突触可塑性相关蛋白及其与临床疾病的关系

朱旭红 张萍淑 程赞赞 孟 燕 张利平 元小冬

华北理工大学附属开滦总医院神经内科二病区 河北唐山 063000

突触可塑性相关蛋白及其与临床疾病的关系

朱旭红 张萍淑 程赞赞 孟 燕 张利平 元小冬

华北理工大学附属开滦总医院神经内科二病区 河北唐山 063000

突触前可塑性 突触后可塑性 突触可塑性相关蛋白 临床疾病

突触(synapse)是神经元比较特殊的组成成分，在结构上，突触能连接邻近的神经细胞，细胞间彼此连接，形成错综复杂的网络结构，这就形成了信息传递的结构基础；功能上，它不仅可以传递物质并且可以对其进行整合进而起到传递信息的作用。对突触可塑性(synapticplasticity)的定义是：在内因或外因刺激作用下，神经元突触在功能、结构形态或数目上可能发生相应变化，导致其传递效能随之发生改变，从而使神经环路发生某些适应性变化[1]。突触可塑性主要被分为两种：一种是结构可塑性，包括突触形态上的改变以及新的突触联系的形成；另一种是功能可塑性，与物质呈递和信息传递效率相关。其中结构可塑性是功能可塑性的基础。突触可塑性可以分为两种：一种是长时程增强(longtermpotentiation,LTP)；另一种是长时程抑制(longtermdepression,LTD)。Li等[2]通过实验研究证明突触可塑性在大脑的学习记忆过程中具有重要作用。这也就是为什么一些临床疾病的发生可能是由突触的病理改变引起的， 其病理改变不仅可以包括树突棘形态和数量、突触结构及密度等结构上的改变，还可以包括信号传导和可塑性等功能上的改变等[3]。

1 突触前可塑性相关分子蛋白及其分子机制

突触根据其传递信号的方式可以分为两种：一种是电突触(electricalsynapse)，其特点是传递速度快，神经冲动经相邻细胞间的缝隙连接可以跨越突触前、后神经元的胞膜而进行传递；另外一种是化学突触(chemicalsynapse)，而细胞质内的突触囊泡(synapticvesicle)及其所包裹的神经递质则是化学突触重要的结构基础，这对信息的传递尤其重要。

1.1 突触素(synaptophysin,SYN)SYN是一种能特异结合Ca2+的糖蛋白，主要位于突触囊泡膜上，是突触囊泡中含量最为丰富的跨膜蛋白之一，约占全部囊泡膜蛋白含量的6%～8%。对人类来说，SYN包含307个氨基酸，并且肽链的C-端和N-端均在胞质侧，因其分子量为38kDa，所以又命名为p38。其C-端可特异结合Ca2+，它既参与了突触囊泡的活化、锚定、导入、运输和分泌等一系列活动，又参与了突触囊泡的再循环等，有效地调控了突触的传递;除此之外，它还参与了突触的发生。大多数以为SYN是突触发生和分化的重要标志物之一，它既可以通过影响神经元突触的结构，又可以通过其磷酸化来调节谷氨酸、乙酰胆碱等神经递质的分泌[4]，可见SYN在突触可塑性中发挥一定的作用。因此，SYN可以作为突触囊泡的特异性标志物，其含量可以间接反映突触的数量、密度及传递效能[5,6]。

1.2 神经生长相关蛋白(neurongrowthassociatedprotein，GAP-43)GAP-43的分子结构中包含226～243个氨基酸残基，是脊椎动物神经元轴突末端生长锥细胞内膜的一种特异性磷蛋白，主要位于神经元突触前膜，在整个神经系统中普遍分布[7]。Honer等[8]曾报道GAP-43在神经系统整个生长发育、分化和损伤修复过程中有不可或缺的作用，实验中可以发现其mRNA水平和蛋白质含量均出现明显上调。实际上国内外已经将其作为神经生长发育和损伤再生等的首要标记物[9,10]。除此之外，GAP-43还与突触可塑性相关，大致可以分为两种：①GAP-43可以影响突触形态结构的变化。GAP-43作为钙调素的聚集池，在某些因子影响下(如第二信使)可以释放钙调素，并且其自身还能发生磷酸化。同时，在神经末梢的局部位点存在一些级联蛋白，这些蛋白会受钙调素的影响而快速激活，进一步影响递质的释放。而激活后的的GAP-43又可以与骨架分子蛋白相互作用影响，进一步调节神经末端的活力，继而影响轴突、突触及树突棘形态的变化等。②与突触功能相关的LTP和LTD，可以引起突触效能的变化，而效能的变化又可影响GAP-43的磷酸化及其mRNA和蛋白水平的变化。反过来，当脑神经发生损伤时，过度表达的GAP-43又可以建立和识别突触间的连接，促进突触再生和强化，完善突触效能，进而促进损伤脑神经的重塑。总之，GAP-43不仅在结构上与神经发育和分化、神经元突起生长、突触结构发生及再塑有关，还在功能上与神经递质的释放和突触可塑性息息相关，因此，GAP-43常作为研究神经可塑性的首要标志物。

