肌动蛋白结合蛋白在神经元树突棘重塑中的作用

张赛圣 程丽霞 吕 诚

(南昌大学医学院人体解剖学教研室，江西 南昌 330006)

树突棘是存在于哺乳动物大脑神经元树突上的小突起，通常作为突触后成分与投射来的轴突共同构成完整的突触连接。树突棘最显著的一个特征是形态的多样性，在形态、大小和数量上的动态变化与突触的效能密切相关，是突触结构可塑性的主要形式〔1，2〕。树突棘的主要细胞骨架成分是肌动蛋白，肌动蛋白与肌动蛋白结合蛋白相互作用，在树突棘的形态学改变和重塑中发挥着重要作用。

1 树突棘与学习记忆

树突棘是约90%兴奋性突触的突触后部分，构成了哺乳动物中枢神经系统兴奋性突触传递的原始位点，是信息获得与储存的关键和结构基础〔3，4〕。在发育过程中，树突棘的形态会发生很大的变化。在发育早期出现的丝状伪足一般被认为是树突棘的前体，在成熟神经元中树突棘可分为细长型、粗短型、蘑菇型等〔3〕。电镜下，在棘的头部可观察到与突触后膜相连接的高电子密度的盘状结构突触后致密物，其主要由神经递质受体、离子通道、骨架蛋白和参与突触传导、耦联的信号系统组成，约占棘头表面积的10%。研究〔5〕表明，棘头的体积与突触后致密物的面积、突触后受体的数目、突触前囊泡和待释放神经递质的数量呈正比，棘颈的形态(长度和直径)决定了活化的突触中内流Ca2+的浓度和维持的时间〔5〕。用高频刺激诱导长时程增强，会引起突触后致密物与棘头增大，同时突触反应性及微型兴奋性突触后电流(mEPSCs)增加，而低频刺激诱导长时程抑制则伴随着树突棘萎缩〔5，6〕。Kolb等〔7〕研究发现，Morris水迷宫训练可增加大鼠枕叶皮质Ⅲ层锥体细胞树突长度、分支及树突棘密度，T-迷宫训练可增加内侧额叶和眶额叶皮质Ⅲ层锥体细胞树突棘密度；Beltrán-Campos等〔8〕研究发现，经水迷宫训练过的大鼠海马CA1区锥体细胞内与记忆特异性相关的蘑菇型棘数量显著增加；张晓光等〔9〕研究也发现，Morris水迷宫的记忆回想测试可以增加海马CA1区锥体细胞树突棘的密度，提示记忆提取过程可能伴有兴奋性突触的数量增加。

