离子型谷氨酸受体在长时程增强产生机制中的研究进展

李明超 叶 云 刘 远 张 祚 周吉银△

1)陆军军医大学第二附属医院国家药物临床试验机构，重庆 400037 2)西南医科大学药学院，四川 泸州 646000 3)西南医科大学附属医院药剂科，四川 泸州 646000

糖尿病认知功能障碍作为糖尿病的严重并发症，带来极大的社会和经济负担。目前糖尿病认知功能障碍的发病机制仍不完全清楚。研究显示，海马是参与学习记忆功能的关键脑区，大脑学习记忆能力的神经生物学基础为海马突触可塑性，而突触可塑性的重要表现形式即为长时程增强(Long-term potentia-tion，LTP)，其在糖尿病认知功能障碍发生发展过程中充当着十分重要的角色[1]。离子型谷氨酸受体分为三种亚型：N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受体、α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionicacid，AMPA)受体和红藻氨酸(kainate，KA)受体，其中NMDA受体(NMDAR)和AMPA受体(AMPAR)在LTP的诱导发生过程中具有十分重要的作用。对谷氨酸受体的调控能间接调控LTP，进而改善糖尿病认知功能障碍。

1 突触可塑性

突触可塑性作为一种学习记忆的机制，是指突触在一定条件下形态和功能发生改变的特性[2]。广义的突触可塑性分为两种，即结构的可塑性和功能的可塑性。结构的可塑性指突触的形态结构完整性，在认知功能障碍发展进程中，具有突触数量减少、变性、囊泡减少、连接间断等表现，进而影响突触功能。功能的可塑性指传递效能的改变，主要包括反映突触信息贮存水平的LTP和长时程抑制。作为细胞水平研究学习记忆能力的生物学基础，LTP和记忆的发生与维持有关，而长时程抑制和记忆的消失与重整有关[3]。

海马是参与学习记忆功能的关键脑区，是信息储存的重要场所。糖尿病的海马CA1区表现出突触数量降低、结构模糊、间隙变宽和突触后致密物厚度减少等一系列病变特征，且随着病程的延长而病变程度逐渐加重。有研究表明认知功能障碍与突触数量的丢失呈正相关[4]。糖尿病能影响海马突触可塑性，引起海马内神经病变，此结果与其行为学表现相一致[5]。

2 LTP的形成条件

挪威科学家Tim Bliss和Terje Lomo首次于1973年发现，在家兔的海马短波高频电刺激海马后，突触传递效率和强度增加数倍，且能持续数小时至几天这种增强的现象，将这种与学习记忆过程高度相似的现象称为LTP[6]。在药理学、遗传学及生理学等领域，LTP作为突触可塑性和学习记忆的理想模型，在深入研究突出可塑性与学习记忆的关系中广泛应用。LTP活动的降低与空间学习记忆能力损伤密切相关。LTP是细胞水平研究诱导和维持学习记忆的重要基础和神经细胞电生理活动的重要指标。按持续时间的不同分为两类，即对应长时记忆的晚时相LTP和对应短时记忆的早时相LTP[7]。

神经系统电生理传递的一般过程：短波高频电刺激，兴奋性神经递质谷氨酸在突触前膜释放，谷氨酸与突触后膜的受体结合，使相应的离子通道开放，导致一系列级联反应，触发突触后神经细胞电活动的产生。LTP最易在大脑海马中出现，具有三个特征：关联性、协同性和特异性。以上特性说明了LTP是学习记忆活动的重要生物学基础，使得LTP既是反应海马功能可塑性的重要指标，同时也是研究认知功能障碍的良好模型。LTP形成的条件包括兴奋性神经递质在突触前膜的释放，突触后膜去极化使NMDAR通道打开和离子通道打开使Ca2+内流。

3 LTP产生的分子机制

谷氨酸是中枢神经系统的主要兴奋性神经递质，当高频刺激时，突触前膜释放谷氨酸，作用于突触后的离子型谷氨酸受体。激活的NMDAR一方面诱导LTP的产生，另一方面正向调节突触前递质的释放。突触后去极化释放Mg2+，打开NMDAR的离子通道，然后Ca2+通过NMDAR离子通道流入树突棘。其中Ca2+的内流触发了一系列生化反应，从而诱导了LTP的产生。其中两种类型的谷氨酸受体与LTP的形成密切相关，即NMDAR和AMPAR。

