突触后致密区与突触可塑性

冯 波 胡 鹏 王 蓉

(1.首都医科大学宣武医院中心实验室,神经变性病教育部重点实验室;2.滨州医学院附属医院神经内科; 3.滨州医学院附属医院骨科)

突触是神经元之间的连接部位,生物信号从突触前膜经突触传递到突触后膜。突触的数量和功效发生改变可引起突触可塑性的改变[1]。神经递质扩散通过突触间隙,进而和突触的相应受体结合。广义的突触可塑性包括突触传递可塑性、突触发育可塑性和突触形态的可塑性,其主要表现形式——长时程增强(long term potentiation,LTP)和长时程抑制现象已被公认为是某些学习记忆活动的细胞水平的生物学基础。神经递质受体的一个重要功能是引起在突触后神经元产生放大效应的电信号[2],突触前和突触后积聚了许多参与突触可塑性调节的信号分子,这些分子在突触部位有机的组合对于有效的神经传递是非常必要的,突触传递也可以通过蛋白质-蛋白质和蛋白质-脂类相互作用而实现[3]。

1 突触后致密区的发现及主要组成成分

突触后致密区由第 1位观测脑组织的电镜学家于 20世纪 50年代命名[4]。突触后致密区是突触后膜细胞骨架纤维特化区域,后膜的细胞骨架和定位与突触前膜末端的活性区域相对应。这种结构的功能为细胞黏附性的调节、受体聚集的控制和受体功能的调节[5]。

首先通过 cDNA技术鉴定的突触后蛋白是 PSD-95(postsynaptic density-95)和 SAP-90(synapse-associated protein-90)。PSD-95是相对分子质量 90 000～95 000的蛋白,首先在 PSD-95/SAP90中发现 PDZ区域,PDZ区域又称为 DHR(Dlg homologous region)或GLGF重复序列,这是因为在大部分 PDZ区域中含有Gly-Leu-Gly-Phe氨基酸序列,PDZ的命名来源于最初发现含有该区域的 3个蛋白：P SD-95,DLG和ZO-1。大部分 PDZ区域的主要作用是识别配体蛋白的 C末端结构。X线衍射晶体分析法表明,PSD-95/SAP90的第 3个 PDZ区域由 6个β片层和 2个α螺旋结构组成,并且C末端肽结合于第2个β片层和 2个α螺旋结构的凹槽中[6]。PDZ区域作为蛋白质-蛋白质相互识别的模块,在不同的细胞信号整合中起了非常重要的作用,这个区域既可以特异性识别 C末端短肽序列,也可以识别结构上与末端类似的内部序列。包含PDZ区域的的蛋白在超分子信号复合物的运输、定位和组合中起了重要作用。

PDZ区域和与之结合的配体肽的亲和力目前尚不清楚。PDZ区域可以识别特定的 C末端序列,这种C末端序列通常有 5个氨基酸残基。PDZ结合序列的命名如下：C末端被称为 P0残基,N末端依次被命名为 P-1、P-2、P-3等。多肽实验室的先驱 Songyang Z等[7]揭示了 PDZ区域的特性,这些研究表明 P0和P-2残基对识别起了最重要的作用。根据识别参数选择的不同,PDZ区域可被分为至少 3个等级：Ⅰ级PDZ识别序列 S/T-X-φ-COOH,Ⅱ级 PDZ识别序列φ-X-φ-COOH,Ⅲ级 PDZ区域识别序列 X-X-C-COOH,还有一些不能归为这 3类的 PDZ区域[7]。

为什么 PDZ区域只识别配体 C末端的序列? PDZ肽复合物的结构表明在肽结合槽的末端是一个羧化物环,这个环包含一个相当保守的序列 R/K-XX-X-G-L-G-F,在这个复合物中,配体的羧基端由主链氢键维持环的酰胺基来调节[8]。包含 PDZ区域的蛋白在体内的功能是组织多种信号蛋白复合物的形成和维持细胞极性,在细胞与细胞相互作用中,细胞的类型功能和极性结构非常重要,神经细胞之间的联系需要维持这种极性,包含 PDZ区域的蛋白对于维持细胞与细胞通信的极性位置起着非常重要的作用[9]。许多包含 PDZ区域的蛋白参与了突触和神经肌肉接头的信号转导机制,在神经突触的树突侧,存在一个致密的蛋白复合物即突触后致密区,其中包含很多对输入信号应答特别重要的信号元件,在突触后致密区存在的几种多 PDZ区域蛋白是形成和维持这种突触后致密区的骨架蛋白[10]。

