Arc／Arg3.1的突触可塑性作用与耳鸣的关系

魏婷婷 综述 赵德安 审校

Arc／Arg3.1的突触可塑性作用与耳鸣的关系

魏婷婷1综述 赵德安1审校

在过去的二十年，研究学习与记忆中突触强度的引发和维持的分子机制已经成为了神经细胞学的一个焦点。任何长时程改变都可能依赖于基因的迅速转录及其随后的蛋白质合成。有学者［1］从海马中分离出一些即刻早期基因（immediate－early genes，IEG），也称为效应即刻早期基因（effector IEGs）。活性调节的细胞骨架蛋白（activity－regulated cytoskeletal protein，Arc），是一种可被不同形式的神经活性迅速诱导的即刻早期基因，在1995年，Worley研究组在海马中发现了Arc，同年，Dietmar Kuhl用相似的克隆方法也从海马中分离出Arc，并命名为Arg3.1。目前研究认为它可作为一种活性神经元的标记，并参与了突触可塑性的维持［2］。

1 Arc／Arg3.1的表达特点

在神经元接受刺激后5分钟即可发现Arc／Arg 3.1mRNA的增加，并且可持续8小时以上［3］。Arc／Arg3.1可选择性的表达于前脑钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ阳性的谷氨酸能神经元（CaMKII－positive glutamatergic neurons）［4］和突触后致密区（postsynaptic density，PSD）［5］。而Holstege 2003年的研究显示脊髓背侧角的伤害性刺激会引发Arg3.1的表达，说明Arg3.1表达不只限于前脑中。Arc／Arg3.1的翻译发生在突触后致密区的多核糖体复合物内，其编码的蛋白对树突构型及突触功能有一定的作用。新合成的Arc／Arg3.1mRNA迅速移至树突，并会选择性积聚在被激活的突触部位，这种机制确保Arc／Arg3.1蛋白定位的树突区域有强的可塑性活性［6］。在诱导和mRNA定位后，就能在树突棘中发现Arc／Arg3.1蛋白，而树突棘中的Arc／Arg3.1蛋白可以和涉及AMPA受体运输的内吞机制成份相互作用［7］。Arc／Arg3.1作为即刻早期基因被神经活性动态调节，并在神经回路中与信息的行为学编码紧密联系。而且，暴露于相同的空间和记忆巩固中时，Arc／Arg3.1可以在同样的网络中被反复激活，说明Arc／Arg3.1在活体的特殊神经网络内表达可以维持较高的稳态水平［8］。

Arc／Arg3.1转录及m RNA定位都取决于谷氨酸的NMDA受体。NMDA受体也能使之前已经诱导的Arc／Arg3.1 mRNA重新定位［9］。不过Arc／Arg3.1的定位是在转录和mRNA定位水平接受活性调节的，所以在Arc／Arg3.1蛋白定位以后，活性并不能调节它的效应。

2 Arc／Arg3.1的生理作用

2.1 Arc／Arg3.1对活性神经元的作用 神经元活化之后，很容易在神经元树突上发现Arc／Arg3.1m RNA表达的升高，Arc／Arg3.1的表达已经成为了整个大脑神经元活性的一种标记。1999年，Guzowski等阐述了将Arc／Arg 3.1作为一种标记来研究神经网络的新方法。很多近期的研究都使用Arc／Arg3.1原位杂交或是catFISH技术来展示Arc／Arg3.1作为一种活性神经标记的作用。在活体内，如海马的位置细胞，顶叶的行为特殊神经网络，视皮质及嗅皮质，在这些介导学习的神经核团中，Arc／Arg3.1均可被激活。例如，Bruce等［10］利用cat FISH技术，通过Arc／Arg3.1阳性细胞的分布情况检测了海马CA1区、后顶叶及味觉深浅皮质的细胞活性，发现在可被海马明显区分空间及行为学背景的环境中，深层顶叶及味觉皮质并不能区分空间背景，而浅层皮质能够很好的区分。Tagawa等［11］以全长Arc cDNA作为探针，观察视觉的正常发育及损伤过程中视皮质的变化情况，发现单眼损伤后视皮质的Arc活性变化可以反映出双眼的眼优势发生了移动。Zou［12］用Arc cDNA作为探针来研究嗅觉皮层对混合气味的识别，发现虽然一种气味受体能识别混合气味，并且一种气味也可被复合气味受体所识别，但是不同的气味却是由不同的气味受体组合所识别的。因此，嗅觉系统是利用一种复合受体编码框架来编码特定的气味。Temple［13］使用原位杂交技术获得了大脑损伤后ARC在不同时间段的表达情况，发现ARC表达的恢复时间与齿状回损伤后神经再接的时间段相仿，从而提出了通过即刻早期基因来评估大脑损伤后循环功能的新方法。

