钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ在突触可塑性和神经精神疾病中的作用

马 婧，刘晓莉，乔德才

(北京师范大学体育与运动学院，北京 100875)

钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(calcium/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)是一种依赖于钙/钙调蛋白(calmodulin，CaM)的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在脑组织中表达丰富，海马脑区其含量甚至达到神经元总蛋白的2%[1]。CaMKⅡ是N-甲基-D-天门冬氨酸受体(N-methyl-D-aspatate receptor，NMDAR)下游的一个重要信号分子，能够被Ca2+/CaM结合而激活。激活的CaMKⅡ在Thr286发生自身磷酸化，产生自发活性，由Ca2+依赖状态转变为非依赖状态，使得CaMKⅡ在胞内Ca2+浓度降低后，仍能长时间保持较高活性。鉴于这一特性，CaMKⅡ被认为是一个“记忆分子”，在突触可塑性和学习记忆中发挥重要作用。长时程增强(long-term potentiation，LTP)和长时程抑制(long-term depression，LTD)是突触可塑性的两种主要形式。CaMKⅡ在LTP中的重要作用已研究的比较广泛，且被普遍认可。近年来研究发现，CaMKⅡ在LTD中也发挥重要作用[2]。此外，近期一系列研究报道，许多神经精神疾病的发生都与脑内CaMKⅡ的功能异常有关，包括药物成瘾、精神分裂症、癫痫等[3]。本文对CaMKⅡ在LTP、LTD中的作用，CaMKⅡ对突触可塑性方向的调控，以及CaMKⅡ在这些神经精神疾病中的作用做一综述。

1 CaMKⅡ的分子结构和特征

CaMKⅡ由12个亚基组成两个六聚体环，叠在一起形成同心环结构。CaMKⅡ一共有4种亚型，分别为α、β、γ、δ[4]，其中脑组织中主要表达α和β亚型。前脑α ∶β的含量比约为3 ∶1，小脑α ∶β的含量比约为1 ∶3。胞内的CaMKⅡ主要分布在突触后致密区(postsynaptic density，PSD)，是PSD的主要成分，占PSD总蛋白的2%～6%[5]。0.1 μm2的PSD中大约含有80个CaMKⅡ全酶，1个蘑菇状棘的PSD中大约含有90～240个CaMKⅡ全酶[6]。

CaMKⅡ单体由C-末端结合区、中间调节区和N-末端催化区组成[3]。C-末端结合区是不同单体组装在一起形成六聚体环的连接部位。调节区又包括自身抑制区、钙调蛋白结合区和自身磷酸化位点(Thr286和Thr305/306)。静息状态下，CaMKⅡ的催化区被自身抑制区覆盖，处于无活性状态。一定的刺激使NMDAR通道打开，Ca2+内流，Ca2+/CaM与CaMKⅡ的调节区结合，使得CaMKⅡ的分子构象发生改变，催化区暴露出来，解除了自身抑制区对活化位点的抑制作用[3]。同时，αCaMKⅡ的Thr286位点(βCaMKⅡ的是Thr287位点)发生自身磷酸化，产生自发活性。自身磷酸化的亚基可以继续磷酸化其相邻亚基，使CaMKⅡ由Ca2+依赖状态转变为非依赖状态，在Ca2+浓度降低后，仍能长时间保持较高的激酶活性。CaMKⅡ的自发活性与Ca2+浓度变化的频率、持续时间以及幅度直接相关。一个全酶共有12个亚基可以发生自身磷酸化，因此可以将不同频率的Ca2+浓度变化分级转变为高低不同的激酶活性。此外，Thr286自身磷酸化后，能够增强相邻亚基与Ca2+/CaM结合的亲和力(这种现象叫做CaM捕获)，使得相邻亚基中已经去磷酸化的Thr286重新磷酸化，继续提高CaMKⅡ的活性。除了Thr286位点，CaMKⅡ的Thr305/306位点也能发生自身磷酸化，其磷酸化后能够阻止CaMKⅡ与CaM的进一步结合，因此，Thr305/306磷酸化的作用是抑制CaMKⅡ活性的提高，将CaMKⅡ的活性限制在一个较低的水平。

