N-甲基-D-天冬氨酸受体分布与功能研究进展*

毕 翻 综述，魏 娜 审校

(贵州医科大学病理学教研室，贵阳 550004)

兴奋性氨基酸受体是哺乳动物中枢神经系统中重要的兴奋性神经递质受体，负责调节神经系统功能，其中谷氨酸(Glu)含量最为丰富。Glu受体分为离子型和代谢型。离子型Glu受体又分为N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体和非NMDA受体(α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体、代谢性谷氨酸受体、L-2-氨基-4-磷丁酸受体、海人藻酸受体)[1]。其中,NMDA受体是Glu受体的主要亚型。NMDA受体参与学习记忆、树突和轴突结构发育、突触可塑性、神经系统退行性疾病等生理病理过程。NMDA受体的分布及表达异常，影响突触信息的传递和处理，进而导致神经功能异常。本文对NMDA受体的结构分布、生理功能和介导的兴奋性神经毒性进行阐述。

1 NMDA受体的结构及分布

NMDA受体是由不同亚基构成的异四聚体。其基本组成亚基有3种，即NR1、NR2(NR2A-2D)、NR3(NR3A、NR3B)[2]。其中，NR1亚基是基本功能亚单位，是NMDA受体拥有细胞膜受体功能的必需成分[3]。NR1亚基的缺失，将严重影响NMDA受体的功能。NR1亚基通过与NR2亚基结合，才能形成高度活性功能的NMDA受体通道,调节Ca2+的内流[2,4]。此外，NR1亚基上存在NMDA受体激动剂之一的甘氨酸(Gly)结合位点。NMDA受体的激活需要激动剂Gly的辅助。而NR2亚基是NMDA受体的调节亚单位。NR2亚基分为NR2A、NR2B、NR2C和NR2D 4种。NR2亚基在很大程度上决定NMDA 受体激动剂亲和力、单通道电导、Ca2+渗透性和Mg2+敏感度的敏感性等生理功能[5]。除此之外，NR2亚基上有Glu结合位点。Glu储存在突触囊泡内，当神经元去极化，囊泡内的Glu以Ca2+的依赖方式释放至突触间隙，与突触后的NMDA受体结合发挥功能,因而NDMA受体的功能受NR2亚基与兴奋性氨基酸结合量的影响。NR2A和NR2B与Glu的亲和力普遍比NR2C和NR2D 2种亚基强，因此临床研究相对集中于NR2A和NR2B 2种亚基。而NR3亚基是较晚发现的亚单位，主要发挥神经保护的功能。NR3亚基同NR1亚基形成的二聚体，对Mg2+敏感性高，通过降低NMDA受体的单通道电导和Ca2+渗透性，抑制NMDA受体的活性，从而减少NMDA受体过度活化引起的兴奋性神经毒性[6]。一般观点认为,一个功能性的NMDA受体通常是1个四聚体离子通道，由2个必需亚基NR1和2个调节亚基NR2(A-D)组成[7]。在静息电位状态下,NMDA通道被Mg2+阻滞，功能受到抑制。当突触后膜去极化伴Glu和Gly激动剂与NMDA受体相应位点结合，NMDA通道开放，Ca2+、K+等阳离子进出细胞内，维持神经元功能。

NMDA受体主要分布在神经系统，但是各亚基在时间和空间上分布表达却存在着特异性。NR1亚基在中枢神经系统广泛表达，在整个脑发育的过程中都发挥重要作用。NR1在出生时各区表达较低，20～30 d达到成年水平,而成年后高水平分布在海马。与NR1不同的是，NR2亚基会随着脑发育不断发生变化。在NR2家族中，NR2A主要分布在端脑、丘脑等部位。NR2A在出生后2周基本检查不到任何变化，之后部分代替NR2B直至大脑成熟。NR2B主要分布在皮层和海马、纹状体等部位均有分布。在发育早期，NR2B在所有的NR2亚基中表达最强，出生后2周达到高峰，又稳步下降[8]。由于其分布位置的特殊性，NR2B被认为是与学习记忆密切相关的NMDA受体亚基类型，其表达下降往往伴随记忆力的下降。NR2C出现较晚，主要在小脑表达。NR2D广泛分布于成年哺乳动物的前脑、脑干等部位,在出生后的18 d达到高峰[5]。在NR3家族中，NR3A较NR3B分布广泛。NR3A在大脑皮质、海马、中脑的表达量较高，在出生后表达逐渐下调[9]；NR3B主要分布在运动神经上,在前脑、海马等部位也有所表达[10]。