现在已经证明,除微管蛋白外,大约有 30种蛋白质,如肌动蛋白 (actin)、神经丝蛋白、伏衬蛋白 (fodrin)、磷酸二酯酶、蛋白激酶以及一些高分子蛋白质等[11]。研究[12]发现,在兴奋性突触的突触后膜上,还聚集有离子型N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-asparic acid,NMDA)受体、α-氨基-3羟基-5-甲基异恶唑-4-丙酸 (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid,AMPA)型 Glu受体和代谢型 Glu受体,它们都与PSD相连。在 PSD中,还含有多种调节分子,如钙调蛋白、蛋白激酶 A、蛋白激酶 C、酪氨酸激酶等等。CaMKⅡ分布广泛,神经细胞的各个部位都含有这种酶,尤其在 PSD中含量特别高,约占 PSD蛋白总量的30%～50%,推测这种高浓度的存在及其自身磷酸化特性可能在突触部位起记忆的分子开关作用[13]。

2 突触可塑性

突触功效的提高是通过促进突触前膜释放神经递质和提高突触后膜的反应性实现。突触传递的长时程增强一直被认为是学习记忆的神经基础之一,是突触可塑性的功能指标,也是研究学习记忆的理想模型。LTP(long-term potentiation)与学习记忆的关系主要表现在 3个方面：(1)影响LTP的因素可以影响学习记忆的过程;(2)影响学习的因素也可影响 LTP的产生;(3)学习过程中可产生LTP,在动物条件反射的训练过程中常伴随着LTP现象产生[14]。

在正常突触传递时,海马 CA1区锥体细胞的传入末梢释放的 Glu递质只能使非NMDA受体激活,当一定频率和强度的刺激使突触后膜去极化到一定程度时,堵塞NMDA受体通道的Mg2+被移开,Glu递质与NMDA(N-methyl-D-aspartate)受体结合,Ca2+通道开放,使突触后膜内 Ca2+水平升高,继而促发一系列生化反应,改变膜的性质,导致 LTP产生。LTP反映了突触水平上的信息储存过程,是记忆巩固过程神经元生理活动的客观指标[15]。LTP的形成包括诱导与维持 2个阶段。LTP的形成必须满足 3个条件：(1)突触后膜较强的去极化去除Mg2+对NMDA受体耦连通道的阻滞;(2)突触前神经末梢释放兴奋递质(主要是谷氨酸);(3)在突触后膜,递质与 NMDA受体结合,离子通道打开,Ca2+内流。LTP的维持需要满足 4个条件：(1)突触前释放递质增加;(2)突触后受体有效性增加;(3)突触后树突棘形态改变;(4)新的蛋白质合成。即突触前不断释放递质,突触后膜受体、通道、酶类产生改变而形成 NO、CO、花生四烯酸等逆行信使不断向突触前扩散而维持递质释放[16-17]。

在长期记忆的形成中,活性依赖性的棘突数目和形态的改变被认为参与了突触可塑性。定位于树突棘的大部分兴奋性突触以谷氨酸作为神经递质,在树突棘有几种谷氨酸受体：NMDA、AMPA、红藻氨酸受体和代谢性谷氨酸受体[18]。不同类型的受体存在不同的表达和调节方式,但是它们都可以提高细胞内钙离子水平,NMDA受体和一部分AMPA受体亚型介导细胞外间隙的钙离子内流。通常兴奋性突触后电位由AMPA受体介导,NMDA受体对谷氨酸有更强的亲和力,但是更倾向于小分子和长时间持续的信号。