2 CaMKⅡ与突触可塑性

突触可塑性被认为是学习与记忆的细胞机制。突触可塑性主要有两种形式，即LTP和LTD。大量的研究已经证实，CaMKⅡ在海马脑区的突触可塑性和学习记忆中发挥着重要作用。

2.1CaMKⅡ与LTPLTP最初由Bliss等[7]于1973年在家兔海马脑区的前穿质纤维-齿状回通路发现，是指给突触前纤维一个短暂的高频刺激后，突触传递效率明显增强，且这种增强能够维持数小时，甚至数天的现象。此后，研究者们对海马脑区的LTP展开了大量的研究，发现CaMKⅡ及其Thr286的自身磷酸化对于海马LTP的形成是必需的。例如，1992年，Silva等[8]发现，特异性缺失CaMKⅡ的小鼠海马脑区的LTP受损，为CaMKⅡ参与LTP的形成提供了最早的直接证据。Stanton等[9]发现，无论是胞外孵育，还是向胞内灌注CaMKⅡ的拮抗剂KN-62，均能阻断海马脑区LTP的产生。抑制CaMKⅡ Thr286自身磷酸化的突变小鼠(286位点的苏氨酸突变为丙氨酸)，其海马脑区的LTP严重受损[10]。

LTP的诱导和维持是突触前和突触后的联合作用，以突触后机制为主。CaMKⅡ无论是在突触前机制，还是突触后机制中均发挥重要作用。突触前，激活的CaMKⅡ可以磷酸化突触素Ⅰ(synapsin Ⅰ)，促进神经递质的释放。突触素I是神经元特有的一种位于突触前的蛋白质。非磷酸化状态的突触素Ⅰ与突触前的突触囊泡结合，在突触囊泡周围形成1个“小笼子”，或将突触囊泡与细胞骨架中的F-肌动蛋白连接，使突触囊泡不能轻易地与突触前膜融合，因此，抑制神经递质的释放。激活的CaMKⅡ能够磷酸化突触素Ⅰ，突触素Ⅰ磷酸化后，与突触囊泡脱离，突触囊泡得以“出笼”，或使突触囊泡从F-肌动蛋白上释放，突触囊泡与突触前膜融合，从而促进神经递质的释放[11]。在CaMKⅡ的作用下，突触素I被磷酸化，导致兴奋性神经递质释放增多，这可能是LTP的突触前机制之一。

研究发现，CaMKⅡ的自发活性对于LTP的诱导是必需的，而对于LTP的维持却不是必需的。Buard等[14]使用低浓度(5 μmol·L-1)的tatCN21抑制CaMKⅡ的自发活性，能够明显损害LTP的诱导和记忆的获得，但并不影响LTP的维持和记忆的储存。CaMKⅡ/NMDAR复合体对于LTP的维持是必需的。对已经成功诱导出LTP的脑片孵育较高浓度的tatCN21短肽(20 μmol·L-1的tatCN21能够与CaMKⅡ结合，竞争性抑制CaMKⅡ与NR2B亚基的结合)，抑制CaMKⅡ /NMDAR复合体的形成，结果发现LTP的维持严重受损，而将tatCN21洗脱后，LTP又得以恢复[15]。因此，CaMKⅡ/NMDAR复合体对于LTP的维持是必需的。

