长时程增强的突触后分子机制研究进展

孟怡辰(综述),高霄飞(审校)

(1.第二军医大学临床医学八年制2009级，上海 200433； 2.第二军医大学神经生物学教研室，上海 200433)

突触的可塑性是指在外界环境改变的条件下，突触之间连接、传递效率发生变化的能力。突触效率的改变使神经元之间联系增强，能够促进记忆的形成。突触可塑性在记忆形成过程中对信息的储存起到了重要作用。有报道称突触可塑性就是学习记忆的机制[1]。突触可塑性从时间上可以分为短时程和长时程突触可塑性，其中长时程突触可塑性的重要表现形式是长时程增强(long-term potentiation,LTP)。LTP是指突触前末梢受到强直刺激后，突触后神经元出现的一种突触后电位持续性增强现象。LTP被认为是学习记忆的神经基础，是研究学习和记忆的理想模型[2]。Bliss等[3]对家兔穿通通路进行高频刺激，发现齿状回突触传递效率明显持续增高的现象，首次提出了LTP现象，此后，LTP现象备受神经科学界关注。突触联系所在部位不同，LTP产生机制也不同。本文对海马部位突触后LTP的可能分子机制进行综述。

1 LTP的诱导产生

LTP产生的关键步骤是突触后细胞钙离子的内流。突触后细胞有丰富钙离子时有利于产生LTP，研究发现钾离子通道Kv7被阻断能够增强钙离子内流,进而促进LTP的产生[4-5]。在绝大多数可以产生LTP的突触中，N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-aspartic acid，NMDA)受体的激活介导突触后细胞内钙离子的积累。突触后膜除极，谷氨酸结合并激活NMDA受体，使钙离子通道打开[6]。随后，进入的钙离子激活一系列下游信号通路的酶，包括钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ和蛋白激酶C。钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ的激活可诱导海马CA1区产生LTP；钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ诱导LTP的途径为胞内钙离子与钙调蛋白结合增加，形成的复合物除去自身抑制序列的邻近序列，与钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ结合，使钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ发生自身磷酸化，钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ可以移位至突触后密集区(postsynaptic density，PSD)，与α-辅肌动蛋白、PSD95、突触黏附分子等PSD上的蛋白结合；结合后的复合物促进α-氨基羟甲基恶唑丙酸(alpha amino hydroxy methyl oxazole propionic acid,AMPA)受体在突触后膜上的锚定，增强突触后膜受体的敏感性进而影响LTP的产生，而且钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ的激活能够产生逆行信使影响神经递质的释放，间接影响LTP的诱导产生[7-8]。

钙离子通过谷氨酸受体进入胞内。NMDA受体是一种分布于突触后膜的化学、电压双门控的特殊离子通道，因其既需要电压信号又需要递质才能激活的特性被称为“同时性检测器”，其对钙离子有较强的通透性[6]。NMDA受体活性及其亚基类型数量的改变均可以诱导LTP[7]。证明NMDA受体诱导LTP产生的有力证据是应用NMDA受体拮抗剂美金胺可以抑制LTP的产生[9]。

NMDA受体亚基类型的数量变化能够影响LTP的产生。NMDA受体主要由NR1和NR2两种亚基按照一定比例构成，在脑的不同部位两种亚基表达数量不同[10-11]。研究证实，敲除NR2A或者NR2B亚基均可导致LTP产生不完全[11-12]；随着NMDA受体亚基NR2B的表达增加，海马CA1区的LTP也会随之增强[13]。马达分子驱动蛋白族成员17(kinesin family member，KIF17)在哺乳动物神经元中大量表达，被认为是NR2B囊泡的转运体[14]。近期研究发现，腺苷环磷酸反应原件结合蛋白介导KIF17和NR2B的高水平表达，使得KIF17转运NR2B能力增强，加快了NMDA受体的合成，产生更加稳定的LTP[15]。也有研究发现，脑额叶前皮质NR2B亚基的过度表达能够促进额叶前皮质LTP的产生[16-17]。需钙蛋白酶被钙离子激活后可以降解NMDA受体，使之在PSD上的数量减少。细胞周期依赖蛋白激酶5可以调控需钙蛋白酶对NR2B亚基的降解作用，细胞周期依赖蛋白激酶5基因敲除的成年大鼠NR2B降解减少，NMDA介导的电流增强，LTP随之增强。孤啡肽受体敲除的小鼠LTP显著增强，表明孤啡肽受体也可以影响突触可塑性，其具体机制仍不清楚，但敲除孤啡肽受体可以增强NMDA受体功能并更快地激活下游α钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ[18]。