在海马中，存在两类特殊的突触。一类是不携带正常的信息处理功能，没有活性，突触只表达NMDAR一种受体，我们称之为“静默突触”；另一类是携带正常的信息处理功能，突触表达NMDAR和AMPAR两种受体。LTP是神经细胞之间的相互联系得到加强的表现，大概的流程概括为：当受到短波高频刺激，兴奋性神经递质谷氨酸在突触前神经细胞大量释放，与NMDAR相关的Ca2+通道打开，使Ca2+内流，升高胞内Ca2+浓度，从而触发一系列细胞内生化反应，最后从细胞内的AMPAR进入或表达在没有活性的突触两方面，转变为有活性的突触。LTP的常见分子机制为：突触后膜去极化使NMDAR激活，打开离子通道使得Ca2+内流，内流的Ca2+与细胞内钙调蛋白(calmodulin，Ca M)相结合，形成Ca2+/Ca M复合物，然后使得钙/钙调素依赖蛋白激酶-II(Calcium/calmodulin-depend protein kinase-II，Ca MKII)激活和磷酸化，最后AMPAR在突触后膜聚集，产生电导增加的现象，标志着LTP诱导发生的完成。

4 LTP产生的相关受体

在中枢神经系统中，谷氨酸作为主要的兴奋性神经递质，使得其在神经回路形成、突触发生发展和突触可塑性等方面起着非常重要的作用。谷氨酸受体可分为离子型谷氨酸受体和代谢型谷氨酸受体。其中，离子型谷氨酸受体按照药理学性质、分子性质以及电生理特性，具有三类亚型：即NMDAR、AMPAR和KAR[8]。过度激活兴奋性神经递质谷氨酸会产生兴奋毒性作用，导致神经细胞的损伤。谷氨酸的兴奋性毒性在慢性神经退行性疾病及各种神经性损伤比较常见，如脑缺血缺氧、创伤性脑损伤、阿尔兹海默病、帕金森病、艾滋病脑病、侧索性硬化、亨廷顿舞蹈病、癫痫等疾病。

4．1NMDARNMDAR既受电压门控也受递质门控，是一种独特的双重门控通道。其包含了三种亚基，即NR1亚基、NR2(A-D)亚基和NR3(A-B)亚基，而根据亚基的不同，又有着不同的解剖分布和生理学特性。

作为离子型谷氨酸受体之一，NMDAR参与多种调节神经递质的过程，在触发LTP产生的过程中起着十分重要的作用。NMDAR是一种异四聚体结构[9]，NMDAR有三种亚基，即NR1亚基、NR2亚基、NR3亚基。不同的亚基具有不同的特性，NR1亚基是NMDAR中特殊的功能型亚基；NR2亚基则是NMDAR中最重要的调节型亚基，在突触可塑性中发挥着关键作用[10]，又分为4种类型：NR2A、NR2B、NR2C和NR2D，其中，如果NR2亚基单独存在，就没有离子通道功能，当NR1亚基与NR2亚基形成复合体后，离子通道功能才有离子通道功能。YASHIRO等[11]提出，在这几种类型中，NR2B在增强学习和记忆能力过程中最容易诱导出LTP，而称为“聪明基因”。此外，1999年TANG等[12]发现在小鼠脑部海马中NR2B亚基过量表达与对照组相比，能够显著地提高其空间学习记忆能力，在各项动物学习记忆等测试中表现更加优秀；NR3亚基分为NR3A和NR3B两种不同的单位，是NMDAR中重要的抑制型亚基[13]，抑制NMDAR的电生理敏感度，具有NMDAR电流的负调控特点。主要原因在于，NR3A可抑制Ca2+在离子通道的通透性和对Mg2+敏感性，从而下调NMDA诱导的电流峰值。

NMDAR在LTP诱导发生过程中起着关键作用，NMDAR是目前已知的最重要的LTP的“触发器”[14-15]，其关键作用主要表现在NMDAR-Ca MKII-AMPAR这一过程中。

