N-甲基-D-天门冬氨酸受体、脑缺血性损伤和运动训练①

张安静，白玉龙,2

N-甲基-D-天门冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受体是一种离子型谷氨酸受体，广泛分布于中枢神经系统神经元突触，不仅参与兴奋性突触传递、突触可塑性、神经元长时程增强(long-term potentiation,LTP)和长时程抑制(long-term depression,LTD)等神经功能活动，而且在脑缺血、慢性疼痛、帕金森病、精神分裂症等众多神经系统疾病中也起至关重要的作用。本文就NMDA受体在脑缺血中的作用以及运动训练的影响进行综述。

1 NMDA受体概述

1.1 组成 NMDA受体是由不同亚单位共同组成的异聚体，目前发现其共有7个亚单位，分别是NR1亚单位、4种NR2亚单位(NR2A、NR2B、NR2C、NR2D)以及2种NR3亚单位(NR3A、NR3B)。NR1是NMDA受体复合物的功能性亚单位，为实现该受体离子通道的功能所必须；NR2是调节亚单位，对整个受体通道的功能进行修饰调节；单纯NR2对激动剂无反应，只有与NR1组合才能表现出活性。NR1和NR2两个亚单位构成的四聚体复合物共同围绕成NMDA受体离子通道。NR3亚单位单独也不能形成有功能的受体，必须与NR1/2的复合体相连接才能发挥作用[1]。

1.2 分布 NMDA受体是一种特殊的离子通道蛋白，主要分布于大脑皮层、海马、丘脑、纹状体、小脑及脑干的突触后膜[2]。NR1亚单位在大鼠中枢神经系统广泛分布；而4种NR2亚基在各脑区的表达不一致，不同的NR2可与NR1组成不同的NMDA受体亚型，产生不同的生理学效应，其中NR2A和NR2B多分布在前脑；NR3主要存在于中枢神经系统的发育过程中，NR3A的蛋白表达在动物出生后2周内明显下降，NR3B可见于成年鼠，主要分布于脊髓、脑桥和延髓的运动神经元[3]。

1.3 生理功能

1.3.1 中枢神经系统发育 在脑发育过程中，神经元的发生、定位、分化以及神经环路的形成均受到精细的调控，任何遗传或环境因素都可能在这个时期对大脑的发育造成深远影响。属于离子型受体的NMDA受体对于脑发育过程中神经元的存活发挥至关重要的作用：如果NMDA受体接受到适当程度的刺激，该神经元就得以存活；如果去除对NMDA受体的刺激，只需几个小时该神经元就可发生凋亡。脑内NMDA受体密度在动物发育不同时期有明显的差异，且神经元对NMDA受体活动的敏感性随脑发育的阶段不同而变化。大鼠NMDA受体表达在幼年期高于成年期，并出现一过性的高峰期，主要在生后2周内出现。大鼠海马CA区，NMDA受体对谷氨酸的结合力从出生后第4~l3天迅速上升，越过成年的两倍，第28天下降至成年水平[4]。

1.3.2 对学习和记忆的调节 NMDA受体通过调节Ca2+的内流而保持神经元正常的生理功能，在LTP诱导和维持过程中起重要作用。诱导LTP的两个主要因素是强直刺激频率和强度：一定强度的刺激可提高单个刺激引起的兴奋性突触后电位(excitatory postsynaptic potential,EPSP)的幅度；而一定频率的刺激可使EPSP产生叠加效应，结果使突触后膜的去极化达到一定强度，使位于NMDA受体通道内阻止Ca2+内流的Mg2+移开[5]。这样，当神经递质谷氨酸与NMDA受体结合后，受体通道打开，Ca2+内流，激活钙调蛋白激酶、环单磷酸腺苷依赖性蛋白激酶、丝裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等激酶，它们进而活化环单磷酸腺苷反应结合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)，启动一系列生化反应和基因转录，诱导和维持LTP[6-7]。