突触是Glu释放的部位，也是神经元信息传递的关键部位。在一些研究中表明，突触内外的NMDA受体失衡是某些神经系统疾病的重要发病机制之一，因此NMDA受体在突触表达成为研究热点。起初，人们认为NMDA受体仅存于突触后致密部(PSD)。随着研究的深入，学界发现NMDA受体还存在PSD以外的部位，于是称前者为突触上NMDA受体，后者为突触外NMDA受体。突触NMDA受体数量和部位并非一成不变。随着大脑发育成熟，突触NMDA受体亚单位发生迁移。在突触上，NR2A分布较NR2B广泛；而突触外，NR2B分布较NR2A广泛[7]。NR2B主要存在突触外细胞膜，可以引起Ca2+持续缓慢内流，Ca2+超载，活化突触外的NMDA受体，导致钙稳态失衡及神经元细胞损伤[11]。而突触内的NR2A可引起短暂快速的Ca2+内流，提高细胞兴奋性，因此，突触内NMDA受体具有神经保护作用，而突触外NMDA受体通过激活相应的信号转导通路诱导细胞变性甚至死亡[12]。对阿尔兹海默病等神经退行性疾病机制的研究也证实了突触内外NMDA受体失衡参与神经退行性疾病发病过程的观点[13]。因此，研究NMDA受体在突触内外分布的改变可以为神经退行性疾病治疗提供新的思路。

2 NMDA受体生理功能

2.1突触可塑性 突触是神经冲动由一个神经元传递到另一个神经元的部位，是信息传递的桥梁。突触前神经元释放Glu,通过突触后的NMDA受体结合，将信号传递到突触后膜，使突触后电流(EPSC)增加，产生一系列生化联级反应，导致突触可塑性。此外，一些实验研究发现，突触出现轮廓改变和损伤可引起认知功能下降。由此可见，突触的形态和结构对于维持突触的功能有重要意义。

突触可塑性是指突触功能随形态发生变化，长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)是突触可塑性的两种表现形式。在海马区，高频的刺激引起突触后膜的NMDA受体活化，提高信息传递效率，诱导LTP的形成，反之则引起LTD。LTP是学习记忆的基础，更是被认为是评价突触可塑性的重要指标，因此LTP一直是研究的焦点。LTP的诱导主要包括:(1)突触后膜去极化；(2)NMDA受体激活；(3)Ca2+内流。研究显示，NMDA受体在介导中枢神经系统突触兴奋性传递中发挥重要作用[14]。NMDA受体激活，解除Mg2+对Ca2+的阻滞，Ca2+内流入突触后膜，从而诱导LTP。Ca2+大量内流的同时，促进CaMKⅡ的表达激活，从而通过CaMKⅡ的磷酸化使NMDA受体的磷酸化程度增加，提高突触信号传递的有效性[15]。海马区存在两种形式LTP，即依赖于NMDA受体的LTP和不依赖于NMDA受体的LTP。与NMDA受体介导的LTP不同的是，不依赖于NMDA受体的LTP不需要高频的刺激，而是经电压依赖的Ca2+通道(VDCC)增加Ca2+内流发挥作用[16]。但是，海马区主要以NMDA受体介导的LTP为主。