NMDAR诱导LTP的发生是通过调节Ca2+内流来实现的。静息状态下，因为NMDAR上有Mg2+的结合，从而抑制Ca2+的内流。当突触后膜去极化或兴奋性神经递质从突触前膜释放时，NMDAR激活，通过释放Mg2+打开离子通道，使得Ca2+内流，Ca2+和Ca M结合形成复合物，从两方面的作用诱导LTP的产生。一方面通过激活NMDAR的NR2B亚基上的Ras GEF，Ras转变为活性状态，最终导致AMPAR的Glu R1亚基向突触后膜聚集，诱导LTP产生；另一方面通过结合在NMDAR的NR2B亚基上的Ca MKII激酶活化，然后Ras GEF和Ras GAP两方面对Ras-ERK通路进行调控，诱导LTP产生[16-18]。

NR1亚单位广泛分布于中枢神经系统，是NMDAR中特殊的功能亚基。在大鼠生长发育期中，NR1亚基的表达量呈动态变化[19]。与青年大鼠相比，老龄大鼠在电频刺激海马脑片后检测NR 1亚基表达无明显变化[20]。可见NR1亚基表达量与年龄有关。TSIEN等[21]研究表明，特异性敲除小鼠海马CA1区中的NR1基因，会导致小鼠空间学习记忆障碍；同时，有研究表明老鼠CA1区中的NR1基因缺失会使其新事物探究能力的下降[22]。此外，NAKAZAWA等[23]证明，特异性敲除小鼠海马CA3区中的NR1基因，会导致小鼠在迷宫实验中穿台次数显著减少。由此可知，NR1亚基在LTP的产生过程中有重要作用。NR2B亚基对空间学习记忆和神经突触性起十分关键的作用。在海马CA1区中，NR2B水平与神经细胞树突棘密度呈正相关，随着NR2B水平的增加，神经细胞树突棘密度增加，促进空间思维和学习记忆能力[24]。斯坦福大学、加州大学旧金山分校和麻省理工学院发现，艾芬地尔作为一种NMDAR的NR2B选择性拮抗剂，具有降低NMDAR介导的一系列突触反应的作用，从而降低LTP反应[25]；而当小鼠的NR2B基因过量表达，空间学习记忆能力有显著的增强[12]；神经退行性疾病与NMDAR损伤紧密相关，如阿尔兹海默病等疾病[26]，可以通过提高NR2B亚基表达水平，增加NMDAR功能，增强LTP反应，改善学习记忆能力[27]。NR3是NMDAR的重要亚单位，它有两种亚型，即NR3A和NR3B[28]；在大鼠发育过程中，NR3A亚基参与突触前神经递质的释放和神经元的可塑性调节[29]。研究显示[30-32]，转基因NR3A小鼠，能使树突棘密度和大小降低，突触传递减弱，LTP减弱，而特异性敲除NR3A亚基后，学习和记忆能力有着明显的改善[33]。相反，NR3B亚基在突触部位的表达则能促进神经元的成熟[34]。故由于其独特的结构及药理特性可为一些神经性疾病提供潜在的治疗靶点[35-36]。

4．2AMPARAMPAR是离子型谷氨酸受体之一，由Glu R1、Glu R2、Glu R3、Glu R4四个亚基组成的四异聚体。在哺乳动物中枢神经系统中广泛分布并调节着大多数快速兴奋性神经的传递。在成年海马AMPAR主要是由Glu R1与Glu R2或Glu R3与Glu R4所组成的异聚体。每个亚单位都是四个部分即N端、跨膜区域、发夹结构和C端[37]构成。其中不同亚基具有不同C端，通过与胞质蛋白互相作用来调控AMPAR的迁移与定位，使得不同的亚基与胞质蛋白的作用有所差异。

Glu R1是AMPAR的重要亚基之一，增加Glu R1在突触膜上的插入，增强突触传递效率，它对于突触可塑性及空间记忆的保留是必需的[38-39]。Glu R1的磷酸化水平对调节AMPAR功能具有重要意义，其主要的磷酸化位点是Ser831和Ser845[38]。在LTP产生的分子机制中，Ca2+浓度下降后，Ca MKII仍表现出较长时间活性。其可作用于Glu R1亚基的磷酸化，调节AMPAR受体在突触后膜的移动，加强AMPAR单通道传导作用。而在敲除了Glu R1基因的动物中，虽然具有正常的传导作用，但是不能诱导LTP启动发生。综上所述，Ca MKII介导的Glu R1亚基的磷酸化对于LTP的启动发生具有重要意义。

