谷氨酸再摄取相关EAATs基因与精神分裂症关联研究进展*

目前精神分裂症(Schizophrenia, SCZ)的病因尚未明确，已知其在世界范围人群中的患病率约为1%[1]。研究表明，精神分裂症是一种复杂的多基因遗传疾病，目前已有大量研究致力于寻找精神分裂症相关的变异基因[2～4]，其中兴奋性谷氨酸转运体(Excitatory Amino Acid Transporters，EAATs)相关基因的研究越来越受关注。

1 谷氨酸转运体简介

谷氨酸(Glutamate, Glu)是中枢神经系统(Central Nervous System, CNS)重要的兴奋性氨基酸。中枢神经系统中约40%的神经突触为谷氨酸能突触[5,6]，其在人类生理条件下的神经发育、突触可塑性、学习与记忆等方面发挥着重要作用[7]。谷氨酸能突触中氨基酸水平过高会导致谷氨酸受体的过度激活，从而导致神经元胞质内钙离子水平升高，引起兴奋性神经元损伤或细胞死亡[8，9]，这种兴奋性毒性与精神分裂症、癫痫、中风、肌萎缩侧索硬化、特发性震颤等神经精神疾病的发生发展均具有相关性[10～12]。细胞外液中缺乏使谷氨酸失活的水解酶系统，因此维持神经元的正常功能、终止该兴奋性毒性的有效机制是通过谷氨酸转运体的主动运输功能将突触间隙的谷氨酸清除来实现[13]。目前已知的谷氨酸转运体有两种，一种是低亲和力谷氨酸转运体，也称为囊泡型转运体(Vesicular Glutamate Transporters，VGLUTs)，主要由三个亚型(VGLUT1，VGLUT2和VGLUT3)组成；另一种为高亲和力谷氨酸转运体，也即兴奋性谷氨酸转运体(EAATs)，包括五种亚型(EAAT1-5)。以上两种不同类型的转运体参与谷氨酸的缓冲、清除和循环，在维持突触内和突触间隙谷氨酸的水平方面起着重要的作用[14]。VGLUTs主要负责将位于突触囊泡外的谷氨酸转运至囊泡内，维持突触内谷氨酸的浓度。而突触间隙谷氨酸水平主要受EAATs的调控，突触内的谷氨酸释放至突触间隙后激活EAATs，使其将细胞外的谷氨酸摄入至突触细胞或胶质细胞内，从而维持细胞外谷氨酸浓度在正常生理水平。

2 EAATs分布及作用机制

EAATs在中枢神经系统中包含5种不同的膜结合转运蛋白亚型(EAAT1-EAAT5)，分别位于不同的脑区。EAAT1也称为溶质载体家族1成员3(Solute Carrier Family 1 Member 3，SLC1A3)，或者谷氨酸-天冬氨酸转运蛋白1(Glutamate-aspartate Transporter 1，GLAST1)[15]。1994年Kirschner MA等[16]用荧光原位杂交(Fluorescence in Situ Hybridization，FISH)技术将人类EAAT1基因定位于染色体5p13。Stoffel W等[17]在1996年确定人类GLAST1基因包含10个外显子，跨越至少85千碱基对(kilobase, kb)。目前人类基因组序列第38版(The Genome Reference Consortium Human Genome Build 38，GRCh38)中收录的EAAT1基因的细胞遗传学定位于5p13.2，跨越81 979个碱基对，包含12个外显子。EAAT2又称溶质载体家族1成员2(Solute Carrier Family 1 Member 2，SLC1A2)，或者谷氨酸转运蛋白1(Glutamate Transporter，GLT-1)，是1992年首次被Pines G等[18]发现存在于大鼠中的GLT-1mRNA及其编码的蛋白质的氨基酸序列。1994年Arriza JL等[19]发现在人脑组织中存在GLT-1的同源物，将其命名为EAAT2。1995年Li X等[20]将人类SLC1A2基因定位至染色体11p13-p12。目前GRCh38中收录的EAAT2基因的细胞遗传学定位于11p13，跨越168 858个碱基对，包含16个外显子。EAAT1和EAAT2在脑内星形胶质细胞和少突胶质细胞的质膜中均有表达，其中EAAT1主要在小脑中Bergmann神经胶质细胞中分布，此外在前脑、脊髓以及内耳、视网膜等部位也有少量分布。EAAT2则分布较广泛，在大脑皮层、前脑、海马等部位的星形胶质细胞膜上以及在发育阶段的神经元均有分布。EAAT1和EAAT2负责摄取细胞外或突触间隙过量的谷氨酸[21～23]。其中EAAT2显得尤其重要，其负责清除约90%以上的谷氨酸[24,25]，对于维持成人大脑突触间隙中谷氨酸的正常水平起至关重要的作用[26]。