NR2亚基上有Glu结合位点和细胞内C-末端结构域，通过与突触后蛋白相互作用，调节NMDA受体作用，其中NR2A和NR2B是NR2家族中重要的两个亚型，在大脑皮层特征性发育中具有重要意义。然而目前的研究中，NR2A和NR2B在突触可塑性的作用仍存在较大争议。LI等[17]选择性抑制NR2B没有达到阻止LTP诱导的作用，然而选择性抑制NR2A却抑制了LTP的产生，结果表明NR2A有助于LTP的诱导。但BALLESTEROS等[18]却认为相比NR2A，NR2B更能促进Ca2+内流，通过与CaMKⅡ作用促进LTP长时间维持，而NR2A只能促进LTP短暂的维持。目前，对于哪种亚单位在LTP的诱导中发挥主要作用尚无定论，需进一步研究证实。

2.2学习记忆 海马是大脑边缘系统重要组成部分,海马结构受损,动物维持记忆的能力也将下降。海马的神经细胞突触后膜存在大量的NMDA受体,因此NMDA受体被认为是学习和维持记忆的重要物质。研究人员发现，大脑的记忆力下降与大脑海马区NMDA受体表达异常有关[19]。

Morris水迷宫是用于评价学习和记忆的经典实验，现在广泛应用于研究动物的空间学习记忆能力。其中，逃避潜伏期是判断记忆能力的一个重要指标。逃避潜伏期越长，动物的记忆力受损程度越严重[20]。赵宝敏等[21]通过永久性结扎双侧颈总动脉方法建立血管性痴呆大鼠模型进行的研究发现，与正常大鼠相比，痴呆大鼠在Morris水迷宫试验中的逃避潜伏期明显延长。此外，Western blot检测结果显示NR1、NR2A、NR2B蛋白表达明显下降。反之，NMDA受体过度表达，Ca2+大量内流超载，致使神经元损伤，最终也会导致学习和记忆力水平下降[19]。这充分说明NMDA受体与学习记忆的密切联系。

NR1亚基是NMDA受体的基本功能亚单位。NR1亚基的减少将影响NMDA受体的整体数量。NR2亚基是NMDA受体的调节亚单位，其在机体中的表达与大脑记忆、认知功能密切相关，被称为“聪明基因”的NR2B与学习记忆关系更为密切。NR2B亚基不能单独发挥功能，只能通过和NR1亚基形成异四聚体才能发挥功能。NR2B亚基激活后，通过CaMKⅡ作用促进LTP的形成，LTP反过来促进NR2B的表达，从而增强学习记忆的功能[15]。LTP是学习和记忆的基础。在病理条件下，NMDA受体表达异常，NMDA受体反应性降低抑制了LTP的诱导，影响记忆和认知功能。近年研究发现，在衰老大鼠中NR2B表达下降且伴随记忆缺陷[22]。随着年龄增长，NR2B减少并逐渐被NR2A取代，诱导LTP的功能受损。

2.3疼痛 疼痛是一种不愉悦的主观感受，常常伴有实质或潜在的组织器官损伤。研究发现，NMDA受体不仅在神经系统广泛表达，且沿着疼痛途径分布。NMDA受体在病理状态下与诱发和维持疼痛有密切联系。雌激素、脑源性神经营养因子(BDNF)、丝氨酸等物质在NMDA介导的疼痛反应中发挥了重要作用。

雌激素是维持女性第二性征的主要物质，通过调节体内氧化还原平衡发挥神经保护作用。雌激素与雌激素受体结合后，可能参与促进NMDA受体激活和Glu释放的过程。DENG等[23]建立大鼠慢性坐骨神经损伤慢性神经痛模型，研究结果表明机体雌激素水平的上升会增加NMDA受体通道的开放性，促进Ca2+内流，导致机体对机械和物理的刺激更敏感。

BDNF是一种小分子多肽物质,在中枢神经系统成熟过程中参与突触的形成和重构,又可以通过突触前和突触后机制改变突触传递的效能,从而对神经结构和功能可塑性发挥调节作用。ZHANG等[24]通过福尔马林诱导大鼠炎症模型，研究显示BDNF触发其下游信号级联PI3K/mTOR，活化NR2B表达，参与疼痛突触可塑性是炎性疼痛程度增加的原因。