Glu R2是AMPAR的重要功能性亚基，在AMPAR功能调节方面具有关键作用。在哺乳动物发育阶段早期，Glu R2亚基的表达比Glu R1亚基的表达要少，但是出生后7 d内迅速增加[39]，其表达水平和AMPAR的通道的传导、离子的通透性以及移动等有密切关系。Glu R2被称为AMPAR的“分子开关”[40]。当小鼠的Glu R2基因被敲除后，使得神经传递效能显著下降，最终导致认知功能障碍；AMPAR具有Glu R2亚基时，Ca2+不能通过，当AMPAR活化后，Na+、K+能够进出，从而诱发兴奋性突触后电位(excitatory postsynaptic potential，EPSP)的产生，打开NMDAR通道，诱导LTP产生。AMPAR在学习记忆能力的突触可塑性中占据重要地位，其迁移进入突触后膜与LTP的诱导发生有关，调控认知学习能力[41]。有一部分已被电生理和免疫组化研究证实不表达AMPAR且没有活性的突触，称作为“静息突触”。研究显示，LTP产生的重要机制就是这种转化作用[42-43]。

由于对Ca2+的高度通透性，NMDAR的过度激活被认为是引起神经损伤的首要因素，而后来“静息突触”的发现和“Glu R2假说”的提出，让我们意识到AMPAR在LTP诱导过程中的关键作用[44-45]。静息状态下，神经突触上AMPAR的数量不足1%[46]，当高频刺激产生LTP时，突触后膜发生去极化，NMDAR离子通道开放，Ca2+内流，与细胞内Ca M结合，激活Ca MKⅡ。活化的Ca MKⅡ通过调节Ras GEF或Ras GAP的活性，从正反两个方向调节Ras-ERK通路活性，使AMPAR从其他部位聚集到突触部位。另外，Ca2+/Ca M结合Ca2+可直接激活Ras GEF(Ras GRF1)使Ras活化，激活Ras-ERK通路，通过神经活性的驱动，使AMPAR的Glu R1及Glu R1/Glu R2亚单位向突触中迁移。“静息突触”可被激活，转变为具有功能的突触，从而诱导LTP启动产生[16-18]。

4．3CaMKIICa MKII是一种丝氨酸/苏氨酸特性的蛋白激酶，在脑内含量约为总蛋白量的1%～2%，在学习记忆的突触可塑性中充当重要的角色。Ca MKII具有α、β、γ和δ四种亚基，亚基由四个结构域构成，即自身抑制结构域、自身磷酸化结构域、催化活性结构域以及一段自由可变区[48]。其中，自身抑制结构域具有重要的作用，由于自身抑制结构域的存在，在正常的情况下没有催化活性，当与Ca2+/Ca M结合后，构象改变，具有催化活性，然后结合在NMDAR的NR2B亚基胞内C端，Ca MKII能保持活性状态，通过激活Ras-ERK通路，诱导LTP启动产生[48]。当大鼠海马区Ca MKII过量表达的时候，LTP表现出明显的增强，学习记忆能力增强[25]；而当敲除Ca MKII基因，LTP表现出明显的的减弱，认知功能下降[49-50]，这充分证明了Ca MKII在诱导LTP启动产生的重要作用，在改善认知障碍中的重要意义。

5 小结

糖尿病认知功能障碍已成为目前糖尿病并发症研究热点之一，因其对社会与家庭的危害巨大，预防与治疗糖尿病认知功能障碍已迫在眉睫，深入的机制研究是探求有效治疗方案的基础。LTP是糖尿病认知功能障碍的发生发展中的关键一步，其诱导发生过程相当复杂。离子型谷氨酸受体在LTP诱导发生过程中起重要作用，但离子型谷氨酸受体在LTP产生机制中的研究相对较少，深入探讨谷氨酸受体在其中的确切作用，对于认知障碍的预防与治疗具有重要意义。