大脑皮层中γ-氨基丁酸系统增龄性变化的研究现状

王倩倩 赵晨阳 常彦忠 (河北师范大学生命科学学院铁代谢分子实验室，河北 石家庄 050016)

大脑皮层中γ-氨基丁酸系统增龄性变化的研究现状

王倩倩 赵晨阳 常彦忠 (河北师范大学生命科学学院铁代谢分子实验室，河北 石家庄 050016)

γ-氨基丁酸;衰老;大脑皮层;铁代谢

γ-氨基丁酸(GABA)是哺乳动物中枢神经系统中重要的抑制性神经递质，约50%的中枢神经突触部位以GABA为递质。在人体大脑皮质、海马、丘脑、基底神经节和小脑的神经兴奋性与信息加工、神经可塑性等方面都起到了相当重要的作用〔1〕。

GABA在大脑的不同部位都起到抑制性作用。在衰老过程中，大脑皮层会发生功能退化;同时，GABA系统在衰老过程中也相应发生一系列变化。可以推测，大脑皮层的功能退化很可能是由皮层内 GABA抑制作用的减弱引起的〔2〕。Schmolesky〔3〕通过对老龄猕猴皮层的研究表明：衰老会导致GABA抑制作用的减弱，而且这种减弱会引起很多视觉功能的衰退。Leventhal〔2〕在老龄猴中的实验表明，GABA以及GABAA受体的激动剂-蝇蕈醇可以显著改善初级视觉皮层V1区神经元的功能，而GABAA受体的拮抗剂-荷包牡丹碱对低龄猴子的作用比对老龄猴子的作用更加明显。Sillito〔4〕、Eysel〔5〕的实验进一步表明低龄猫视皮层神经元的方位选择性经荷包牡丹碱处理后出现了显著降低，这进一步表明GABA抑制作用的阻断确实可以导致皮层功能的减弱。而GABA抑制作用的减弱可能是由于GABA受体表达量的降低，或者由皮层中GABA合成量的降低所导致的，或者是由二者共同作用〔6〕。

1 GABA与神经传导

GABA由谷氨酸经谷氨酸脱羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)催化脱羧基产生。GABA合成后主要储存于突触囊泡中，在GABA转运体(GABA transportor，GAT)参与下释放至突触间隙。突触间隙内GABA作用于突触后膜上相应的受体使神经元产生突触前或突触后抑制，其结果均引起抑制效应。突触前抑制主要是指通过某种生理机制，减少了兴奋性递质的释放所引起的抑制;而突触后抑制是指受体激动时打开Cl-或K+通道，使突触后膜超极化，从而产生抑制效应〔7〕。在脊髓，GABA作用于突触前神经末梢，减少兴奋性递质的释放，从而引起突触前抑制，而在脑则引起突触后抑制。游离的GABA可通过依赖于Na+、Cl-的高亲和力摄取系统被转运至GABA能神经元和胶质细胞中，维持胞外GABA微摩尔级的低浓度，或经酶促降解而失活，终止GABA对神经元的抑制〔8〕。

2 皮层中GABA能神经元增龄性变化

老年动物视皮层神经元的功能退化主要表现为神经元的自发活化以及对刺激选择性的降低〔6〕，而神经元对刺激响应性的增加可能是由皮层内抑制作用尤其是GABA抑制作用的降低导致的〔2〕。有研究表明，与低龄猫相比，老龄猫V1区的GABA免疫反应阳性(GABA-IR)神经元的密度及数量均显著降低，GABA-IR神经元的平均密度在Ⅰ、Ⅱ～Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ以及VI层分别下降了44.5%、56.8%、54.7%、60.7%、50.9%，GABA-IR神经元占神经元总数的比例分别下降了43.7%、56.8%、54.7%、59.9%、50.3%〔9〕。这些形态学上的现象直接表明GABA抑制作用的降低会伴随出现老年动物视皮层神经元功能的下降。在SD大鼠视皮层的研究证实，衰老确实能够导致视皮层GABA表达量降低〔10〕。另外，在听皮层中，与低龄猫相比，老龄猫初级听觉皮层A1区的GABA-IR神经元密度出现显著降低，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ层表现尤其突出，而且胞体较小，阳性反应的减弱较为明显〔11〕。由此，可以推测，听皮层内抑制作用的减弱是由GABA含量的降低导致的。Fischer 344/Brown Norway杂交大鼠(FBN)感觉运动皮层的超微结构研究表明，老龄大鼠与低龄大鼠相比，皮层第Ⅱ层的抑制性神经突触作用出现显著下降〔12〕。然而，也有研究表明GABA能神经元的数目以及细胞大小在感觉运动皮层中并没有出现增龄性变化，免疫染色后，在光镜下并没有观察到Ⅱ、Ⅲ层抑制性突触数目的明显降低。因此推测，Poe等〔13〕从电镜观测到的可能只是GABA能突触的一个亚型，并非所有的抑制性突触。