2 突触后可塑性相关分子蛋白及其分子机制

在突触后膜中存在一个非常重要的结构，透射电子显微镜下可以观察到，此结构呈一均匀的、增厚的、着色极深的电子致密带，称之为突触后致密带(postsynapticdensity,PSD)。有研究表明随外界刺激或环境因素的变化，突触的结构也可能发生变化，而PSD在突触部位又是一种敏感易变的结构，其完整性对维持正常棘突的形态具有十分重要的作用，具体体现在两方面：一是参与树突棘组成的actin纤维蛋白丝附着于PSD上；二是调节棘突形状的许多蛋白质就存在于PSD上，其中如果脂质遭到破坏，位于PSD上的突触可塑性相关蛋白就会消散，进而树突棘的结构也会遭到破坏，因此，它可反映外界因素对突触结构的影响。除此之外，Pelukhov等[11]还曾报道能反映突触可塑性功能的LTP和LTD与突触后膜上PSD的结构变化密切相关，LTP形成后相关神经回路中PSD的面积和厚度都会增大。在PSD中还存在许多结构性蛋白和功能性蛋白，例如支架蛋白、谷氨酸受体和各种信号转导蛋白，其中不乏与突触可塑性相关的分子蛋白，对突触可塑性具有重要作用。

2.1 突触后致密区蛋白95(postsynapticdensityprotein95,PSD-95)PSD-95是突触后膜致密区上最早被鉴定出来的的一种含量丰富的支架蛋白，是膜相关鸟苷酸激酶蛋白超家族成员之一，由多个结构域组成，即N-端的3个PDZ、C-端的1个SH3和1个GK。其实，PSD-95本身并不具有蛋白酶活性，其结构域具有串集和锚定作用，而PSD-95则主要依靠这些作用来介导神经冲动的传导，例如，N-端的PDZ结构域可以将与递质传递相关的谷氨酸受体和NMDA受体进行簇集，并将它们锚定到突触囊泡膜的特定靶位点上，进而影响了递质传递[12]；此外，PSD-95不仅能锚定其他黏附分子，还能串集其他特定分子，并形成特定的信号复合物，该复合物进一步与谷氨酸-NMDA受体结合，有效地将信号分子、调节分子和靶蛋白分子有机地进行整合，并在谷氨酸能神经元突触结构中形成信号复合体，参与突触的连接和维持，进而影响突触结构可塑性和功能可塑性[13～15]。Migand等[16]曾证实小鼠PSD-95基因被敲除后，其大脑神经元突触LTP发生了变化，小鼠的学习记忆也发生了功能性障碍。

2.2Ca2+/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II(Ca2+/calmodulin-dependentproteinkinaseII，CaMKII)CaMKII是一种由10～14个单体组成的低聚物，结构上呈旋转对称排列，是一种广泛存在的与大多数细胞功能有关的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，主要位于突触后成分，占大脑神经元总蛋白的1%～2%[17]。在哺乳动物中，CaMKII是由含四种基因的家族进行编码的，即α、β、γ和ε。所有这些亚型都是在大脑中被发现的，但α和β亚型表达尤其高。在静息期，CaMKII受丝状肌动蛋白(F-肌动蛋白)的限制而远离PSD，当依赖NMDA受体的Ca2+进入棘突后，一方面，激活了CaMKII，使它从肌动蛋白上游离下来并移位到PSD，并且与位于PSD上的NMDA受体相互作用，形成CaMKII-NMDA受体复合物。在强直刺激后，该复合物含量会大量增加，它可以调节其他与突触可塑性紧密相关的蛋白在PSD上的定位，并影响LTP的发生和维持。另一方面，内流的Ca2+又与钙调蛋白(Calmodulin,CaM)结合形成Ca2+/CaM复合体，CaMKII可被该复合体激活，使其T286位点发生自磷酸化，激活的CaMKII以其再生的方式发生在低聚物的相邻单体之间，也就是，当一个亚基去磷酸化时，相邻亚基能使它再磷酸化。另外，磷酸化的亚基在CaMKII分子之间被调换,又能磷酸化其他不活跃的亚基。这种磷酸化状态的传播能大大延长CaMKII的活动[18]。CaMKII自磷酸化又能导致CaMKII产生非Ca2+/CaM复合体依赖性激活,并募集更多的CaM，拥有这种独特性质的CaMKII进而产生了强大的级联反应。CaMKII的这种特性使得其即使是在低Ca2+浓度的情况下仍然能保持较高较持久的激活状态，以维持LTP诱发后增强的传输。Goh等[19]在研究中证实当小鼠海马αCaMKII的磷酸化被阻断时，脑区CA3到CA1通路的LTP明显受到抑制。在结构上，CaMKII也参与了树突棘结构可塑性。KN-62和AP5分别是CaMKII阻断剂和NMDA受体拮抗剂，二者的应用能阻断树突棘谷氨酸诱发的LTP[20]，这表明有活性依赖的树突棘的生长既需要CaMKII的活性又需要NMDA受体的汇集。所以，CaMKII的这些相关特性有可能是导致记忆形成的原因之一[21]。

