海马细胞凋亡的钙通路与创伤后应激障碍发生机制的相关性

杨 杨 尚方剑 刘鑫琪 石玉秀*

（1 中国医科大学七年制，辽宁 沈阳 110001；2 中国医科大学组织与胚胎学教研室，辽宁 沈阳 110001）

创伤后应激障碍（posttraumatic stress disorder，PTSD）是指由于异常的威胁性、创伤性或灾难性心理创伤导致的延迟发作和持续性长期的应激相关的精神障碍，是对严重应激因素的异常精神反应。PTSD以对创伤性事件的重复体验、社会生活退缩、强烈的羞愧、内疚或耻辱感为特征。而细胞凋亡作为生命活动的基本现象之一，主要调节生物的生长发育和衰老。研究发现，PTSD患者的海马体积相对减小，可能由海马神经元的凋亡引起。随着地震[1]等自然灾害、战争、社会暴力事件和重大交通事故等创伤性意外的发生不断增加，因PTSD的影响越来越大、发病率越来越高而受到专家学者的关注。

1 海马的解剖与功能

海马是大脑边缘系统的重要组成部分，在进化上是大脑的古皮质，位于大脑内侧面颞叶的内侧深部，左右对称，结构比较复杂。在功能和纤维联系上，不仅与嗅觉有关，还与内脏活动、情绪反应和性活动密切相关。海马也是大脑具有可塑性和极易受损的一个脑区，对缺血缺氧极为敏感。

海马被认为是参与学习与记忆的重要结构，同时也能调控机体内分泌和自主神经活动，并协调、控制应激反应的发生和发展。因此，PTSD引起一系列神经生化、神经内分泌和免疫功能的异常改变与海马功能紊乱互为因果，最终导致海马形态结构改变，造成海马损伤。因此，PTSD患者的海马易受到创伤性刺激的影响，出现不同程度的损伤。

2 海马细胞凋亡的钙通路与PTSD发病机制的相关性

最近研究发现，在PTSD患者的磁共振成像中，海马体积相对减小，这可能是由海马神经元凋亡引起[2]。在光镜下，凋亡的神经元体积变小、变形，细胞膜完整，可见凋亡小体。有研究报道，PTSD患者海马神经细胞[Ca2+] 浓度于12h 明显升高，24h达高峰[3,4]。由此表明，在PTSD患者脑神经细胞内，Ca2+及钙调控紊乱作为一种重要的通路引起海马细胞凋亡并引起海马的多种功能障碍。

2.1 内质网途径

内质网是调节蛋白质合成及合成后折叠、聚集的场所，是调节细胞的应激反应及细胞钙水平的场所。而通过内质网引起细胞凋亡的主要有以下几个途径：①内质网应激引起的细胞凋亡；②内质网钙引起的细胞凋亡；③内质网上Bcl-2家族参与细胞凋亡；④内质网上存在重要凋亡分子底物。下面主要介绍Ca2+及钙调控紊乱作用于内质网而引起的细胞凋亡途径。

内质网 Ca2+释放主要经两条通道:三磷酸肌醇受体（IP3R）通道和阿理诺碱受体（RyR）家族通道[5]。IP3R.RyR.依赖的Ca2+增加可通过以下几种机制影响细胞凋亡：①钙依赖钙激活蛋白酶的活化而激活caspases；②钙激活蛋白酶裂解Bax而增加其促凋亡的活性；③钙激活蛋白酶还可通过caspases而执行凋亡。

内质网是钙的储存场所。当细胞内钙离子紊乱时，内质网通过自身的调节来平衡钙离子的浓度，使之在一定浓度范围内保持平衡。当胞内钙离子浓度进一步失衡，内质网不能通过自身的调节来维持稳态时，内质网将启动内质网应激程序来拮抗胞内钙离子的过度失衡。因此，胞内钙离子过高，促发内质网应激反应，严重时可引起细胞凋亡。

在各种原因引起的内质网应激过程中，Ca2+从内质网中释放激活caspase-12的前体，进而激活m-calpain，而m-calpain从胞浆转位到内质网中来切割caspase-12前体的CARD域，进而激活caspase级联反应，引起细胞凋亡[6]。

内质网通过其表面的IP3R或RyR受体释放Ca2+进入胞质的同时，线粒体内的[Ca2+]升高，当线粒体内Ca2+升高直至出现Ca2+超载时，线粒体肿胀、结构裂解，引起细胞凋亡[7]。Michalak实验室也发现内质网和线粒体联系紧密：从内质网释放的Ca2+最后积累在线粒体中[8]。因此，内质网和线粒体可以同时作用而引起海马细胞凋亡。