3 大脑皮层中GABA合成酶增龄性变化

GABA由两种谷氨酸脱羧酶(GAD67和GAD65)催化生成，分别由Gad1和Gad2基因编码。GABA的合成是GABA代谢过程中的关键步骤〔14〕，影响着GABA在细胞以及囊泡中的含量。其中，GAD67负责细胞内95%以上的GABA的合成，并且其在脑中的含量有一定限制〔15〕。研究表明，在A1区的抑制性以及兴奋性神经元中都存在GAD67的mRNA。然而，GAD67的蛋白只在GABA能神经元中表达。兴奋性神经元中GAD的mRNA可能是发育过程中剩余的RNA，RNA结合蛋白与其结合并阻止其翻译〔16〕。Sloviter〔17〕认为齿状颗粒细胞具有两种速效氨基酸类神经递质，一种是兴奋性的，一种是抑制性的，从而可以产生兴奋和抑制效应。GAD的显著下降很可能会导致抑制性神经递质GABA含量的下降以及对声音信号的处理速度的下降。

Ling等〔18〕用原位杂交以及免疫细胞化学方法检测了FBN的F1代杂交鼠A1区GAD含量的年龄相关性变化。对GAD65＆67的检测结果发现在衰老大鼠 A1区的Ⅱ ～Ⅵ层中GAD65＆67的mRNA含量均出现了年龄依赖性下降，并且，在Ⅱ层二者的下降最为显著(GAD65：26.6%，GAD67：41.1%)。而在蛋白水平上，与低龄大鼠相比，免疫染色后中年和老年大鼠A1区的GAD67的相对光学密度(ROD)在Ⅱ～Ⅵ层均出现了显著下降。虽然GAD67蛋白ROD的年龄相关性下降在各层中有所不同，但并没有统计学差异。

顶叶皮层位于A1区的背侧，在接收初级视皮层的空间感觉以及注意力的信号输入中起作用。将A1区GAD67的mRNA以及蛋白的变化与顶叶皮层进行比较，发现在这两个临近的区域中GAD67的年龄相关性变化有着两种不同的方式。在A1区，在低龄、中龄、老龄这3组大鼠中GAD的含量表现为逐步下降，但在顶叶皮层中，GAD67的mRNA只在老龄组中出现了显著降低，而蛋白表达量的变化也只在老龄组的第Ⅳ层出现了显著降低。顶叶皮层mRNA水平的延缓时效可以很好地解释GAD67的蛋白表达量除了在第Ⅳ层出现了显著降低而在其他层均没有显著变化的现象。上述结果也表明，GAD67的蛋白含量即使在两个相邻的区域也可以存在较大的差异。与此同时，Banay-Schwartz〔19〕发现 Fischer 344(F344)大鼠视皮层 GAD67水平也具有显著变化，而且在运动皮层也出现了变化，但是并没有统计学意义。

在衰老过程中，老年动物的感觉信号输入系统功能会发生一定程度的退化，而GAD的含量降低会直接导致GABA合成量下降，而这种抑制性神经递质的降低可能是一种衰老过程中感觉信号输入系统退化的补偿机制。

4 大脑皮层中GABA受体的增龄性变化

GABA 受体可分为三类：GABAA、GABAB、GABAC。其中GABAA受体在中枢神经系统中的分布最为广泛。近年来应用分子生物学方法，已克隆到19种GABAA受体的亚单位(如α1-6、β1-3、γ1-3、δ、ε、π、θ 等)，并且研究表明 GABAA受体与中枢系统的关系更为密切〔20〕。因此，对GABA受体的研究主要集中在GABAA受体亚型。

对大鼠大脑皮层的研究表明，主要的GABAA受体(α1、γ2和β2/3)的蛋白表达量在衰老过程中保持不变，但是相应的mRNA却表现出显著的年龄依赖性变化〔21〕。还有研究表明GABAA受体的功能特性取决于受体亚基的成分〔22〕。在大鼠皮层中通过对GABAA受体各亚基的分析发现大脑皮层GABAA受体的亚基α1和α2的表达量与低龄动物相比偏高，而α3、α5、γ2的表达量较青年动物低。对脑不同区域中免疫反应的相对光学密度的研究如下：与低龄大鼠相比老龄大鼠在枕叶皮层Ⅱ/Ⅲ层α1亚基的表达量显著增加，而α2亚基的表达量在Ⅴ和Ⅵ层只是出现了轻微的上升;α5亚基主要是在听觉皮层的Ⅱ/Ⅲ和Ⅳ层有显著下降;γ2亚基的表达量的降低在深层皮层中较为明显;α3亚基在深层皮层中有轻微的降低;其中，α1和α5亚基有显著的变化，尤其是在大脑皮质的外层〔23〕。这些亚基是突触外GABA受体的主要成分，这就表明，GABA抑制作用的增龄性改变可能会与突触外GABA受体的改变有关。