2 肌动蛋白结合蛋白对树突棘形态的调节

研究表明，树突棘的主要细胞骨架成分是肌动蛋白，它以可溶性的球形肌动蛋白单体(G-actin)和聚合态的丝状肌动蛋白多聚体(F-actin)两种形式存在，F-actin是G-actin以双螺旋形式构成的肌动蛋白聚合体，而只有这种多聚体才能发挥其生物学作用，赋予树突棘特征性的形态。现在普遍认为可调节的肌动蛋白的聚合和(或)解聚是树突棘运动、生长和塑形的基础，树突棘形态的改变是通过树突棘内肌动蛋白的重排而实现的，而肌动蛋白结合蛋白在肌动蛋白的重排中起着重要的调节作用〔10，11〕。此类蛋白主要有：(1)发育调节脑蛋白(drebrin)。drebrin最初是从10 d的鸡胚通过二维凝胶电泳分离出来，分为drebrin A和drebrin E两大类。drebrin A主要定位于大脑皮层和海马成熟神经元的树突棘内。将drebrin A的cDNA转染到成纤维细胞内，发现有树突样结构形成；在培养的皮层成熟神经元过表达drebrin A时，神经元树突棘的长度明显增加；而抑制drebrin A在海马神经元中的表达则导致树突棘密度减少。这些研究表明drebrin A能促进树突棘的生长发育，其作用机制有：① drebrin能够抑制肌动蛋白和肌球蛋白的相互作用，减少F-actin的收缩力和树突棘的回缩；② drebrin能募集profilin(肌动蛋白聚合的启动子)进入纤丝引起棘的延长；③ drebrin还可以抑制原肌球蛋白和α-辅肌动蛋白，并竞争性与F-actin结合，调节actin骨架网的动力学，进而引起树突棘形态改变〔10～14〕。(2)cofilin。cofilin是分子量21 kD的肌动蛋白结合蛋白，一般存在于与肌动蛋白快速重组相关的移动性位点，在树突棘中主要定位于棘的边缘和突触后致密物。cofilin能切割F-actin并加速亚基从F-actin末端分离，提高F-actin翻转和扭曲。在扭曲过程中，肌动蛋白分子之间的纵向和横向接触面减小，修正了蛋白螺旋之间的间距，影响了亚基之间的相互作用，从而导致F-actin的快速解聚。cofilin的磷酸化与否是肌动蛋白解聚的开关，cofilin的磷酸化酶有LIM激酶，cofilin是目前已知唯一的LIM激酶作用靶点，LIM激酶能通过增加Ser3位点磷酸化使cofilin蛋白失活〔10，11，15〕。(3)肌动蛋白相关蛋白2/3(Arp2/3)复合体。Arp2/3复合体由7条保守的多肽链组成，其中2个亚基分别是Arp2和Arp3。Arp2/3复合体在介导肌动蛋白核化和微丝分支中具有关键作用，但其本身没有生化活性，它需要核化促进因子的激活。这些核化促进因子中，神经型Wiskott-Aldrich综合征蛋白(N-WASP)和WASP家族Verprolin同源蛋白(WAVE)尤为重要。这两种蛋白均含有VCA结构域，此结构域是Arp2/3复合体诱导F-actin聚合的关键区域。激活的Arp2/3复合体通过“树突状核化”模式或“正端分支”模式介导肌动蛋白核化及微丝分支〔10，16〕。(4)树突棘相关的Rap特异性GTP酶活化蛋白(SPAR)。SPAR位于突触后NMDA受体-PSD-95复合体中，是调节活动依赖性突触重构的重要蛋白之一。SPAR包含两个独立的F-actin结合区(Act1和Act2)、一个鸟苷酸激酶结合区和一个GTP酶活化区。在海马神经元中，SPAR定位于树突棘上，在较大的棘内含量丰富。SPAR过表达能诱导肌动蛋白重组，导致棘头增大，形态不规则。神经元树突棘内SPAR水平受突触活化的调节。突触活化诱导产生的血清诱导激酶(SNK)能靶向性地与树突棘内SPAR的Act2结构域相结合，使SPAR磷酸化，磷酸化的SPAR经泛素化-蛋白酶体途径发生降解，此即突触活化过程中的SNK-SPAR信号途径。SPAR降解导致成熟树突棘减少和丝状伪足生成，突触后致密物和突触丢失，最终使突触联系减少〔10，17～19〕。(5)cortactin，cortactin富含于神经元树突棘中并与F-actin共定位。过表达cortactin促进树突棘的延长，而敲除内源性cortactin则导致树突棘密度下降。此外，NMDA受体的活化可以触发cortactin从树突棘到树突柄的再分配，表明cortactin参与神经元活性依赖性的树突棘重塑。cortactin通过中央的串联重复序列区域与F-actin相互作用，通过N-末端酸性区和Arp2/3复合体相互作用。这些相互作用促进了肌动蛋白细胞骨架的聚合、分支和稳定〔20～22〕。(6)spinophilin，电镜观察显示spinophilin特异性定位于树突棘的头部，常作为突触后树突标志来分析和定量光镜下树突棘密度的变化。除了作为树突棘的标志外，spinophilin还可通过对树突棘兴奋性突触传递和树突棘形态的调节在突触可塑性中扮演重要角色。体外实验显示，spinophilin能够绑定和交联肌动蛋白丝，使其聚集成束。而spinophilin基因敲除的小鼠可影响长时程抑制并且损害学习能力。Spinophilin能被蛋白激酶A和钙离子/钙调蛋白依赖的蛋白激酶等磷酸化。Spinophilin和肌动蛋白的结合能力与Spinophilin的磷酸化水平呈负相关。Spinophilin磷酸化后，与肌动蛋白的结合能力减弱，使其从突触后膜上脱离，破坏树突形态的稳定性，导致树突棘结构丢失〔23～26〕。

3 树突棘内肌动蛋白结合蛋白调节异常与神经退行性疾病

来自细胞模型、动物模型和患者尸检实验资料表明许多神经退行性疾病出现树突棘的病理性改变、树突棘内肌动蛋白结合蛋白调节机制受损。Perez-Cruz等〔27〕发现Tg2576和 APP/Lo转基因阿尔茨海默病(AD)模型小鼠海马CA1区锥体细胞内蘑菇型树突棘密度明显下降。Julien等〔28〕发现AD患者脑内drebrin mRNA表达下降与AD病程进展密切相关。Yao等〔29〕的Western印迹检测显示Tg19959转基因AD模型小鼠脑内和原代培养的神经元内cofilin表达明显升高。在帕金森病(PD)动物模型和患者脑内，中型多棘纹状体投射神经元树突棘密度减少是继黑质多巴胺能神经元丢失之后的另一个主要病理改变〔30～32〕。PINK1基因是与早发性常染色体隐性遗传性PD相关的致病基因，PINK1基因抑制可导致磷酸化的cofilin表达增加〔33〕。Golgi染色显示亨廷顿病转基因小鼠中型多棘纹状体神经元和皮质锥体神经元树突棘密度和长度下降〔34，35〕。突变的亨廷顿蛋白能导致细胞核内cofilin-肌动蛋白棒状结构的持续存在〔36〕。Irwin等〔37〕研究显示，脆性X综合征患者颞叶和视觉区第Ⅴ层锥体神经元树突棘呈现出细长扭曲的不成熟状态。徐琴等〔38〕研究显示，Drebrin A和Drebrin E在树突棘和突触发育成熟关键期的表达交替延迟是脆性X综合征树突棘形态和功能异常的原因之一。

