cAMP/PKA/CREB信号通路及相关调控蛋白PDE-4和ERK对学习记忆的影响

杨 夏（综述），彭 生，刘功俭（审校）

（1.徐州医学院，江苏 徐州 221002;2.苏州大学附属第四医院麻醉科，江苏 无锡 214000）

cAMP/PKA/CREB信号通路与学习记忆有着重要的关系。而对这条通路起调节作用的磷酸二酯酶4（phosphodiesterase 4，PDE-4）和细胞外调节激酶（extracellular signal regulating kinase，ERK），也越来越受到人们的关注。环磷酸腺苷（cyclic AMP，cAMP）的产生可激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和PKC亚基进入核内，使cAMP反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）转录因子特异的丝氨酸残端磷酸化而活化，磷酸化的CREB可以与DNA分子上cAMP调节靶基因附近的 cAMP反应元件（cAMP response element，CRE）结合，从而调节基因的转录，合成与学习记忆相关的蛋白。认识cAMP/PKA/CREB信号通路，并从其调节蛋白PDE-4和ERK着手探讨cAMP/PKA/CREB信号通路与学习记忆中枢神经系统的关系，有助于进一步明确大脑学习记忆反应的发生机制。

1 cAMP/PKA/CREB信号通路对学习记忆的影响

1.1 cAMP/PKA蛋白 cAMP是细胞内信号转导的第二信使，是激素和神经递质作用于特定靶细胞后，通过激活腺苷酸环化酶催化ATP水解生成的。cAMP主要通过激活PKA使靶酶磷酸化，然后开启基因表达，在细胞生命活动中有着重要的意义，参与调节许多细胞的代谢、基因表达、细胞生长和分裂等。

PKA在哺乳类体内可表达4种调节亚基（RⅠα、RⅠβ、RⅡα、RⅡβ）和 3种 催 化 亚 基 （Cα、Cβ、Cγ），每个亚基在神经元内均有表达，其中PKA-Cβ亚基在神经元内表达丰富，且为突触可塑性所必需。已有研究证实，有催化活性的PKA在长时程突触可塑性和长时记忆中具有重要作用［1］。

cAMP/PKA通路对CREB的磷酸化，膜上的G蛋白耦联受体与胞外递质等配体结合后活化，刺激腺苷酸环化酶增加胞内cAMP浓度，4分子cAMP与PKA结构亚基上的位点结合，具有催化活性的PKA调节亚基解离并进入核内，磷酸化CREB从而启动下游靶基因的转录。最近研究发现，转基因小鼠可产生一种抑制形式的PKA亚基，使海马中PKA的活性降低，L-LTP在CA1区也明显减少［2］，进一步证实cAMP/PKA在海马长时程增强（long-term potentiation，LTP）表达中的重要作用。

1.2 CREB蛋白 CREB是细胞内cAMP变化的转录转导因子，调节基因的转录和蛋白质的合成。CREB是一种细胞核内调控因子，它通过自身磷酸化实现调节转录的功能。CREB能整合钙离子、生长因子和cAMP诱导的信号，是多条细胞内信号转导通路的作用点，对学习记忆及各种情绪的正常调节和维持具有重要的作用［3］。

在神经系统中，CREB作为细胞内多种信号通路的一个重要组成部分，其下游效应包括影响神经元的存活与生长、突触的可塑性和长期记忆的形成［4］。实验证实，CREB活性的降低可抑制长时程记忆的形成，其数量的增加或活性的增强可促进长时程记忆的形成［5］。研究已证实，受cAMP调节的下游蛋白CREB参与了氯胺酮导致未成年大鼠学习记忆障碍的形成［6］，CREB直接参与了水迷宫空间学习记忆的形成［7］。而另一研究证实大鼠纹状体边缘区及海马等脑区的CREB在空间学习记忆的早期就开始参与长时记忆的形成［8］。

1.3 磷酸化的 CREB蛋白（phosphorylated CREB，P-CREB）CREB磷酸化是许多信号转导通路的一个会聚点，在神经元的生长、突触可塑性、学习和记忆功能、损伤和再生等方面起着重要作用。CREB的转录活性主要依赖于第133位丝氨酸残基（Ser133）的磷酸化（即P-CREB）。CREB的Ser133位点被磷酸化后，它就成为活性状态，可启动多种基因的转录，引起细胞内多种长期生物学效应。记忆的形成依赖P-CREB通路诱导下游基因的表达［9］。研究证实，中枢神经系统神经递质的合成、基因表达、细胞增殖等均被通过以P-CREB为第二信使系统起作用的神经递质调控。

学习记忆行为训练前向大鼠海马内注入CREB的反义寡核苷酸可导致其在Morris水迷宫中的空间学习缺陷，而训练前双侧穹隆海马伞被切断的大鼠，也可因海马CREB磷酸化的水平不能升高而致逃避性记忆受损［10］。研究发现［11］CREB 磷酸化介导的转录，还可以促使新的突触链接的生成，提高神经元的存活率，缓解脑损伤后认知障碍。

1.4 cAMP/PKA/CREB信号通路与LTP LTP是哺乳动物中枢神经系统贮存信息的主要机制，是学习记忆的细胞基础，已成为神经元可塑性的一种有效模型。越来越多动物实验证明，cAMP/PKA/CREB在介导晚期的LTP及记忆过程中的不可替代的作用。不同的蛋白激酶，包括胞外信号调节激酶2（extracellular signal-regulated kinase 2，ERK2）、PKA、钙-钙调素激酶Ⅳ（CaMKⅣ）等，均可通过磷酸化CREB诱导或促进L-LTP，并改善动物的学习记忆功能［12-15］。