EAAT3也即溶质载体家族1成员1(Solute Carrier Family 1 Member 1，SLC1A1)或兴奋性氨基酸载体1(Excitatory Amino Acid Carrier 1，EAAC1)，其细胞遗传学定位于9p24.2，跨越97 042个碱基对，包含14个外显子。EAAT3主要定位于突触后神经元，在海马CA1-4区及椎体细胞层表达丰富，可维持γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric Acid，GABA)的浓度，而在大多数区域中对谷氨酸再摄取作用较小[27]。EAAT4基因定位于19p13.12，包含14个外显子，其特异性定位于小脑中的浦肯野细胞突触后表达，而EAAT5基因定位于1p32.3，包含13个外显子，主要在视网膜中表达于光感受器、胶质细胞及双极细胞等[28～31]。

EAATs对谷氨酸的转运主要利用钠钾泵形成的电化学浓度梯度差异来完成，细胞每摄取一个谷氨酸并同向转运3个钠离子和1个氢离子，同时将1个钾离子以及1个氢氧根离子(或碳酸氢根离子)排出细胞外。

3 EAATs与精神分裂症

3.1 EAATs与精神分裂症的关系 近年来越来越多的动物实验研究表明了精神分裂症与EAAT1和EAAT2基因具有相关性。Karlsson RM等[32]的研究发现，EAAT1基因敲除的小鼠与同窝野生型小鼠比较具有自我忽视、快感缺失、社会退缩以及较差的筑巢能力及学习障碍等表现，并且得出结论该基因缺失可产生与精神分裂症阴性症状和认知症状相关的表型异常。EAAT2基因敲除的小鼠其依赖于N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate Receptor，NMDAR)活性的长时程增强(Long-term-potentiation，LTP)作用受损[33]。敲除了GLT-1(即EAAT2的同源物)的小鼠其脑内细胞外或突触间隙中谷氨酸水平增加，导致兴奋性毒性相关的神经变性和进行性麻痹[34]。

对精神分裂症患者的临床研究也发现，精神分裂症患者脑内EAAT1和EAAT2蛋白表达水平降低，并指出EAATs表达水平降低与患者的认知功能受损有关。多项研究表明，精神分裂症患者脑内EAAT2蛋白表达水平降低[35～37]，且患者言语学习及言语流畅性等认知功能的受损与该基因表达水平的降低相关[38]。2004年Egan MF等[37]对217例欧洲裔美国人的精神分裂症患者脑部尸检结果显示其前额皮质中的EAAT2表达较低，还发现这些患者的一级亲属中语言学习和言语流畅性具有显著影响，并指出该结果可能是由于EAAT2的减少导致的。2013年Shan D等[14]对美国西奈山医疗中心和布朗克斯退伍军人管理医疗中心脑库提供的23例精神分裂症患者和27例正常对照组的脑组织尸检研究发现，与对照组相比精神分裂症患者的EAAT1和EAAT2蛋白在颞上回中的表达减少，并且患者海马中EAAT2蛋白表达也有减少。该研究并没有发现EAAT3或突触前囊泡谷氨酸转运蛋白VGLUT1-2表达的任何变化。