4 展 望

肌动蛋白结合蛋白对树突棘的细胞骨架肌动蛋白的重排起着重要的调节作用，在树突棘的形态学改变和重塑中扮演重要角色。尽管肌动蛋白结合蛋白调节树突棘重塑的研究已取得了一些重要进展，但其具体机制尚需深入探讨。特别是肌动蛋白结合蛋白与肌动蛋白作用的方式以及细胞内信号传导的精细机制等都有待于进一步阐明。另外，大量研究表明，许多神经退行性疾病树突棘内肌动蛋白结合蛋白调节机制受损。对肌动蛋白结合蛋白在神经退行性疾病中作用的深入研究可能为其发病机制的阐明和寻找防治疾病的新靶点提供基础。

5 参考文献

1Martino A，Ettorre M，Musilli M，etal.Rho GTPase-dependent plasticity of dendritic spines in the adult brain〔J〕.Front Cell Neurosci，2013，doi：10.3389/fncel.2013.00062.

2O'Donnell C，Nolan MF，van Rossum MC.Dendritic spine dynamics regulate the long-term stability of synaptic plasticity〔J〕.J Neurosci，2011;31(45)：16142-56.

3Fortin DA，Srivastava T，Soderling TR.Structural modulation of dendritic spines during synaptic plasticity〔J〕.Neuroscientist，2012;18(4)：326-41.

4Spires-Jones T，Knafo S.Spines，plasticity，and cognition in Alzheimer's model mice〔J〕.Neural Plast，2012，doi：10.1155/2012/319836.

5Bosch M，Hayashi Y.Structural plasticity of dendritic spines〔J〕.Curr Opin Neurobiol，2012；22(3)：383-8.

6Tolias KF，Duman JG，Um K.Control of synapse development and plasticity by Rho GTPase regulatory proteins〔J〕.Prog Neurobiol，2011；94(2)：133-48.

7Kolb B，Cioe J，Comeau W.Contrasting effects of motor and visual spatial learning tasks on dendritic arborization and spine density in rats〔J〕.Neurobiol Learn Mem，2008；90(2)：295-300.

8Beltrán-Campos V，Prado-Alcalá RA，León-Jacinto U，etal.Increase of mushroom spine density in CA1 apical dendrites produced by water maze training is prevented by ovariectomy〔J〕.Brain Res，2011；1369：119-30.

9张晓光，薛张纲.记忆提取对小鼠树突棘的形态学影响〔J〕.中国临床科学，2012；19(2)：91-3.

10Penzes P，Rafalovich I.Regulation of the actin cytoskeleton in dendritic spines〔J〕.Adv Exp Med Biol，2012；970：81-95.

11Soria Fregozo C，Pérez Vega MI.Actin-binding proteins and signalling pathways associated with the formation and maintenance of dendritic spines〔J〕.Neurologia，2012；27(7)：421-31.

12贾丽洁，罗 艳，张富军，等.Drebrin对突触可塑性的影响以及相关认知功能障碍的研究进展〔J〕.中国药理学通报，2010；26(8)：989-92.

13Mikati MA，Grintsevich EE，Reisler E.Drebrin-induced stabilization of actin filaments〔J〕.J Biol Chem，2013；288(27)：19926-38.

14柴继侠，李瑞锡，彭裕文.Drebrin在神经元树突棘形成和重塑中的作用〔J〕.神经解剖学杂志，2009；25(2)：221-6.

15赵 微，苏玉虹，巴彩凤，等.Cofilin蛋白功能及活性调节〔J〕.中国生物化学与分子生物学报，2007；23(9)：706-10.

16叶绽蕾，张 迪，苗一非，等.肌动蛋白相关蛋白(ARP2/3)在神经树突棘可塑性中的研究进展〔J〕.神经疾病与精神卫生，2007；7(6)：411-5.

