MARCKS对突触可塑性和认知功能的影响

张 帆，万燕杰，，徐 静

(1徐州医学院、江苏省麻醉与镇痛应用技术重点实验室，江苏徐州221002; 2上海市浦东新区公利医院)

树突棘的可塑性是突触发育及神经通路重塑的先决条件，也是大脑行使高级功能(如学习记忆)的重要机制。随着分子生物学的迅速发展，对调控树突棘可塑性的蛋白质分子有了进一步的认识，豆蔻酰化的富含丙氨酸的蛋白激酶C底物(MARCKS)蛋白广泛分布于各种细胞，但主要表达于大脑皮层、海马，因其强效的细胞骨架调节能力以及与认知功能的密切联系，引起了人们的广泛关注［1］。本文结合文献就MARCKS对突触可塑性和认知功能的影响作一综述。

1 MARCKS概述

MARCKS蛋白是蛋白激酶C(PKC)的特异性底物，以磷酸化和非磷酸化的形式存在于体内，在G蛋白偶联受体信号途径中具有重要的作用。MARCKS蛋白的磷酸化位点区域称为效应域(ED)，其结构高度保守，能够与细胞膜、PKC、钙/钙调蛋白(CaM)和纤维状肌动蛋白(F-actin)相结合。MARCKS与细胞膜的结合主要通过两种方式，一是豆蔻酰化的N端直接插入细胞膜脂双层;二是ED中的碱性残基与膜上的酸性磷脂的静电吸附。任何一种单独作用都不足以维持MARCKS蛋白与膜的稳定结合。ED中的丝氨酸残基是PKC磷酸化的位点，通过 PKC的磷酸化或与 Ca2+/CaM结合，MARCKS和细胞膜的静电相互作用消除，从而引发MARCKS蛋白由细胞膜向胞质的转移，发挥其生理学效应［2，3］。

2 MARCKS对树突棘及神经突形态可塑性的影响

树突棘是树突分支上的棘状突起，主要由F-actin骨架、突触后致密物、神经递质受体和信号蛋白分子等组成，是神经元间形成突触的主要部位。MARCKS在树突棘中起着调节肌动蛋白细胞骨架和细胞膜的作用，并以此改变棘突的形态和稳定性［4］。Calabrese等［5］用RNAi技术干扰发育早期海马神经元中内源性MARCKS的表达，结果发现抑制MARCKS的表达后，树突棘的密度、长度、棘头的宽度都明显下降，表明突触后膜MARCKS的聚集是树突棘形成过程中的重要步骤，抑制MARCKS则损害正常树突棘的形成。然而，上调MARCKS水平后，也会出现树突棘密度减少、长度增长、棘头宽度下降。MARCKS表达减少或过表达均会造成树突棘形态的改变，提示维持MARCKS的生理水平对形成形态正常的树突棘具有重要意义。

生长锥是神经轴突生长的执行单元，向外部突出丝状伪足，在内部的微管、微丝构成的动力骨架支撑下进行生长，从而决定轴突生长导向。Li等［6］研究发现，MARCKS增加了丝状伪足的数量和长度。动态细胞成像技术显示，MARCKS蛋白显著增加丝状伪足的活动性，并诱导更多的丝状伪足从轴突上突出，推测MARCKS可能是通过对F-actin的动态调节引起丝状伪足的形态变化。MARCKS也是生长锥粘连复合物的调节组件，磷酸化MARCKS表达缺陷的突变细胞能够增加生长锥的粘连;相反，MARCKS表达沉默的细胞可引起生长锥区粘连减少，抑制生长锥扩展，从而证实了MARCKS通过与粘连蛋白作用，起着稳定生长锥粘连的作用［7］。

3 MARCKS对树突棘及突触功能可塑性的影响及机制

3.1 MARCKS对长时程增强(LTP)的影响 LTP是突触可塑性的重要指标，反映了突触水平上的信息贮存过程。MARCKS表达减少的大鼠会出现空间逆转学习障碍［8］。Hussain等［9］对此进一步研究发现，MARCKS表达减少引起苔藓纤维—海马角3区通路LTP受损可能是大鼠空间功能障碍的原因。此外，PKC和MARCKS的磷酸化也涉及LTP、学习和记忆相关的突触可塑性［10］，说明MARCKS在LTP中起重要作用。