2.2 Arc／Arg3.1对AMPA受体运输的影响 AMPA受体是一类重要的兴奋性氨基酸特异性受体，属于谷氨酸受体的亚家簇之一，是由GluR1、GluR2、Glu R3和Glu R4组成的4聚体。AMPA受体磷酸化以后，可影响神经细胞突触可塑性。

最近发现Arc／Arg3.1有调节AMPA受体运输的功能，对AMPA受体的内吞作用和胞吐作用的调节是很多大脑区域突触可塑性的基础［14］。Chowdhury等［7］通过生化分析阐述了涉及囊膜内吞的两种蛋白，即发动蛋白2（dynamin 2）和钙离子通道相关蛋白3（endophilin 3），Arc／Arg3.1就是通过与这两种蛋白的联系而调节AMPA受体运输的。Chowdhury通过Arc／Arg3.1基因敲除小鼠的海马神经元培养发现，AMPA受体的表面表达增加了2倍，微兴奋性突触后电流增加（mEPSC），而它的内吞减少。而且，Rial Verde等［6］通过分析引发的突触刺激或mEPSC，认为在海马切片培养中的Arc／Arg3.1过度表达会减少AMPA受体表面表达及其介导的突触运输。Rial Verde还发现，Arc／Arg3.1的这种效应是通过含有GluR2而不是含有GluR1亚基的AMPA受体内吞发生的。

2.3 Arc／Arg3.1在突触可塑性中的作用 突触是神经系统内进行信息传递的结构基础。突触在其结构以及功能方面的可变性被称为突触可塑性［15］。突触可塑性与神经系统的发育、损伤后的修复以及学习记忆等重要脑功能的完成密切相关，而在条件刺激下诱发的突触传递功能的长时程改变，即长时程增强（long－term potentiation，LTP）和长时程抑制（long－term depression，LTD），是突触可塑性的主要表现形式［16］。

突触可塑性的几种类型均涉及来自突触的AMPA受体的插入或移动，Arc／Arg3.1可能有助于LTP。2000年，Guzowski等［17］提供了关于Arc／Arg3.1调节LTP后期的实验证据，他们在高频刺激后以阻止短暂Arc／Arg 3.1m RNA或其蛋白质增加的方式将Arc／Arg3.1反义寡核苷酸（AOD）注入大鼠的海马体中，在第一个4小时内对于LTP只有很少的影响，但之后LTP发生了衰变，到第五天时，LTP已经回归至基线。AMPA受体初级内体的再循环有助于LTP的稳定表达，而LTD需要网络蛋白介导的内吞。Plath［18］的研究表明，Arc／Arg3.1能够调节AMPA受体的内吞及初级内体的再循环，Arc／Arg3.1遗传切除会损伤LTP后期和LTD。

衔接蛋白2（AP2）的募集是网络蛋白介导的内吞与LTD发生所必需的。以前的研究已经证实抑制GluR2与AP2间联系的肽能抑制LTD［14］。与之相似的是，阻止GluR2与AP2间的联系也会影响Arc／Arg3.1下调介导的突触运输的能力，因Arc／Arg3.过度表达而选择性下调含有GluR2或GluR3的AMPA受体也会抑制LTD，并且阻止LTD的磷酸酯酶抑制剂也会抑制Arc／Arg3.1调节AMPA介导突触运输的能力［7］。

2.4 Arc／Arg3.1对突触缩放（synaptic scaling）的作用

Arc／Arg3.1的作用目前已经扩展到可塑性的一种新的类型上——自身稳定的突触可塑性（homeostatic synaptic plasticity）或称为突触缩放（synaptic scaling）［19］。细胞除了具有突触可塑性，还具有突触可塑性的自身稳定功能，使突触强度维持在一定范围内，允许突触运输进一步的增加或减少［20］。这种神经元输出与分布的突触权重之间的精细平衡可能对维持能够充分编码经过神经网络的信息非常重要。如果没有这种稳定平衡机制，长时程增强或抑制将会使突触趋于饱和或是沉默。因此有理由推测像Arc／Arg3.1这样的活性诱导基因因其蛋白产物被定位于激活的树突区，在被强突触激活后，Arc／Arg3.1可能在突触平衡上起着一定的作用［7］。