17Gong X，Lu X，Zhan L，etal.Role of the SNK-SPAR pathway in the development of Alzheimer’s disease〔J〕.IUBMB Life，2010；62(3)：214-21.

18战丽彬，宫晓洋，刘 莉，等.脾阴虚痴呆大鼠不同脑区Snk-SPAR 路径及滋补脾阴方药调控作用研究〔J〕.世界科学技术——中医药现代化，2011；13(5)：836-41.

19吴兰香，孙长凯，张玉梅，等.银杏叶提取物神经保护作用中Snk-SPAR途径机制探讨〔J〕.神经解剖学杂志，2007；23(2)：199-204.

20Ueda S，Negishi M，Katoh H.Rac GEF Dock4 interacts with cortactin to regulate dendritic spine formation〔J〕.Mol Biol Cell，2013；24(10)：1602-13.

21Chen YK，Hsueh YP.Cortactin-binding protein 2 modulates the mobility of cortactin and regulates dendritic spine formation and maintenance〔J〕.J Neurosci，2012；32(3)：1043-55.

22Ethell IM，Pasquale EB.Molecular mechanisms of dendritic spine development and remodeling〔J〕.Prog Neurobiol，2005；75(3)：161-205.

23周琳娜，刘 娟，杨朝辉，等.雌激素替代治疗对大鼠小脑树突棘素表达的影响〔J〕.中国组织化学与细胞化学杂志，2009；18(5)：530-5.

24Hu J，Vidovic M，Chen MM，etal.Activation of alpha 2A adrenoceptors alters dendritic spine development and the expression of spinophilin in cultured cortical neurones〔J〕.Brain Res，2008；1199：37-45.

25Hu XL，Bergström SA，Brink M，etal.Enriched environment increases spinophilin mRNA expression and spinophilin immunoreactive dendritic spines in hippocampus and cortex〔J〕.Neurosci Lett，2010；476(2)：79-83.

26Hsieh-Wilson LC，Benfenati F，Snyder GL，etal.Phosphorylation of spinophilin modulates its interaction with actin filaments〔J〕.J Biol Chem，2003；278(2)：1186-94.

27Perez-Cruz C，Nolte MW，van Gaalen MM，etal.Reduced spine density in specific regions of CA1 pyramidal neurons in two transgenic mouse models of Alzheimer's disease〔J〕.J Neurosci，2011；31(10)：3926-34.

28Julien C，Tremblay C，Bendjelloul F，etal.Decreased drebrin mRNA expression in Alzheimer disease：correlation with tau pathology〔J〕.J Neurosci Res，2008；86(10)：2292-302.

29Yao J，Hennessey T，Flynt A，etal.MicroRNA-related cofilin abnormality in Alzheimer’s disease〔J〕.PLoS One，2010；5(12)：e15546.

30Pienaar IS，Burn D，Morris C，etal.Synaptic protein alterations in Parkinson's disease〔J〕.Mol Neurobiol,2012；45(1)：126-43.

31Villalba RM，Smith Y.Neuroglial plasticity at striatal glutamatergic synapses in Parkinson's disease〔J〕.Front Syst Neurosci，2011，doi：10.3389/fnsys.2011.00068.

32Villalba RM，Smith Y.Striatal spine plasticity in Parkinson's disease〔J〕.Front Neuroanat，2010，doi：10.3389/fnana.2010.00133.

33Cuadrado-Tejedor M，Sesma MT，Giménez-Amaya JM，etal.Changes in cytoskeletal gene expression linked to MPTP-treatment in Mice〔J〕.Neurobiol Dis，2005；20(3)：666-72.

34Spires TL，Grote HE，Garry S，etal.Dendritic spine pathology and deficits in experience-dependent dendritic plasticity in R6/1 Huntington's disease transgenic mice〔J〕.Eur J Neurosci，2004；19(10)：2799-807.

35Richards P，Didszun C，Campesan S，etal.Dendritic spine loss and neurodegeneration is rescued by Rab11 in models of Huntington's disease〔J〕.Cell Death Differ，2011；18(2)：191-200.

36Munsie L，Caron N，Atwal RS，etal.Mutant huntingtin causes defective actin remodeling during stress：defining a new role for transglutaminase 2 in neurodegenerative disease〔J〕.Hum Mol Genet，2011；20(10)：1937-51.

37Irwin SA，Patel B，Idupulapati M，etal.Abnormal dendritic spine characteristics in the temporal and visual cortices of patients with fragile-X syndrome：a quantitative examination〔J〕.Am J Med Genet，2001；98(2)：161-7.

38徐 琴，竺智伟，赵正言.Drebrins和Icam-5在Fmr-1基因敲除鼠大脑皮层的表达和意义〔J〕.中华神经医学杂志，2012；11(7)：658-62.