长时程增强的主要机制是突触后通过AMPA受体对谷氨酸的反应性增强。条件刺激可引起释放少量与NMDA受体有高亲和力的谷氨酸,而非条件刺激可引起更多的谷氨酸的释放,足以激活AMPA受体和触发使神经细胞去极化的动作电位。长时程增强的持续时间依赖于刺激的条件,长时程增强可能在1～3 h内衰退,也可能持续几个小时或几个月,在后者的情况下,长时程增强得到了巩固,这相当于记忆巩固的过程[19]。

此外,刺激AMPA受体发生去极化,激活电压依赖性的钙离子通道引起钙离子内流。代谢性谷氨酸受体激活第二信使信号级联反应,激活内质网的离子通道,从而诱发细胞内储存钙的释放[20]。树突棘的形成依赖于功能性谷氨酸受体在突触的聚集和传入神经元持续性的信号输入。树突棘的稳定和维持需要AMPA受体介导的电流,完全抑制海马突触传递可以引起树突棘的丢失和萎缩,但是低活性的AMPA受体足够维持树突棘形态。此外,AMPA受体激活可以通过电压依赖性的钙离子通道提高钙离子浓度,也可以使不规则的树突棘形态转化为规则的树突棘形态[21]。

NMDA受体涉及树突棘形态的调节,NMDA受体的激活可以引起海马的长时程增强,进而导致丝状伪足和树突棘的向外生长,与树突棘的形状改变相一致,海马长时程增强同时伴有 actin的增加[22]。用生理浓度的 NMDA受体培养海马神经元,可以使棘突actin纤维蛋白丝的浓度从 5%上升到 60%,诱导长时程抑制效应同样可以增加 actin纤维蛋白丝浓度[23]。这些结果支持下述假说：钙离子通过NMDA受体进入胞内,通过钙离子敏感的 actin调节蛋白如 CaMKⅡ(calcium-calmodulin dependent protein kinaseⅡ)引起actin纤维蛋白丝的改变。

不同谷氨酸受体的激活剂和抑制剂可以引起突触效能的改变,促进树突棘发育和形态学改变,而激活AMPA受体可以稳定已经形成的突触。尽管NMDA受体对棘突的形成有正性效应,NMDA受体同样可以促进棘突的衰退,这对于神经回路的维持是非常重要的。在经过长时间的胞内钙离子浓度增加后, NMDA受体和谷氨酸的应用可以引起棘突的收缩和瓦解,这是一个病理改变而非生理改变[24]。

3 突触后致密区与突触的形状和可塑性

突触后致密区的完整性对于正常棘突形态的维持是非常重要的,一方面因为形成树突棘的 actin纤维蛋白丝附着于突触后致密区,另一方面因为突触后致密区许多蛋白调节棘突的形状,脂质破坏导致突触后致密区蛋白的消散,进而引起树突棘的消失[25]。扰乱树突棘骨架蛋白的功能同样可以影响棘突的形状,骨架蛋白促进了谷氨酸受体的聚集和稳定。

突触后致密区的信号蛋白通过交叉通路调节突触可塑性和树突棘形状,例如,CaMKⅡ是普遍存在于谷氨酸能突触的突触后致密区的丝氨酸/苏氨酸激酶,在突触后致密区发现了很多 CaMKⅡ的底物,包括AMPA和NMDA受体以及 PSD-95家族的骨架蛋白。CaMKⅡ可以和 actin纤维蛋白丝结合,也可以和突触后蛋白结合,促进树突丝状伪足、棘突和突触的形成[23]。NMDA受体依赖的钙离子内流可以引起CaMKⅡ从 actin到突触后致密区的可逆性易位。在突触后致密区,CaMKⅡ可以和NMDA受体的亚单位NR2B结合,从而延长了 CaMKⅡ的激酶活性;另一方面,CaMKⅡ的抑制物阻断了长时程增强的诱导效应和活性依赖性的树突丝状伪足的形成,表明 CaMKⅡ参与了突触活性诱导的结构可塑性,CaMKⅡ和NMDA受体的激活可以增加突触的连接[26]。

综上所述,骨架蛋白把谷氨酸受体和信号转导有关的多种调节蛋白集中于突触后膜,形成了突触后的特殊结构-突触后致密区。突触后致密区对于谷氨酸受体功能的调节和突触可塑性有重要意义,为学习记忆障碍相关的疾病的治疗提供了药物靶点。

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