2.2 线粒体途径

线粒体是真核细胞中重要的细胞器，参与各种能量代谢，也是细胞凋亡的重要途径。相关研究显示，线粒体是细胞内死亡信号的重要感受器与放大器。在海马的SPS大鼠模型中，神经元显著凋亡，并且伴随着细胞色素C从线粒体释放入胞浆，Caspase-9和Caspase-3的表达增加，Bcl-2/Bax的比率降低。这些实验结果表明SPS模型诱导的海马凋亡的PTSD大鼠，线粒体途径参与其中并发挥中重要的作用[9]。

钙失衡等细胞应激反应或凋亡信号能引起线粒体细胞色素c释放。作为凋亡诱导因子，细胞色素c能与Apaf-1、caspase-9前体、ATP/dATP形成凋亡小体，然后召集并激活caspase-3，进而促发caspase级联反应，导致细胞凋亡。同时，在PTSD大鼠海马神经元中，Bax的上调也能促进细胞色素c的释放[10]。

Ca2+ 依赖的活化转录因子MEF2能导致Nur77.TR3上调，而Nur77.TR3能与线粒体结合并导致细胞色素c的释放。Ca2+在内质网与线粒体之间的优势转运可使线粒体对促凋亡Bcl-2家族成员的敏感性增加，进而Bcl.2家族促进海马细胞凋亡，这可能是由于Ca2+能诱导线粒体膜渗透转运孔的开放。

因此，线粒体途径在PTSD患者海马细胞凋亡的钙通路中起重要作用。

2.3 死亡受体途径

Fas是典型的死亡受体。在大多数细胞中都有基础表达，尤其在活化的淋巴细胞，而在肝、心、肾、肺、皮肤等组织中也有较高水平的Fas表达，特别是成纤维细胞、内皮细胞和上皮细胞。Fas 和FasL 介导的细胞凋亡依赖细胞膜表面表达的功能的Fas 蛋白，通过Fas-FasL 的结合作用而诱导激活后续的凋亡相关蛋白，特别是Caspase3 蛋白酶，最终导致凋亡。

已有研究发现，在T淋巴细胞中，FasL的表达主要是受NFAT调控，其过程主要涉及到在Ca2+或及钙调蛋白（CaM）的参与下，经钙调神经磷酸酶（CaN）激活的一系列步骤，即：Ca2+/CaN依赖的信号通路（Ca2+/CaM→激活CaN→NFAT去磷酸化→NFAT移至核内，与FasL启动子结合→调控FasL表达）。

2.4 其他相关途径

Ca2+-CaM-CaMKIIa信号途径在学习记忆、精神行为等多种认知活动中起非常重要的作用。因此，海马的Ca2+-CaM-CaMKIIa信号途径调控的紊乱可能是PTSD大鼠情感行为异常的重要病理生理基础之一[11]。胞内Ca2+超载导致钙调蛋白依赖性蛋白激酶（CaM-CaMK）信号途径调控紊乱，引发神经细胞长时程基因表达、调控异常，促使CNS神经可塑性改变。

Furuya等[12]研究发现：thapsigargin（TG）抑制内质网膜的活性，使胞质Ca2+不易进入内质网腔，同时，细胞外Ca2+内流，进而是胞内Ca2+浓度持续性升高，激活了Ca2+/Mg2+-ENase，而发生细胞调亡。

钙浓度升高还会改变转录因子Fos、Jun、Nru77或Cerb的活性，从而导致基因表达发生变化，而启动细胞凋亡程序[13]，进而在基因的水平上直接调节细胞凋亡。细胞核Ca2+信号和钙结合蛋白S100β共同调节p53途径依赖的细胞凋亡的发生[14]。

各种应激刺激可以引起海马神经元Ca2+过度内流，CA3 区神经元受损，导致细胞凋亡。 凋亡细胞的产生诱发邻近细胞的溶酶体释放大量ACP酶摄取并消化凋亡的细胞，从而引起凋亡的细胞减少[15]，海马体积减小进而影响海马的学习记忆等功能。

3 讨 论

以上研究表明，钙及钙相关蛋白通过内质网途径、线粒体途径、死亡受体途径和其他相关途径，作用于PTSD患者海马神经元并引起海马神经元的凋亡，进一步引起海马体积的减小，造成PTSD患者海马的学习记忆相关功能障碍。然而，内质网作为细胞内钙离子的储存库，在钙及钙相关蛋白引发的海马神经元凋亡中的作用尤为重要。