2.2CaMKⅡ与LTDLTD是突触可塑性的另外一种形式。1977年，Lynch等[16]最早报道了海马脑区存在突触传递活力依赖性的抑制现象，即LTD。近年来研究发现，LTD过程中，CaMKⅡ也会被激活，CaMKⅡ及其自发活性对于LTD也是必需的。敲除CaMKⅡ或者抑制CaMKⅡ的自发活性，均能阻断LTD的形成[2]。有文章报道，CaMKⅡ能够磷酸化AMPAR 的GluA1-Ser567位点，促进AMPAR从突触位点上移除，减少AMPAR在突触后膜上的数量，从而产生LTD[17]。在LTD中，CaMKⅡ还能磷酸化AMPAR调节支架蛋白A-激酶锚定蛋白79/150(AMPA-receptor regulatory scaffold protein A-kinase anchoring protein 79/150，AKAP79/150)，使AKAP79/150从突触上移除，树突棘皱缩。关于CaMKⅡ在LTD中的其他作用机制仍不清楚，还需要进一步研究。

2.3CaMKⅡ对突触可塑性方向的调控传统认为，CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化只发生在LTP过程中。但近年来研究发现，无论是代谢型谷氨酸受体 (metabotropic glutatamate receptor，mGluR) 依赖的LTD，还是NMDAR依赖的LTD中，CaMKⅡ的Thr286都会发生自身磷酸化。因此，无论诱导LTP还是LTD，CaMKⅡ都会被激活，并发生Thr286自身磷酸化，产生自发活性，但是其自发活性的高低以及时间常数明显不同。

CaMKⅡ在LTP过程中的自发活性水平要明显高于LTD过程。通过荧光共振能量转移技术检测单个突触棘中CaMKⅡ的实时活性，发现LTP刺激诱导后，CaMKⅡ的活性迅速升高，并在1 min内又迅速回落，表现出1个明显的活性尖峰[18]。而LTD刺激诱导后，CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化增加缓慢，CaMKⅡ的活性在5 min时达到峰值，然后持续稳定在较低的水平[19]。因此，决定突触可塑性向LTP还是LTD方向发展的决定因素不在于CaMKⅡ是否发生Thr286自身磷酸化，而在于其磷酸化后自发活性水平的高低和时间特性，以及由此引发的CaMKⅡ的进一步调节作用，例如CaMKⅡ的Thr305/306是否发生自身磷酸化，以及CaMKⅡ与不同蛋白的结合等。

Thr305/306是CaMKⅡ活性的抑制性位点，在LTD过程中，Thr305/306发生自身磷酸化，将CaMKⅡ的活性限制在较低水平。而在LTP中，Thr305/306不发生自身磷酸化，使得CaMKⅡ能够被大幅度激活，而处于较高的活性状态。研究发现，持续表达有活性CaMKⅡ的T286D突变小鼠，直接诱导出LTD还是LTP，取决于Thr305/306的磷酸化同时被促进，还是被抑制。如果Thr305/306的磷酸化被促进，则诱导出LTD；而如果Thr305/306的磷酸化被抑制，则诱导出LTP。此外，在LTP和LTD过程中，CaMKⅡ被激活运输到PSD后，其结合的蛋白分子也不同。在LTP中，CaMKⅡ激活后，与突触后膜上NMDAR的NR2B亚基结合[20]。而在LTD中，CaMKⅡ可能与突触后膜上的densin-180结合，因为densin-180敲除的小鼠表现出海马LTD的受损[21]。

3 CaMKⅡ与神经精神疾病

近期一系列研究发现，许多神经精神疾病的病人或模式动物的脑区，包括药物成瘾、精神分裂症、癫痫等，都表现出CaMKⅡ的功能异常。CaMKⅡ的功能障碍导致谷氨酸能信号通路异常以及突触可塑性异常，可能是这些神经精神疾病的发病机制之一[3]。