3 与突触可塑性相关的临床疾病

因为突触可塑性是神经元最基本最重要的属性之一，所以当突触可塑性发生变性时，神经元的结构和功能也必会受到影响，中枢和周围神经系统也会发生相应病理改变，进而引发临床疾病。

阿尔茨海默病(Alzheimer'sdisease，AD)是一种以进行性记忆衰退、认知障碍和语言能力下降为主要临床表现的神经退行性疾病，多发于老年人。AD患者海马区神经元发生明显退化及丢失，LTP的诱导发生也受到了抑制，而LTP又在学习记忆中发挥着重要角色，所以，其学习和记忆功能也发生了障碍。姚柏春[22]等通过对AD模型进行实验研究发现，不仅海马SYN含量明显减少，而且突触密度和突触联系也出现下降，进而导致递质的传递发生障碍，于是学习和记忆也发生了功能障碍。另外一种类似疾病--亨廷顿病,是一种以舞蹈样动作和进行性认知障碍为主要临床表现的常染色体显性遗传的大脑变性疾病，多发于中年人。该病主要由4号常染色体突变引起，大脑呈不同程度的萎缩，突触和神经元末端出现混乱，突触结构遭到破坏，导致大脑神经元变性。

此外，抑郁症也与突触可塑性的减弱密切相关。影像学显示抑郁症患者会发生程度不等的脑萎缩，后来研究证实这是由于棘突数量或树突分支的减少所致。众所周知，棘突和树突是传递信息的重要结构，也是突触发挥其作用必不可少的基本结构。相关研究[23,24]在抑郁症动物模型中已经发现，突触可塑性相关蛋白明显减少，并且经抗抑郁治疗后，相关蛋白含量、棘突和树突分支的数量也有所增加，病症也有所好转。

近年来另一种与神经系统相关的疾病逐渐得到人们的重视，那就是药物成瘾，它是一种慢性、复发性、精神性疾病，是一种强化型的学习记忆，其主要特点是强迫性药物使用，即患者对药物的寻觅和服用已经失去了自我控制的能力。其机制相当复杂，并有多个脑区参与其发生，其中极其重要的功能性核团有两个：一个是中脑腹侧被盖区，另一个是伏隔核。Kauer等[25]的研究报道称，药物成瘾与神经活动和成瘾药物在这两个核团中诱导产生的LTP是密不可分的。面对药物成瘾，人类大脑做出了两种应激反应：一种是神经元的适应性改变，即大多数细胞面对过多的药物刺激，所体现出的内稳态调整性改变；另外一种是突触可塑性的改变，在形态上神经元主要表现为树突分支的增多和树突棘密度的增大，功能上表现为LTP和LDP的相关变化等，能将与药物相关的刺激和特殊学习行为紧密联系起来。第一种应激是药物依赖的重要特征和戒断症状的基础，第二种应激是正常学习记忆形成的结构基础。正是因为突触可塑性这些形式的不定变化才致使药物成瘾较其他疾病具有更加牢固和持久的特点。

总之，突触可塑性的损伤能诱发一些神经系统性疾病的发生，如神经退行性疾病、抑郁症和药物成瘾等。与突触可塑性相关的疾病数不胜数，而人类能全面认识的疾病却非常有限，所以更好地研究突触可塑性可以帮助我们更全面更具体地了解这些疾病，进而为临床诊断和治疗提供理论依据和新方向。

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(2016-11-11 收稿)(张爱国 编辑)

朱旭红(1988-)，女，硕士研究生。研究方向：神经病学。

元小冬。

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A

2095-2694(2017)03-237-05