4 展 望

随着近年来，战争、暴力事件、地震海啸等重大自然灾害的频繁发生，以发病率高、患病率高、病程缓慢、疗效差为特点的PTSD越来越受到人们的重视。PTSD患者海马神经元凋亡引起海马体积减小，不同程度的影响海马结构的生理功能，造成一系列PTSD症状的出现。在PTSD患者脑神经细胞内，Ca2+及钙调控紊乱作为一种重要的通路引起海马细胞凋亡并引起海马的多种功能障碍。研究海马神经元凋亡的途径，通过干扰神经元凋亡有利于对PTSD患者的靶向治疗。

关于海马神经元凋亡的钙通路与创伤后应激障碍发生机制的相关性仍有许多问题有待探讨，如其与线粒体和胞质等其它细胞器之间的关系、其在组织与器官功能障碍中的作用、在疾病发生与发展中的意义等，这些问题的解决将有助于揭示疾病发生发展的亚细胞机制并寻找有效的防治措施。海马神经元凋亡的钙通路的研究对于深入、完善细胞损伤和凋亡理论，明确细胞器的交互调节作用，有深远意义;为临床疾病研究和治疗提供新的理论依据，有助于进一步认识疾病的本质，可以针对调控机制中的信号转导途径采取一些新的干预、治疗措施，达到预防和治疗疾病的目的。对于它的详尽研究将有力地推动生命科学领域科研的发展。

[1] 张宁,张雨青,吴坎坎,等.汶川地震幸存者的创伤后应激障碍及其影响因素[J].中国临床心理学杂志,2010,18(1):55.

[2] Hull AM.Neuroimaging findings in post-traumatic stress disorder[J].Br J Psychiatry,2002,181(2):102-110.

[3] 王玉龙,谢伟,杨智辉,等.PTSD 在中国的研究进展[J].应用心理学,2005,11(2): 176-180.

[4] 王庆松,王正国,朱佩芳.PTSD样情感行为异常大鼠海马ATP酶活性与Ca2+/CaM 改变[J].中国病理生理杂志,2002,l8 (9):1046-1049.

[5] Vázquez-Martínez O,Cañedo-Merino R,Díaz-Muñoz M,et al.Biochemical characterization,distribution and phylogenetic analysis of Drosophila melanogaster ryanodine and IP3receptors,and thapsigargin-sensitive Ca2+ATPase[J].Cell Sci,2003,116(12):2483-2494.

[6] Nakagawa T,Yuan J.Cross-talk between two cysteine protease families.Activation of caspase-12 by calpain in apoptosis[J].Cell Biol,2000,150(4):887-894.

[7] 王虎,蔡定芳.Ca2+与内质网途径的细胞凋亡[J].国际病理科学与临床杂志,2006,26(4):283-290.

[8] Nakamura K,Bossy-Wetzel E,Burns K,et al.Changes in endoplasmic reticulum luminal environment affect cell sensitivivy to apoptosis[J].Cell Biol,2000,150(4):731-740.

[9] Li XM,Han F,Liu DJ,et al.Single-prolonged stress induced mitochondrial-dependent apoptosis in hippocampus in the rat model of post-traumatic stress disorder[J].J Chem Neuroanat,2010,40(3):248–255.

[10] 李晓明,韩芳,石玉秀.细胞色素C和BAX在创伤后应激障碍大鼠海马神经元的表达及意义[J].解剖学报,2009,40(6):869-872.

[11] 肖冰,韩芳,石玉秀.创伤后应激障碍大鼠杏仁核海马复合体Ca2+-CaM-CaMKIIa变化的研究[J].中国组织化学与细胞化学杂志,2009,11(4):139.

[12] Furuya Y,Lundmo P,Short AD,et a1.The role of calcium,pH,and cell proliferation in the programmed(apoptotic)death of androgen—independent prostatic cancer cells induced by tbapsigargin[J].Cancer Res,1994,54(23):6167-6175.

[13] 张艳芬,范雪晖.细胞内Ca2+对细胞凋亡的影响[J].新乡医学院学报,2003,20(3):55.

[14] Scotto C,Deloulme JC,Rousseau D,et al.Calcium and S100B regulation of p53-dependent cell growth arrest and apoptosis[J].Mol Cell Biol,1998,18(7):4272-4281.

[15] 袁辉,韩芳,石玉秀.PTSD样大鼠海马神经元凋亡及其ACP变化的研究[J].中国组织化学与细胞化学杂志,2008,17(1):100-105.