3.1CaMKⅡ与药物成瘾药物成瘾是一种反复发作的慢性脑部疾病，其主要特征为强迫性用药和高复发性[22]。药物成瘾的“谷氨酸稳态假说”认为，皮层投射到伏隔核的谷氨酸能突触传递异常可能是药物成瘾的病理机制，且有证据表明，CaMKⅡ 在其中发挥重要的调节作用。慢性苯丙胺和可卡因暴露导致伏隔核脑区αCaMKⅡ的活性异常升高，而且可卡因暴露后，αCaMKⅡ启动子的表观遗传状态发生改变。慢性可卡因暴露引起伏隔核脑区转录因子△FosB与αCaMKⅡ启动子的特异性结合，随后激活的CaMKⅡ磷酸化△FosB的Ser27位点，并增加其稳定性，最终导致药物的突触和精神兴奋作用所需的前馈循环[23]。利用药理学方法阻断伏隔核脑区CaMKⅡ的活性，能够降低对苯丙胺和可卡因的行为敏感化；而在伏隔核过度表达CaMKⅡ，能够提高对苯丙胺的敏感化以及成瘾性。

3.2CaMKⅡ与精神分裂症精神分裂症是一种涉及多个脑区的复杂的精神障碍，关于其发病机制主要有“多巴胺功能紊乱假说”和“谷氨酸能功能低下假说”。使用NMDAR的拮抗剂苯环己哌啶(phencyclidine，PCP)和氯胺酮能够诱导出精神分裂症样行为，基于此，“谷氨酸能功能低下假说”被提出。越来越多的证据提示，精神分裂症与谷氨酸能系统的多种基因有关，包括NMDAR的亚基、NMDAR下游的激酶CaMKⅡ等[3]。精神分裂症的发病机制可能与CaMKⅡ的功能降低有关。杂合的CaMKⅡ敲除小鼠，具有不成熟的海马齿状回(dentate gyrus，DG)脑区，并且表现出一系列与精神分裂症患者相似的异常行为，包括多动、工作记忆障碍、社交退缩等。缺乏CaMKⅡ锚定蛋白densin-180的模式小鼠，表现出短期记忆受损、感觉运动门控功能障碍、筑窝能力受损、攻击性增加等一系列精神分裂症行为表现[21]。

3.3CaMKⅡ与癫痫癫痫是谷氨酸能与GABA能神经传递失衡，导致的神经元大量同步化放电引起的。在不同的癫痫模式动物中，均发现CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化水平降低。有趣的是，虽然在癫痫发作后24 h， CaMKⅡ Thr286的磷酸化水平恢复正常，但是CaMKⅡ的总含量降低了35%[24]。CaMKⅡ活性和表达含量的降低反映了机体的一种稳态机制，有利于降低癫痫中大量神经元同步化兴奋而产生的Ca2+超载的影响[24]。此外，癫痫发作过程中，CaMKⅡ在胞内的分布也发生变化，由PSD转移至胞质中[25]。

CaMKⅡ的功能正常对于脑区行使其正常生理功能是必需的。CaMKⅡ活性过高或过低，都可能导致神经精神疾病的发生。某些神经精神疾病伴随着脑区CaMKⅡ活性的异常升高。例如，除了药物成瘾，在注意力缺陷多动症、敲除ATRX的智力障碍、帕金森病等模式动物中，也都发现CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化增加，CaMKⅡ的活性提高。另外，还有一些神经精神疾病伴随着CaMKⅡ功能的降低。例如，在创伤后应激障碍模型动物和双相情感障碍病人中，都检测到CaMKⅡ的表达降低。

4 总结与展望

尽管CaMKⅡ在海马脑区突触可塑性和学习记忆中的重要作用已经被人们熟知，但是由于脑区不同，其表达水平、亚型构成以及功能也不相同，CaMKⅡ在其他脑区的突触可塑性和学习记忆中的作用尚未被完全揭示。此外，虽然在许多神经精神疾病中检测到CaMKⅡ的活性异常，但是其中的因果关系，以及CaMKⅡ在病因中的具体作用机制仍不清楚。因此，对CaMKⅡ的研究仍有很长的路要走。揭示CaMKⅡ在调节突触功能以及神经精神疾病中的作用及分子机制，是我们探究大脑功能和研究疾病分子基础的核心焦点。