AMPA 受体在阿尔兹海默症中的研究进展

王晨旭 综述，于泳浩，谢克亮，王国林 审校

（天津医科大学总医院麻醉科，天津300052）

AMPA 受体（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors，AMPARs） 的合成、膜转运、降解和翻译后修饰等过程受到严格调控。AMPARs 最重要的功能包括支持突触可塑性，与学习和记忆的亚细胞改变有关[1]，同时也参与了中枢神经系统老化的过程。但是AMPARs 在自然衰老和神经退行性疾病中是如何变化的，目前尚不清楚。随着人口老龄化的进程，认知功能障碍性疾病的发病率也逐年上升，阿尔茨海默病（Alzheimer’s disease，AD）等神经退行性疾病越来越多的受到人们关注。AD痴呆最早的生物学表现之一就是是突触AMPARs的改变以及突触可塑性的损伤。在分子水平上，AD的两种标志性病理代谢产物为淀粉样蛋白Aβ 和神经纤维τ 链形成的斑块[2]。本综述简要概述了AMPARs 转运模型，重点介绍了生理性衰老以及AD 过程中AMPARs 的变化。

1 AMPARs 在生理状态下的转运与调节

AMPARs 是由 4 个亚基(GluA1-GluA4)组合的两个二聚体构成，其80%由GluA1/GluA2 和GluA2/GluA3 异质体组成。每个亚基都有一个可变的C 末端，这是AMPARs 转运的一个关键因素。GluA1 亚基的 C 末端是钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ(calmodulin dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)的主要靶标，突触后膜瞬时插入含GluA1 的AMPARs是诱导长时程增强（long-term potentiation，LTP）的重要步骤。GluA2 和GluA3 亚基的短C 末端则存在与PDZ 结构域相互作用的基序，介导AMPA 受体与几个分子及邻近突触相互作用。

有假说提出，在LTP 期间缺乏GluA2 的AMPARs可能通过周围其他突触后膜转移而来，迅速插入突触。突触和突触外AMPARs 可以通过外吞补充，提供了足够多的受体参与构成转运。随后，缺乏GluA2的AMPARs 可逐步被含有GluA2 的受体所取代，这些受体在基础转运和长时程抑制（long-term depression，LTD）期间更容易受到动态调节。然而，也有观点提出AMPAR 亚基的组成并不是LTP 的决定性因素[3]。

磷酸化是AMPARs 转运和功能的一个关键决定因素。一般而言，导致AMPARs 磷酸化的激酶活性与LTP 有关，而磷酸酶活性和去磷酸化则与LTD有关。CaMKⅡ和蛋白激酶 C（protein kinase C，PKC）的一个重要磷酸化靶点是GluA1 C 末端的丝氨酸831（S 831），在突触可塑性和记忆保持过程中有潜在作用[3]。蛋白激酶 A（protein kinase A，PKA）使另一个 GluA1 残基（S 845）磷酸化，使 LTP 期间 AMPARs 更容易到达突触。

这些调控通路也可能相互汇合，进而影响AMPARs 磷酸化。在正常状态下AMPARs 磷酸化水平较低，受到神经元活动的调控时[4]，AMPARs 磷酸化的改变要比转运变化更为明显。强调了磷酸化的重要作用，当然还有其他转录后修饰在控制AMPARs 转运和功能方面也发挥了重要作用。其中，泛素化和磷酸化可能是神经退行性疾病的特点，可溶性淀粉样-β斑块（amyloid-β，Aβ）寡聚体增加了 AMPARs 泛素化[5]，并减少了GluA1 S 845 的磷酸化，同时使AMPARs细胞膜上的表达降低。

2 AMPARs 通路在生理性衰老中的变化

在深入研究AD 的病理改变之前，更重要的是探讨正常衰老过程中AMPARs 介导分子通路的变化。目前，生理性衰老的机制研究仅限于对突触可塑性的分析，即老年动物的LTP 较弱，需要更强的刺激诱导。人们怀疑老年人的AMPARs 总体功能低下，但尚不清楚这是突触稳定性降低还是电导率降低的结果。也可能是由于AMPARs 减少或修饰受体增加而导致，因最近有研究表明，AMPARs 正变构调节剂的应用对恢复与年龄有关的记忆和突触增强缺陷有着有益的作用[6]。

其中，关于AMPARs 的改变有两种假设比较主流。一种理论认为，衰老改变了突触前功能，减少了谷氨酸的释放，影响AMPARs 与内源性激动剂的结合。第二种假设是修饰后的AMPARs 增加，使其在突触上更不稳定。在这种情况下，AMPARs 兴奋剂的应用可以暂时缓解其功能的丧失。并且改变AMPARs 的磷酸化和/或其亚基组成，可以引起不稳定性的增加和电导率的降低。Hara 等[7]的一项研究认为，AMPARs 亚基组成的改变可能与生理性认知能力下降有关，清除GluA2 的机制将很大程度影响衰老大脑中的突触传递和可塑性。