3.2 MARCKS对学习记忆的影响和机制 突触可塑性是学习和记忆的分子机制，树突棘是大脑神经元可塑性的重要位点。Timofeeva等［11］发现，腹侧海马注射MARCKS的大鼠在八臂水迷宫测试中表现出明显的空间学习记忆受损，外源性MARCKS损害了海马的某些具体功能，提示MARCKS在学习和记忆中有重要作用。Calabrese等［5］用PKC激活剂佛波酯作用于培养的神经元，结果发现，神经元树突棘减少以及萎缩，其原因是直接调节脂筏对树突棘形态的维持产生了强烈影响。MARCKS的磷酸化使其由细胞膜向细胞质易位，引起脂筏上的PIP2释放，产生信号调节肌动蛋白细胞骨架，使细胞骨架与细胞膜之间的亲和力增强，从而改变树突棘的形态和运动。由此推测，MARCKS可能是通过调节树突棘而在学习记忆中发挥作用。

4 MARCKS的分子调节机制

目前普遍认为，MARCKS在树突棘的迁移与发育阶段及神经功能状态有关，但对具体调控分子及信号转导通路的研究尚在探索阶段。新近研究表明，MARCKS的磷酸化不仅受到PKC的调节，Ras同系基因家族成员A/Rho相关卷曲螺旋形成蛋白激酶(RhoA/ROCK)通路在MARCKS蛋白的ED区Serl59位点也参与其磷酸化的调节。ROCK抑制剂H-1152能够抑制PKC激活剂佛波酯对MARCKS蛋白Ser159位点的磷酸化，ROCK直接参与了对MARCKS蛋白 ser159位点的磷酸化调节。另外，PKC抑制剂Ro-31-8220和RhoA抑制剂HA1077、Y27632都能够抑制MARCKS的磷酸化活性，证实PKC和RhoA/ROCK通路对MARCKS的磷酸化具有调节作用。同时，佛波酯对RhoA的活化可以被Ro-31-8220抑制，推测PKC可能位于RhoA/ROCK通路上游，两者共同调节 MARCKS的磷酸化活性［3，12］。此外，MAPK、Cdks等蛋白激酶也可以磷酸化MARCKS上的丝氨酸/苏氨酸残基［14］。泛素—蛋白酶体系统可降解MARCKS，导致肌动蛋白重组和树突棘萎缩［15］。

5 与MARCKS相关的认知功能障碍

树突棘对大脑神经元可塑性具有重要作用，它的数量以及形态的变化与神经突触可塑性密切相关［4］。在细胞分子水平，MARCKS异常表达可影响树突棘的形态功能可塑性，而行为学的研究也表明，MARCKS与认知功能存在密切联系［5，11］。多数学者以阿尔茨海默病(AD)作为模型，对MARCKS与认知功能障碍进行了较为深入的研究。

AD是一种常见的老年性脑神经退行性病变，临床表现为认知障碍、神经病学及精神病学改变。在AD患者脑内的淀粉样斑块中，发现有与小胶质细胞活化相关的MARCKS磷酸化。体外实验证实，β样淀粉蛋白(Aβ)可诱导巨噬细胞和小胶质细胞中MARCKS的磷酸化，说明MARCKS的磷酸化与AD的病理变化密切相关［16］。韩振蕴等［17］研究表明，侧脑室注射Aβ(1～40)可明显增加老龄大鼠海马MARCKS mRNA表达，并且导致老龄大鼠学习记忆障碍。提示MARCKS表达异常可能是Aβ(1～40)致神经元可塑性降低的关键环节。上述动物模型和体内外研究都说明，MARCKS与认知功能存在密切联系，其磷酸化表达升高或其mRNA水平升高时，均不同程度地影响认知功能;而在细胞水平导致的树突棘形态和功能可塑性改变也是认知功能障碍的分子生物学特征之一。

综上所述，树突棘形态的稳定性及可塑性对大脑行使正常的认知功能必不可少。树突棘数量和形态的改变与多种神经疾病有关。机体可通过多种机制对MARCKS的表达水平及功能状态在不同层面进行调控，使其有利于神经功能的实现。MARCKS与认知功能及AD的多种影响因素(如突触的可塑性、Aβ、淀粉样斑块等)密切相关，在AD的临床症状及病理变化中都具有重要的意义。因此，深入探讨MARCKS的作用及调控其机制，有助于为治疗认知功能障碍提供新的靶点及理论基础。

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