出了神经保护作用，该作用可能是通过抑制凋亡前caspase－3活性实现的［25］。有研究报道，在临床前模拟脊髓损伤后，通过抑制PDE4提高cAMP水平，可以增强轴突髓鞘形成、存活和生长以及功能恢复［26］。此外，亦有研究证明，在临床前模拟缺血模型中，抑制PDE3和PDE5能增加神经发生并激发现有神经元的如突触发芽和轴突重构等结构性改变，从而促进功能恢复［27］。

综上可见，环核苷酸对细胞内信号和神经可塑性具有至关重要的作用，多种神经系统病变都与环核苷酸信号引起的PDEs表达变化有关。在某些情况下，PDEs失调和疾病之间有直接联系。而在大多数疾病中，它们之间的关系更像是对信号转导失调的补偿机制。PDEs表达和功能异常可能与环核苷酸信号异常有关，并最终导致疾病过程。环核苷酸水平的正常化至少能代表疾病的治疗效果，这也引起各位学者对作为药物治疗靶点的PDEs抑制剂产生极大兴趣。然而，目前检测患者PDEs表达的研究有限，仍需要更多的实验以更深入了解PDEs功能和神经病理学之间的关系。

［1］He Z，Cui L，Patterson TA，et al.Defining the phosphodiesterase super family members in rat brain microvessels［J］.ACS Chem Neurosci，2011，2（10）:600－607.

［2］He Z，He B，Behrle BL，et al.Ischemia－induced increase in microvascular phosphodiesterase 4Dexpression in rat hippocampus associated with blood brain barrier permeability:effect of age［J］.ACS Chem Neurosci，2012，3（6）:428－432.

［3］Shi J，Qian W，Yin X，et al.Cyclic AMP－dependent protein kinase regulates the alternative splicing of tau exon 10:a mechanism involved in tau pathology of Alzheimer disease［J］.J Biol Chem，2011，286（16）:14639－14648.

［4］Scott Bitner R.Cyclic AMP response element－binding protein（CREB）phosphorylation:a mechanistic marker in the development of memory enhancing Alzheimer’s disease therapeutics［J］.Biochem Pharmacol，2012，83（6）:705－714.

［5］Saura CA，Valero J.The role of CREB signaling in Alzheimer’s disease and other cognitive disorders［J］.Rev Neurosci，2011，22（2）:153－169.

［6］Zhang J，Guo J，Zhao X，et al.Phosphodiesterase－5inhibitor sildenafil prevents neuroinflammation，lowers beta－amyloid levels and improves cognitive performance in APP／PS1transgenic mice［J］.Behav Brain Res，2013，250:230－237.

［7］Kroker KS，Rast G，Giovannini R，et al.Inhibition of acetylcholinesterase and phosphodiesterase－9Ahas differential effects on hippocampal early and late LTP［J］.Neuropharmacology，2012，62（5－6）:1964－1974.

［8］Redondo M，Brea J，Perez DI，et al.Effect of phosphodiesterase 7（PDE7）inhibitors in experimental autoimmune encephalomyelitis mice.Discovery of a new chemically diverse family of compounds［J］.J Med Chem，2012，55（7）:3274－3284.

［9］Sanabra C，Johansson EM，Mengod G.Critical role for PDE4 subfamilies in the development of experimental autoimmune encephalomyelitis［J］.J Chem Neuroanat，2013，47:96－105.

［10］Mizrachi K，Aricha R，Feferman T，et al.Involvement of phosphodiesterases in autoimmune diseases［J］.J Neuroimmunol，2010，220（1－2）:43－51.

［11］Lakics V，Karran EH，Boess FG.Quantitative comparison of phosphodiesterase mRNA distribution in human brain and peripheral tissues［J］.Neuropharmacology，2010，59（6）:367－374.

［12］Hebb AL，Robertson HA，Denovan－Wright EM.Striatal phosphodiesterase mRNA and protein levels are reduced in Huntington’s disease transgenic mice prior to the onset of motor symptoms［J］.Neuroscience，2004，123（4）:967－981.

［13］Puerta E，Hervias I，Barros－Minones L，et al.Sildenafil protects against 3－nitropropionic acid neurotoxicity through the modulation of calpain，CREB，and BDNF［J］.Neurobiol Dis，2010，38（2）:237－245.

［14］Nishi A，Snyder GL.Advanced research on dopamine signaling to develop drugs for the treatment of mental disorders:biochemical and behavioral profiles of phosphodiesterase inhibition in dopaminergic neurotransmission［J］.J Pharmacol Sci，2010，114（1）:6－16.

［15］Giralt A，Saavedra A，Carreton o，et al.Increased PKA signaling disrupts recognition memory and spatial memory:role in Huntington’s disease［J］.Hum Mol Genet，2011，20（21）:4232－4247.

［16］Appenzeller S，Schirmacher A，Halfter H，et al.Autosomaldominant striatal degeneration is caused by a mutation in the phosphodiesterase 8Bgene［J］.Am J Hum Genet，2010，86（1）:83－87.

［17］Nakamizo T，Kawamata J，Yoshida K，et al.Phosphodiesterase inhibitors are neuroprotective to cultured spinal motor neurons［J］.J neurosci res，2003，71:485－495.

［18］Boldrini M，Underwood MD，Hen R，et al.Antidepressants increase neural progenitor cells in the human hippocampus［J］.Neuropsychopharmacology，2009，34（11）:2376－2389.

［19］Tsopelas C，Stewart R，Savva GM，et al.Neuropathological correlates of late－life depression in older people［J］.Br J Psychiatry，2011，198（2）:109－114.

［20］O’Donnell JM，Xu Y.Evidence for global reduction in brain cyclic adenosine monophosphate signaling in depression［J］.Biol Psychiatry，2012，72（7）:524－525.

［21］Fujita M，Hines CS，Zoghbi SS，et al.Downregulation of brain phosphodiesterase typeⅣ measured with（11）C－（R）－rolipram positron emission tomography in major depressive disorder［J］.Biol Psychiatry，2012，72（7）:548－554.

［22］Wong ML，Whelan F，Deloukas P，et al.Phosphodiesterase genes are associated with susceptibility to major depression and antidepressant treatment response［J］.Proc Natl Acad Sci USA，2006，103（41）:15124－15129.

［23］Luo HR，Wu GS，Dong C，et al.Association of PDE11A global haplotype with major depression and antidepressant drug response［J］.Neuropsychiatr Dis Treat，2009，5:163－170.

［24］Cabanero M，Laje G，Detera－Wadleigh S，et al.Association study of phosphodiesterase genes in the sequenced treatment alternatives to relieve depression sample［J］.Pharmacogenet Genomics，2009，19（3）:235－238.

［25］Chen RW，Williams AJ，Liao Z，et al.Broad spectrum neuroprotection profile of phosphodiesterase inhibitors as related to modulation of cell－cycle elements and caspase－3activation［J］.Neurosci Lett，2007，418（2）:165－169.

［26］Yin Y，Sun W，Li Z，et al.Effects of combining methylprednisolone with rolipram on functional recovery in adult rats following spinal cord injury［J］.Neurochem Int，2013，62（7）:903－912.

［27］Tanaka Y，Tanaka R，Liu M，et al.Cilostazol attenuates ischemic brain injury and enhances neurogenesis in the subventricular zone of adult mice after transient focal cerebral ischemia［J］.Neuroscience，2010，171（4）:1367－1376.