3 AMPARs 在 AD 中的变化

3.1 Aβ 对 AMPARs 的影响

3.1.1 Aβ 在突触可塑性中的作用 Aβ 通过改变突触的形态和组成来诱导突触畸变，从而导致树突棘的大量丧失，阻断AMPARs 的内吞作用可防止由Aβ 诱导的树突棘的丧失。Aβ 导致的 AMPARs 突触后膜移位与LTD 有相似的信号通路，同样涉及到N-甲基-D-天冬氨酸受体（N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR）的参与，但 Aβ 诱导的突触抑制也参与了其他的信号转导级联反应[8]。

Aβ 能还改变CaMKⅡ的亚细胞分布，破坏突触AMPARs，并阻碍突触增强。可溶性Aβ 还可通过降低NMDARs 的细胞膜表达，从而影响LTP 过程。然而，表面NMDARs 的减少又可能具有保护作用，表明NMDARs 可能是Aβ 的突触作用靶点。有实验指出，Aβ 能激活含GluN2B 的NMDARs，从而导致神经元过度活化并阻断LTP[9]。另有实验表示，可溶性Aβ 低聚物可通过改变 NMDARs 和 AMPARs 的转运和功能而导致突触的功能障碍[10]。

3.1.2 Aβ 对AMPA 受体亚单位的作用 有观点提出，Aβ 斑的存在不一定导致神经变性，可能是Aβ诱导的神经毒性需要激活额外的配体，迄今为止，研究最广泛的配体是细胞朊病毒蛋白。其中有一种假设为Aβ 本身就是一种可以自我繁殖的朊蛋白，能够诱发神经变性[11]。有研究用蛋白沉淀等实验方法鉴定脑脊液中与Aβ 结合的内源性配体，目前已确定了大约100 个参与脂质代谢、内稳态和免疫应答的分子[12]，这表明Aβ 可能通过多种潜在的结合配体影响多种细胞功能。

同时，Aβ 低聚物也可以结合不同的AMPARs亚单位[13]。研究发现，Aβ 低聚物与GluA2 形成复合物，从而影响AMPARs 的转运及表达。由于含Glu－A2 的AMPARs 主要在生理性老化期间受到影响，表明Aβ 可能通过天然存在的机制加重正在进行的突触老化。Reiners 等[13]指出，GluA3 缺乏小鼠的海马脑片LTP 在外源性Aβ 的作用下保持不变，而正常小鼠的LTP 则明显降低。可能是Aβ 低聚物有利地结合含有GluA2/GluA3 的AMPARs，从而触发这些受体从突触表面的向细胞内移动。其结合的潜在靶点是 PICK1（protein interaction with C-kinase 1），这一过程中表面含GluA1 的AMPAR 基本保持不变，但是缺乏PICK1 的小鼠可以抵抗Aβ 诱导的上述作用[14]，表明突触的损伤变化是PICK1 与GluA2/3 AMPAR 相互作用的结果。

3.1.3 AMPAR 亚基可能是治疗AD 的新靶点 Aβ通过诱导GluA 2/3 的选择性内吞作用，触发突触抑制，降低突触稳定性。因此，降低含GluA 2/3 的AMPARs 可能减轻Aβ 的损伤。事实上，最近对与轻度认知障碍相关的基因表达谱的筛选发现，GluA3基因与神经变性呈负相关[15]。有人提出，含有GluA1的AMPARs 主要是在LTP 期间植入突触的[16]，因此在LTP 过程中会产生GluA2/3 水平较低的突触。然而，降低含GluA2/3 的AMPARs 而有提高GluA1 的表达可能会产生意想不到的不良反应。虽然在一般情况下，可溶性Aβ 促进突触抑制，阻碍突触增强，但在某些情况下，胞内Aβ 也能增加含GluA1 的AMPARs 表达，进而引起钙依赖的兴奋性毒性[17]。因此招募含有GluA1 的AMPARs 增强突触强度，这一方法可能会产生一些不良反应。不过更为合理的假设是，保持智力活跃的生活方式可以防止Aβ 斑块引发的一些分子改变，因为这些斑块通常也出现在自然老化的大脑中[18]。