Montarolo等［16］发现软体动物海兔可显示出一种称为长时程易化的类似记忆的敏化行为，而且表明这种长时程易化需要cAMP/PKA/CREB信号通路的活动，从而提出了首个关于学习记忆的活动依赖性基因表达的机制。在脊椎动物方面，Florian等［17］在研究中发现，外界刺激引发的效应可通过使CREB磷酸化，进而激活细胞内蛋白激酶级联反应，诱导靶细胞基因表达而引发LTP。CREB低转录小鼠可导致LTP及长期记忆都显著受损［18］，CREB高表达则产生记忆力及LTP显著增强，社会认知功能显著增加［19］。

2 cAMP/PKA/CREB信号通路与PDE-4

cAMP的调控主要由核苷酸环化酶的合成作用与PDE-4的水解作用来实现。磷酸二酯酶4（Phosphodiesterase 4，PDE-4）是cAMP特异性水解酶，PDE能催化环腺苷酸的3'，5'-磷酸二酯键的水解，生成无活性的5'-核苷单磷酸酯，使cAMP水平下降，进而可以调节cAMP/PKA/CREB等信号通路，影响细胞内CREB调节的基因的表达，使得参与学习记忆的一些蛋白质不能够被合成，从而干扰长期记忆的形成。

最新的研究发现，cAMP含量增加可以逆转学习记忆能力的减退，Vecsey等［20］采用睡眠剥夺导致大鼠出现记忆力减退后，再给予PDE-4抑制剂增加cAMP含量，则逆转了这种记忆力减退。而另有研究发现，PDE4抑制剂（例如rolipram）能够增加脑内cAMP浓度，激活cAMP/PKA/CREB信号通路，促进记忆形成［11，21］。之前也有学者发现给予大鼠 N-甲基-D-天冬氨酸受体阻滞剂MK801后大鼠出现显著遗忘，再注射PDE-4抑制剂则可逆转这种遗忘效应［22］;给予毒蕈碱M受体激动剂东莨菪碱可以引起工作记忆和参照记忆的损害，应用PDE-4抑制剂逆转这两种记忆的损害［23］，并推测这些作用可能与PDE-4抑制剂可以通过增加海马cAMP含量，增加海马神经元LTP，增强海马的突触可塑性有关。

3 cAMP/PKA/CREB信号通路与调控蛋白ERK

3.1 ERK对学习记忆的影响 ERK是重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它的底物包括转录因子、组蛋白、细胞内其他重要的激酶以及K+通道等。这些物质都是细胞内的重要组成成分，是学习记忆形成过程中必不可少的。ERK信号通路与脑内LTP的形成以及学习记忆功能有重要的联系［18］。ERK信号转导通路的激活参与了短时记忆形成和短时记忆向长时记忆的转化即记忆的巩固过程［24］。

ERK信号的激活可以强化长时程突触易化及LTP［25］。Silva 等［26］利用基因工程技术，在研究Ⅰ型神经成纤维细胞瘤与精神发育迟缓的关系中发现，学习功能的降低与海马Ras/ERK信号通路的缺损密切相关。Kelleher等［27］利用转基因技术研究发现，ERK可直接参与调控树突蛋白合成，且此蛋白合成为LTP形成及记忆功能所必需。此外，LTP的诱发需要N-甲基-D-天冬氨酸受体的激活，此过程主要由Kv4家族成员编码的A型钾离子通道调控，ERK的激活可以引起Kv4-2α亚基磷酸化，从而引起A型钾离子电流下调，诱导动作电位（AP）放大，增强树突胞膜兴奋性，从而诱发形成LTP。

3.2 ERK对cAMP/PKA/CREB信号通路的影响ERK被激活后可通过激活核糖体S6激酶来激活CREB，从而作用于CRE，启动CRE依赖性的转录。此外，ERK也可直接磷酸化转录因子CREB。

Kelly等［10］的研究证明，MAPK/ERK 信号通路参与了海马内学习记忆的巩固，ERK介导的磷酸化CREB参与了海马神经元晚期LTP的维持和长时程记忆的形成。cAMP/PKA/CREB通路的中PKA诱导Rap 21和B 2Raf结合引发MAPK/ERK磷酸化，进而导致CREB激活，参与PKA依赖型LTP形成及突触可塑性变化［28］。另外，近期有实验证实，ERK参与了氯胺酮导致的学习记忆障碍形成的过程［29］，通过与PDE-4交叉对话（cross-talking）调节cAMP的含量，形成 cAMP/ERK 调节通路［30］。PDE4抑制剂（rolipram）能使N-甲基-D-天冬氨酸受体的激活，从而激活MAPK/ERK/CREB信号通路，在神经保护及学习记忆过程中发挥重要作用［31］。

4 小结

在cAMP/PKA/CREB信号通路及相关调控蛋白PDE-4和ERK对学习记忆的影响及机制方面，人们已做了大量研究并取得显著成果，但把三者之间联系起来，是否能为临床提供一条新的治疗途径及筛选新的有效药物，预防麻醉引起的术后学习记忆障碍，还要进一步探索。

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