人类遗传学相关的研究也表明，EAAT1、EAAT2及EAAT3基因多态性与精神分裂症具有相关性。Deng X等[39]在2004年对100例精神分裂症患者和100名正常对照的研究发现，在日本人群中多个EAAT2基因位点多态性与精神分裂症具有相关性，并得出结论，至少有1个精神分裂症易感基因位点可能位于SLC1A2基因内部或附近。2014年Spangaro M等[40]对192例精神分裂症患者EAAT1和EAAT2的基因多态性与认知功能的研究发现，EAATs低表达相关的基因型与患者执行功能、工作记忆功能等认知功能障碍显著相关，指出EAATs表达活性的降低与精神分裂症患者认知功能受损相关。2014年Poletti S等[41]对50例来自米兰的精神分裂症患者的研究发现，携带EAAT2 SNP rs4354668低活性表达的G等位基因的患者其灰质体积显著减小，工作记忆功能显著降低。仅有一项关于日本人群中EAAT3的研究表明该基因多态性与精神分裂症之间有关联。2012年Horiuchi Y等[42]对43例有精神分裂症的日本患者和11名日本对照受试者死后前额叶皮质尸检结果研究发现，rs7022369风险等位基因纯合个体中EAAT3表达水平增加(P=0.003)，指出EAAT3基因可能参与精神分裂症的发病机制。

以上研究结果提示，EAAT1、EAAT2及EAAT3基因可能与精神分裂症的发生发展具有相关性，并且EAAT1和EAAT2的基因多态性可能在精神分裂症患者的执行功能、工作记忆功能等认知功能障碍中起一定作用。尚未发现有关EAAT4及EAAT5与精神分裂症相关研究的报道。

3.2 EAATs与精神分裂症的治疗 正常浓度的谷氨酸在人类记忆和认知功能中起重要作用[43]，兴奋性谷氨酸转运体在维持谷氨酸的正常浓度且避免兴奋性毒性神经元损伤[44，45]方面发挥着重要的作用。因此，靶向增强转运蛋白的表达和功能的潜在药物可以作为对抗相关疾病的有效治疗方式[46]。已有研究发现，利鲁唑[47]可通过激活核因子κB(Nuclear Factor κB，NF-κB)增加EAAT2的表达。而在一项关于治疗精神分裂症患者阴性症状的随机双盲安慰剂对照研究中，Farokhnia M等[48]使用利鲁唑辅助利培酮进行治疗发现，与安慰剂组相比，利鲁唑组治疗的患者阴性症状(P<0.001)以及PANSS总分(P=0.001)和一般精神病理学分量表评分(P<0.001)均显著改善，且两组之间在不良反应发生的频率上没有显著差异。本研究结果表明，利鲁唑可能是一种安全有效地治疗慢性精神分裂症患者阴性症状的药物。结合利鲁唑的作用机制，推测其对精神分裂症阴性症状的治疗作用可能是通过增加EAAT2的表达水平来实现的。

另外，近年来已有多项动物研究对抗精神病药物对谷氨酸转运蛋白表达水平的作用进行了探索，结果发现，氟哌啶醇、氯氮平等抗精神病药可改变大鼠脑内EAAT1和EAAT2基因的表达水平，并可影响前额皮质的谷氨酸摄取[49～51]。由此可见，作用于谷氨酸转运体基因表达通路的药物可能作为新型抗精神病药物研究的靶位点。

4 小结

目前，人类遗传学研究证据表明精神分裂症的发病机制可能与多个基因相关，而关于精神分裂症的治疗，目前虽有多种抗精神病药物可供临床医师选择，但仍有部分难治性患者经过多种抗精神病药物的系统治疗后疗效欠佳，社会功能严重受损，给其家庭和社会带来沉重的负担，因此寻找精神分裂症治疗新的作用靶点仍然是该研究领域的难点和热点。本综述结果可见，谷氨酸转运体蛋白EAAT1、EAAT2及EAAT3基因与精神分裂症的病理生理过程可能具有相关性，而影响谷氨酸转运蛋白表达或功能的药物可能成为治疗精神分裂症尤其是其阴性症状的一条新途径。