2 NMDA受体与脑缺血的关系

在正常生理条件下，适量的谷氨酸激活NMDA受体，使Ca2+内流入神经细胞，并作为第二信使介导细胞内信号的传递，促进CREB磷酸化，从而调控基因的表达和突触可塑性。而在病理状态下，如脑缺血时，谷氨酸大量释放，使过量的Ca2+内流，产生兴奋性毒性：激活蛋白酶和核酸内切酶，促进NO和自由基的产生，使线粒体膜渗透性发生改变，从而导致神经元的损伤或死亡[8]。NMDA受体介导的神经兴奋性毒性在缺血性脑损伤中起重要作用，其中NR2A、NR2B受体亚单位是参与介导缺血性脑损伤的关键受体。有文献报道，NR2A、NR2B在缺血神经元死亡和缺血耐受方面扮演了不同的角色[9]。

2.1 NR2A 脑缺血后，通过激活突触或突触外的NR2A受体促进神经元修复，可以起到脑保护作用[8]。缺血发作后4 h，注射甘氨酸激活NR2A受体介导的细胞存活通路，可显著减轻缺血性脑损伤[10]；而给予它的拮抗剂NVP-AAM077后，神经元死亡明显增加，缺血耐受作用消失[8]。Wistar大鼠缺血再灌注3 h后，皮层NR2A受体mRNA表达上调，同时伴随NR2A受体免疫活性增强；6 h后，在缺血半暗带可以观察到NR2A受体mRNA表达明显增高；再灌注24 h后回到基线水平[10]。这表明NR2A受体的脑保护作用有一定时限性。

2.2 NR2B 脑缺血后，NR2B受体过度激活会产生兴奋毒性作用，导致神经元凋亡；而NR2B受体拮抗剂艾芬地尔(ifenprodil)则能明显减少脑缺血引起的神经元死亡，提高脑保护作用[9]，但仅在缺血发作前给予才能有效阻断NR2B受体介导的神经元死亡，减少梗死灶体积[11]。Montori等发现，短暂性全脑缺血大鼠海马区NR2A、NR2B受体mRNA表达量明显下降，以NR2B受体更为明显[12]，这可能是神经元通过下调NMDA受体数量来减轻谷氨酸对神经元的兴奋毒性作用。NR2B蛋白质和mRNA在正常大鼠海马CA1区、CA3区及齿状回的免疫反应强度存在明显差异，CA1区最强，CA3区次之，齿状回着色较弱[13]。这种基础性高表达可能是海马CA1区对缺血损伤敏感的原因之一。

3 运动训练对NMDA受体的影响

运动训练作为一种行为干预手段可以促进脑部损伤修复，这已被人们广泛接受。运动不仅可以促进突触可塑性的发展，而且可以提供正确的感觉输入，诱发正常的运动反应输出。脑功能成像显示，强制性运动训练可以促进梗死灶周围皮层功能重组[14]。从分子水平上，运动可能影响了脑部的谷氨酸体系。

经过1周中低强度跑台训练，可观察到大鼠海马NMDA受体表达量显著提高，且神经再生现象明显[15-16]；但对NMDA受体基因敲除的小鼠，即使经过3周运动训练，其海马区域仍观察不到神经再生现象[17]。有学者发现，经过1个月随意运动，正常小鼠脑部谷氨酸相关蛋白含量提高，其中磷酸化NMDA受体明显升高：磷酸化NMDAR1(150%)、磷酸化NMDAR2B(183%)[18]。动态观察显示，至少2周的预运动训练对随后发生的脑缺血及再灌注期间脑区内兴奋性氨基酸递质的过度释放有一定的抑制作用[19]。另外，预运动可以有效减少缺血后NR2B以及代谢性谷氨酸受体mRNA表达水平[20]。但缺血后给予运动训练对脑组织中NMDA受体表达量会产生怎样的影响，目前尚未见报道。

4 结语与展望

NMDA受体在脑缺血损伤中起重要作用：介导过量Ca2+内流，激活蛋白酶和核酸内切酶，促进NO和自由基的产生，使线粒体膜渗透性发生改变，从而诱导神经元的损伤或死亡[21]。运动训练对正常动物脑组织中NMDA受体的活化作用明显；脑卒中前的运动训练也可以影响到脑部NMDA受体及基因的表达水平，从而在缺血性脑损伤早期起到一定的保护作用。但缺血后运动训练对脑组织中NMDA受体表达量会产生怎样的影响还需要进一步的研究。

[1]Sugihara H,Moriyoshi K,Ishii T,et al.Structures and properties of seven isoforms of the NMDA receptor generated by alternative splicing[J].Biochem Biophys Res Commun,1992,185:826-832.