3.2 τ 神经纤维缠结（NFT）在AMPAR 通路中的作用

3.2.1 NFT 在突触传递及可塑性中的作用 对寡聚体Aβ 在AMPARs 转运过程中的作用研究较少，但是有大量证据表明，AMPARs 特别容易受到τ 蛋白病理的影响。有研究显示，在体外培养接受突变τ蛋白处理的神经元以及τ 蛋白基因突变小鼠中均发现大量表面受体丢失，但也有少数研究报道指出突触密度或形态没有变化[19]。产生不同结果的原因可能为人类突变型和野生型异构体的不同，以及内源性τ 在体外和体内模型差异等。另外，NFT 在破坏神经元功能方面的效率可能不如可溶性τ 蛋白。因此，τ 蛋白的病理损伤和突触毒性可能在很大程度上取决于聚集形式和游离形式之间的比例。然而，突触超微结构的重组可能不会引起突触密度的显著重塑。最近的一项研究结果表明，虽然突触密度保持不变，但GluN1 和GluA1 表达减少，二者均含有包括 PSD-95（postsynaptic density protein 95）在内的关键突触蛋白[20]。这些发现表明，暴露在异常τ 蛋白中的突触可能在超微结构水平上表现出微妙的变化，显著影响突触的功能。

τ 蛋白异常的模型中突触强度发生了改变，突触可塑性似乎是由于异常τ 的表达而中断。在高频刺激下，老年的τ 转基因小鼠海马CA1 区LTP 的基础突触传递受到干扰，表明τ 蛋白依赖的分子信号能够干扰AMPARs 的转运和突触可塑性。有趣的是，重组人τ 寡聚体被证明可以阻止LTP，并导致记忆障碍[21]，或是是增强LTD，而这一过程是独立于Aβ 存在的。这一差异的产生可能是由于二者采用的转基因模型不同。尽管存在差异，越来越多的证据均表明τ 蛋白依赖的信号转导在调节突触结构和功能中起着至关重要的作用。

3.2.2 NFT 介导的神经毒性 τ 蛋白不仅可以定位于轴突微管，也可以少量定位于突触后膜。并且，树突棘中如果积累了过度磷酸化的τ，就可以与一些关键信号分子一起调节AMPARs 的转运。τ 蛋白的错误定位引起的突触损伤可独立于神经变性而发生，这表明τ 可能在明显的认知缺陷出现之前就导致了突触功能障碍。除了中断AMPARs 的转运之外，τ 蛋白还会对关键的信号通路产生破坏性影响。

虽然磷酸化的τ 蛋白通常被认为有潜在的神经毒性，但最近的证据表明，磷酸化τ 在维持正常突触传递和可塑性方面起着至关重要的作用。生化和电生理的分析结果表明，海马LTD 的形成需要τ蛋白丝氨酸396 位点特异性磷酸化[22]。此外，Ittner等[23]最近的一份报告显示，在AD 动物模型中，早期的τ 蛋白磷酸化起到了积极作用。特别是，在苏氨酸205 位点上模仿τ 蛋白磷酸化可以减轻Aβ 诱导的神经元死亡，并在疾病的早期阶段提供保护。此外，τ 蛋白介导的AMPARs 变化机制在AD 早期可能被作为潜在的代偿机制，提示在神经退行性变的初始阶段激活τ 蛋白磷酸化可能是有益的。

除磷酸化外，τ 蛋白乙酰化在病理老化过程中也有重要作用，因为τ 赖氨酸K 274 和K 281 的异常乙酰化与AD 中的痴呆有关[24-25]。含有赖氨酸-谷氨酰胺突变的转基因小鼠可以表现出与AD 相关的记忆缺陷和海马LTP 受损。同时，增强τ 乙酰化能破坏海马突触可塑性，减少突触后肾脏脑蛋白（recombinant kidney and brain protein，KIBRA）表达，并与痴呆AD 患者KIBRA 的表达减少有关。综上所述，阻止τ 蛋白乙酰化可能对AD 认知功能下降有治疗作用。

AMPAR 的动态调控是支持突触传递和可塑性的关键因素。因此，在自然衰老和病理老化过程中，AMPAR 失调是突触衰变的基础。近几年来，在AD这类神经退行性疾病的研究中，NFT 和Aβ 干扰谷氨酸受体及其下游通路的机制取得了很大进展，不仅影响了AMPAR 的构成及转运，也影响了突出可塑性，因此AMPAR 可能会成为AD 的一个治疗靶点。其中有多项研究表明，选择性调节含GluA2/3 的AMPARs 可能影响自然衰老和病理衰老的过程。其中，GluA2 亚基对AMPAR 的转运和钙通透性有着深远的影响，不含GluA2 的AMPAR 钙内流增加，可导致神经元的兴奋性毒性。并且在病理条件下，含有GluA2/3 的AMPARs 常出现异常，也提示其调控的分子机制可能是神经退行性疾病新疗法的基础。所以，更好地理解AMPAR 转运涉及的分子基础，将是发现治疗认知功能障碍疾病至关重要的步骤。