2 LTP的增强

研究发现，需钙蛋白酶可以通过截短一系列细胞骨架蛋白对细胞形状进行调控[19]。神经元中内流的钙离子激活需钙蛋白酶，解离肌动蛋白细胞骨架并使部分黏附分子受体失活。脑源性神经营养因子(brain-derived neurotrophic factor，BDNF)对LTP的产生具有重要作用，而其发挥作用的可能机制就是通过细胞外调节蛋白激酶介导的磷酸化增强需钙蛋白酶的活性[20-21]。

LTP主要通过突触后膜细胞骨架的改变而实现。PSD是突触后膜细胞骨架纤维特化区域，调节细胞黏附性和受体聚集、功能[22]。PSD上有3种跨膜受体分别负责接受谷氨酸神经递质、黏附、调节，静息状态下的突触后膜是一个处于相对稳定状态的细胞骨架结构，由膜收缩蛋白及其他蛋白交联形成的肌动蛋白纤维构成。PSD上的调节受体被称为突触调节子，包括腺苷A1受体、雌激素β受体以及BDNF的酪氨酸激酶受体B[23-27]。BDNF和雌激素能够促进突触后膜细胞骨架的变构，而腺苷具有相反的作用，这三者作用于两条Rho鸟苷三磷酸酶相关的肌动蛋白信号途径，共同调节LTP的维持时间和强度[23]。第一条途径由RhoA及效应物等参与。正丝切蛋白是一类高活性能切断肌动蛋白的蛋白质，它的磷酸化能够影响细胞骨架的聚合[28]；第二条途径由Rac、细胞分裂周期蛋白42及p21激活性激酶等参与。p21激活性激酶已被证实在多种细胞内参与细胞骨架的重组[29]。雌激素激活RhoA，促进肌动蛋白聚合和LTP形成，而雌激素抑制剂可以明显影响LTP的产生[30]。卵巢切除的中年小鼠LTP产生障碍，可对其注射雌激素进行治疗[28]。腺苷阻断RhoA的作用，使Rho鸟苷三磷酸酶利用率降低，从而抑制LTP。雌激素和腺苷都作用于第一条途径；BDNF同时作用于两条途径。BDNF是研究最广的LTP调控因子，它对肌动蛋白细胞骨架的影响非常强烈。研究发现，清除BDNF能够阻断肌动蛋白的聚合作用，同时阻断LTP；卵巢切除的大鼠由于缺乏雌激素可观察到细胞骨架重组和LTP的异常，而BDNF的上调则可以使这种异常恢复[25，27,31]。

AMPA受体作为突触后膜上的一种重要受体，可以被钙离子/钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ复合体磷酸化而具有更强的通透性，但是AMPA受体功能的改变主要是由于突触后膜上数量的改变，PSD结构的改变为AMPA受体提供了更多的锚定位点。AMPA受体调控LTP主要通过改变膜上和胞内AMPA受体数量的比例[32-33]。有研究发现，雷神之酶(thorase)通过分解羟基-5-甲基-4-异恶唑受体-谷氨酸受体相互作用蛋白1复合物，介导AMPA受体的内化作用,雷神之酶过度表达使突触后膜上AMPA受体数量减少，进而对LTP进行调控[34]。被认为与记忆有关的基因KIBRA，也能通过调控AMPA受体的循环使膜上AMPA受体数量发生变化，影响LTP的维持[35]。

3 小 结

以上总结了LTP在诱导和增强两个阶段的可能分子机制。LTP的诱导表达及维持是受到多种受体、物质，多条信号途径协同影响的一个连续复杂过程。LTP产生和维持的机制正在不断被发现，随着深入地研究，将会有更多的影响因素被发现。动态观察所有因素在环路中的调控作用是一个难题，还需要更清楚地掌握突触的纳米结构，采取更先进的检测方法，能够在活体动物体内研究可塑性通路。这样的研究对于LTP的具体机制以及脑功能的认识、脑潜能的开发等都会产生深刻影响。

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