在低龄动物中的实验表明，GABA受体依赖的抑制作用与学习等功能相关。因此，可以推测，执行能力和学习能力的降低以及皮层代表性区域的改变等年龄相关性变化可能与GABA受体功能的改变有关。

5 GABA与星形胶质细胞的相互作用以及增龄性变化

星形胶质细胞在神经系统中起着重要作用，包括支持神经元、构成血-脑屏障、合成和分泌细胞因子等。其中对神经递质的调节作用尤其重要，星形胶质细胞可以摄取并储藏邻近突触所释放的神经递质，来调节局部神经递质的浓度。而当神经细胞兴奋时，其附近的星形胶质细胞也去极化，并释放其存储的神经递质，反作用于神经元。由此可见，星形胶质细胞在GABA等神经递质的代谢途径中也必然起着重要作用。罗勋等〔11〕的研究表明，与低龄猫相比较，老龄猫A1区GFAP-IR细胞的密度显著升高，而且在形态上也出现了变化，其胞体膨大，突起也变得稠密粗大。有研究表明，谷氨酸在神经元内合成GABA并将其释放后，GABA部分被星形胶质细胞摄取，重新转化成谷氨酸〔24〕。由于星形胶质细胞可以摄取GABA并将其转化为谷氨酸，进而降低GABA的含量;而衰老动物的脑中GABA抑制作用的减弱又伴有星形胶质细胞的活化以及密度的增加，所以，衰老过程中星形胶质细胞活动的增强及密度的升高可能是GABA抑制作用减弱的一个原因。

6 GABA系统的增龄性变化与铁代谢的关系

铁是正常神经代谢过程中必需的微量元素，但过量的铁对神经系统具有毒性作用，因此脑铁的生理平衡在脑的功能活动中起着十分重要的作用。研究表明，脑铁与脑内GABA的代谢存在着一定的联系，Li〔25〕通过对脑缺铁大鼠的脑内GABA含量的检测发现，脑内GABA的浓度与正常大鼠相比并没有出现明显变化，但是GABA合成酶GAD以及降解酶GABA转氨酶(GABA-T)的活性却出现了显著的下降。由此可见，脑铁含量的变化会影响GABA在脑内的代谢与利用。而脑内GABA含量的变化同样也会影响脑铁含量。Hill〔26〕在苍白球、新纹状体和黑质注射γ-乙烯基-GABA，该酶可活化GABA-T抑制剂，从而通过抑制GABA-T的活性来增加GABA的含量，2 d后发现黑质网状部铁的含量明显减少。该实验为GABA影响铁代谢提供了一个免疫组织化学水平的证据。为了进一步研究GABA与铁代谢之间的相互作用，关鹏等〔27〕通过向SD大鼠的大脑黑质注射GABA，来观察大鼠尾壳核铁含量。结果与对照组相比，大鼠尾壳核内铁的含量有轻微的下降，并且铁转运蛋白〔DMT1(-IRE)〕表达有明显降低，而HP表达显著增高。DMT1和膜铁转运蛋白辅助蛋白(HP)是近几年发现的与铁转运相关的蛋白，DMT1参与游离铁的摄取，而HP辅助游离铁的释放。这些结果表明，黑质中的GABA可能是通过减少纹状体尾壳核DMT1(-IRE)的表达以及增加HP的表达来降低尾壳核铁含量的。

在衰老过程中，大脑皮层内GABA表现为年龄依赖性下降，与此同时，脑铁含量表现为年龄依赖性升高〔28〕，这两者之间可能存在着相互作用。可以推测，GABA含量的下降通过引起DMT1(-IRE)蛋白表达的升高，来增加铁摄取，HP的表达下降来减少铁释放，从而引起脑铁的积累，导致脑铁含量的增加。但其具体机制还有待进一步探讨。

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Q423

A

1005-9202(2011)12-2382-04

国家自然科学基金资助项目(10979025);河北省杰出青年科学基金资助项目(C2010002032)

常彦忠(1965-)，男，教授，博士生导师，主要从事铁代谢分子生物学研究。

王倩倩(1988-)，女，在读本科生，主要从事铁代谢分子生物学研究。

〔2010-08-23收稿 2010-11-26修回〕

(编辑 曲 莉)