3 Arc／Arg3.1与耳鸣的关系

目前有关耳鸣形成机制的假说很多，但均不能解释所有的耳鸣现象，大量证据表明，听觉中枢特别是大脑皮层参与了耳鸣的产生与维持。脑功能成像研究也证明，耳鸣患者的颞叶听皮层存在高代谢活动或局部脑血流增加，提示大脑皮层可能有异常的改变。Brozoski［21］通过锰离子增强磁共振成像发现耳鸣大鼠的脑干活性增高而前脑活性降低。Mahlke［22］认为在听觉系统的丘脑皮层回路内，耳鸣相关活动增加，这是因为中枢神经系统试图代偿外周神经输入的减少，最终增加了听皮层的自发放电活动。听皮层内活性的持续增强可能需要正反馈回路的可塑性改变。人类在暴露于刺激噪声后可出现耳鸣症状，听皮质神经突触的可塑性改变对于耳鸣的起始阶段并不是必要的，然而，神经元可塑性改变可能促进了耳鸣的持续，并可能在急性耳鸣引发后立即发生。Mahlke等人通过水杨酸诱发的耳鸣动物模型与盐水腹腔注射的大鼠对比发现，在水杨酸注射大鼠的听皮层Arc／Arg3.1阳性神经元在高频区域聚集，只有耳鸣引发后才能看到杏仁核的活性。而神经元可塑性涉及耳鸣产生的一个指标就是杏仁核的活性，因此Mahlke证实了在杏仁外核尤其是在杏仁中央核的Arc／Arg3.1表达上调，说明在注射水杨酸后这些细胞核可能经过了可塑性改变。突触的非限制性增强会引起神经元编码信息能力的饱和，所以这些突触强度的剧烈改变需要自身稳态代偿来维持正常范围内神经元输出。用来维持这种自身稳态的一个候选基因就是Arg 3.1［23］，因此Arg3.1的降低对于皮层可塑性具有不利的影响。Arg3.1的表达降低说明在耳鸣时，听皮层神经元不能再精确的处理来自外周的信号，其最终的结果就是改变了皮层基因的表达，改变了神经元可塑性，并改变了听觉感知。

Panford－Walsh［24］发现在水杨酸诱导的耳鸣动物模型与噪声诱发的耳鸣动物中，听皮层中Arg3.1的表达均发生了显著的变化，认为Arg3.1可作为听皮层神经元活性改变的一个指标，因此听皮层中Arg3.1水平的改变可能与耳鸣期间听皮层中所观察到的过度兴奋性有关。Arg3.1水平降低的皮层神经元可能与耳鸣患者的已损伤外周神经元的频域相对应。另外，由于Arc／Arg3.1的水平反映了电反应的变化，在Tan［25］的实验中，动物听觉损伤后，初级听区中Arc／Arg3.1表达水平的下调说明对听觉损伤的反应引起了突触效率的降低，说明Arc／Arg3.1不仅可用于观察听皮层神经元兴奋性的改变，也能用于观察听觉损伤后可塑性的改变。

4 结语

虽然目前在Arc／Arg3.1方面的研究进展迅速，但仍有很多疑问有待解决［23］。例如，①为什么在Arc／Arg3.1基因敲除小鼠中LTP会缺失？②Arc／Arg3.1的调节作用具有选择性，Arc／Arg3.1的表达上调可减少AMPA受体介导的突触电流而不影响NMDA受体介导的电流幅度或是衰减时间常数［6］，Arc／Arg3.1是如何选择性控制AMPA受体内吞而没有调节NMDA受体的？③LTP／LTD及突触的自身稳定这几种类型的突触可塑性中均发现有Arc／Arg3.1的参与，可是这几种可塑性的机制过程不同，Arc／Arg3.1如何对这几种不同类型的突触可塑性均发挥作用；④Plath［18］在Arc／Arg3.1基因敲除的动物中发现兴奋性突触后电流（EPSPs）一过性的增加，也就是说在突触接受刺激后起始的60分钟内早期LTP的幅度出现了明显的提高，90分钟之后晚期LTP才会迅速降低，这种现象尚无法解释。Arc／Arg 3.1在听皮层可塑性中的作用进一步支持了耳鸣中枢源性学说。因此在制定耳鸣治疗方案时，需要考虑外周神经元的抑制输出反馈的影响以及听皮层可塑性，这有助于耳鸣治疗药物的选择。有关神经可塑性及耳鸣的关系还有待于今后的进一步探索。

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（2009－04－20收稿）

（本文编辑 李翠娥）

10.3969／j.issn.1006－7299.2010.04.05

R764.45

A

1006－7299（2010）04－0326－03

1 福建医科大学附属厦门第一医院耳鼻咽喉－头颈外科（厦门361003）