[2]Watanabe M,Inoue Y,Sakimura K,et al.Distinct distributions of five N-methyl-D-aspartate receptor channel subunit mRNAs in the forebrain[J].J Comp Neurol,1993,338:377-390.

[3]伍国锋,洪震.NMDA受体在突触调控中的作用[J].临床神经电生理学杂志,2009,18(3):182-187.

[4]Sirear R.Developmental maturation of the N-methyl-D-aspartic acid receptor channel complex in postnatal rat brain[J].Int J Dev Neurosci,2000,8(1):121-131.

[5]Thoflas E,Bartlett NJ,Bannister VJ,et al.Differential roles of NR2A and NR2B-containing NMDA receptors in LTP and LTD in the CA1 region of two week old rat hippocampus[J].Neuropharmacology,2007,52(1):60-70.

[6]Clarke RJ,Johnson JW.Voltage-dependent gating of NR1/2B NMDAreceptors[J].Physiology,2008,586(23):5727-5741.

[7]Zhang XL，Sullivan JA，Bloskal JR,et al.A NMDA receptor glycine site partial agonist,GLYX-13,simultaneously enhances LTP and reduces LTD at Schaffer collateral-CA1 synapses in hippocampus [J].Neuropharmacology,2008,55(7):1238-1250.

[8]Lyden P,Wahlgren NG.Mechanisms of action of neuroprotectants in stroke[J].J Stroke Cerebrovasc Dis,2000,9(6,S2):9-14.

[9]Chen M,Lu TJ.Differential roles of NMDA receptor subtypes in ischemic neuronal cell death and ischemic tolerance[J].Stroke,2008,39:3042-3048.

[10]Liu TP,Wong M,Aarts A,et al.NMDA receptor subunits have differential roles in mediating excitotoxic neuronal death both in vitro and in vivo[J].J Neurosci,2007,27(11):2846-2857.

[11]Gappoeva MU,Izykenova GA,Granstrem OK,et al.Expression of NMDA neuroreceptors in experimental ischemia[J].Biochemistry(Moscow),2003,68(6):696-702.

[12]Dos AS,Martinez VB,Montori S,et al.Transient global ischemia in rat brain promotes different NMDA receptor regulation depending on the brain structure studied[J].Neurochem Int,2009,54(3-4):180-185.

[13]滕大才,徐铁军,张凤真.正常大鼠海马NMDA受体2B亚单位蛋白及其mRNA的平行分布规律[J].徐州医学院学报,2006,26(1):13-16.

[14]Sutcliffe TL,Gaetz WC,Logan WJ,et al.Cortical reorganization after modified constraint-induced movement therapy in pediatric hemiplegic cerebral palsy[J].J Child Neurol,2007,22:1281-1287.

[15]Lou SJ,Liu JY,Chang H,et al.Hippocampal neurogenesis and gene expression depend on exercise intensity in juvenile rats[J].Brain Res,2008,1210:48-55.

[16]Kitamura T,Mishina M,Suqiyama H.Enhancement of neurogenesis by running wheel exercise is suppressed in mice lacking NMDA receptor epsilon 1 subunit[J].Neurosci Res,2003,47(1):55-63.

[17]Vaynman S,Ying Z,Gomez PF.Interplay between brainderived neurotrophic factor and signal transduction modulators in the regulation of the effects of exercise on synaptic-plasticity[J].Neuroscience,2003,122:647-657.

[18]Dietrich MO,Mantese CE,Porciuncula LO,et al.Exercise affects glutamate receptors in postsynaptic densities from cortical mice brain[J].Brain Res,2005,1065(1-2):20-25.

[19]胡永善,贾杰,吴毅,等.预运动训练对脑梗死大鼠的脑保护作用的兴奋性氨基酸递质效应[J].中国康复医学杂志,2008,23(7):589-593.

[20]Zhang F,Jia J,Wu Y.The effect of treadmill training pre-exercise on glutamate receptor expression in rats after cerebral ischemia[J].Int J Mol Sci,2010,11:2658-2669.

[21]Paoletti P,Ascher P.Mechanosensitivity of NMDA receptors in cultured mouse central neurons[J].Neuron,1994,13:645-655.