而近年的研究发现，NMDA受体磷酸化参与慢性疼痛产生的病理过程。NMDA受体通过一些蛋白激酶(PKA、PKC等)作用解除Mg2+的阻滞，使得NMDA受体磷酸化信号增强，提高机体对疼痛的敏感性[25]。其中，NR1亚基的磷酸化增加NMDA内流突触的效率，促使Ca2+内流，提高神经元的兴奋性，增强疼痛的表达[26]。总之，NMDA受体与疼痛的发生密切相关。

3 NMDA受体介导的兴奋性神经毒性

一般观点认为，NMDA受体适度的活化并不会引起组织的损伤。然而，NMDA受体活化过度和Ca2+持续内流易导致细胞内Ca2+自稳态紊乱，从而引起神经元的死亡。作为神经递质的Glu位于突触前末梢囊泡内，它由不能通过血脑屏障的非必需氨基酸合成，而血液中的Glu不能通过血脑屏障，故不会引起脑组织损伤。在某些病理情况下，血脑屏障通透性增加，大量的Glu释放入血，作用于细胞膜上的NMDA受体，Ca2+内流导致生理功能受损。众所周知，NR3亚基对Glu不敏感，因此，NR3亚单位和NR1亚单位形成的异四聚体可以抑制NMDA受体活性和Ca2+内流，拮抗NMDA受体介导的神经毒性。

随着研究深入，NMDA受体过度活化不再是引起神经元损伤的唯一因素，突触内外NMDA受体失衡在NMDA受体介导的兴奋性神经毒性充当重要角色。研究人员发现，阻断突触上的NMDA受体并没有改善其引起的神经毒性作用；相反，抑制突触外的NMDA受体的表达可抑制神经细胞死亡，因此突触外NMDA受体越来越引起人们的关注。突触外的NMDA受体中，NR2B占主导地位。NR2B蛋白C末端与DAPK1作用，使NR2B亚单位的Ser-1303位点磷酸化，进而激活NR1/NR2受体通道的转运，介导死亡信号[27]。此外，NR2B耦联的蛋白是PSD-95，PSD-95通过与 Fyn 激酶作用使NR2酪氨酸磷酸化，增强NMDA受体通道的功能，加剧神经毒性反应[28]。

更为严重的是，NMDA受体介导的兴奋性神经毒性是引发某些神经系统退行性疾病的重要原因。阿尔兹海默症(AD)是最常见的神经退行性疾病，其最具特征性的病变是Aβ蛋白的聚集，临床上常表现为进行性记忆力和认知功能下降[29]。研究发现，AD患者的大脑神经元细胞发生变性坏死，伴有大量自由基产生并出现突触丢失现象[13]。氧自由基具有强氧化性，与其相关产物过多集聚,对神经细胞造成毒性作用。而突触丢失将会影响神经元信息的传递，作为Glu受体的重要类型，突触外NMDA受体导致的神经毒性与AD发生密切相关。临床研究发现AD患者脑内纹状体中NMDA受体与Glu的亲和力增加,突触外NR2B更为显著[30]。Aβ诱导神经元细胞释放Glu,活化突触外的NMDA受体，触发促凋亡信号的产生[13]。此外，突触外NMDA受体活化抑制ERK通路的激活，影响细胞间信号传递，从而抑制LTP，导致记忆受损。目前，通过使用NMDA受体拮抗剂虽不能完全治愈AD，但是可以改善AD症状,由于其毒副作用较大，并没有在临床工作中得到广泛推广[30]。

综上所述，NMDA受体是一种重要的Glu受体亚型，调节Ca2+通道，对于维持学习记忆力和调节突触可塑性发挥了重要的作用。正常情况下，突触内外的MNDA受体处于平衡状态，当突触内外的平衡被打破，NMDA受体激活，Ca2+内流超载，可能引起兴奋性神经毒性，导致相关神经元功能损害。从突触内外NMDA受体的分布及表达切入研究NMDA受体介导的兴奋性神经毒性，可能为相关疾病治疗提供新的研究方向。