突触可塑性相关物质基础研究进展

突触可塑性相关物质基础研究进展

宋宛珊郭威张玉莲1孙伟明曹杨王一夫

(天津中医药大学,天津300193)

关键词〔〕突触可塑性；学习记忆；NMDA；AMPA

中图分类号〔〕R338〔文献标识码〕A〔

基金项目：国家自然基金(面上)项目(No.81273940)；高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)(No.20131210110012)

通讯作者：张玉莲(1963-)，女，博士，主任医师，博士生导师，主要从事中西医结合脑病临床与基础研究。

1天津中医药大学第二附属医院

第一作者：宋宛珊(1987-)，女，博士，主治医师，主要从事中西医结合脑病临床与基础研究。

突触可塑性是指突触在形态和功能上的改变，是学习和记忆活动的神经生物学基础，在神经系统的发育、成熟及学习记忆中起重要作用。突触的传递可塑性是决定整个突触可塑性最关键的部分。多项研究表明，突触可塑性与阿尔茨海默病(AD)患者认知功能下降密切相关，修复受损突触结构，提高突触传递可塑性，可有效改善AD患者认知功能，提高学习记忆能力〔1〕。本文就影响突触结构及传递可塑性的物质基础进行综述，以期为临床治疗AD认知功能障碍提供可行途径及依据。

1突触传递效率的物质

1.1N-甲基-天冬氨酸(NMDA)受体的功能与突触可塑性NMDA受体是兴奋性氨基酸受体，是由3种不同亚基(NR1、NR2、NR3)构成的阳离子通道。NR1是NMDA受体复合物的功能性亚单位，参与离子通道的形成，是调节能力最强的神经递质受体〔2〕，NR2 是NMDA受体的调节亚基，独立存在时并不表达，主要作用是修饰整个受体的功能特性，增强了NR1对兴奋性氨基酸的反应〔3〕，NR3的功能是抑制NMDA受体通道的开放〔2〕，结合NR3受体亚型可降低NMDA受体通道内钙离子的通透性，而且在突触和突触外的NMDA受体反应性中起着一定的保护作用〔4〕。NMDA受体主要是由NR1 和NR2 亚基构成的四聚体复合物，存在于谷氨酸能神经元突触后膜的致密体(PSD)内，静息的NMDA受体可电压依赖性被Mg2+阻断，开放时主要允许K+、Na+及部分Ca2+通过。一般情况下，在海马的CA1 区，高频刺激引起树突棘内NMDA受体的激活，Ca2+浓度升高，Ca2+/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)活化，突触蛋白质磷酸化，进而诱发长时程增强(LTP)；相反，低频刺激引起树突棘内Ca2+浓度轻度升高，从而激活磷酸蛋白磷酸化酶，突触AMPA受体去磷酸化，进而诱发长时程抑制(LTD)〔5〕。突触后膜上NMDA受体的数量对突触可塑性具有重要的调节作用，研究发现，β淀粉样蛋白(Aβ)可通过减少神经元内突触后致密物蛋白95(PSD-95)的含量，从而降低稳定NMDA受体的数量，进而影响突触的可塑性〔6〕。NMDA受体除了直接在突触后膜和细胞胞质库间垂直运动外，还能沿突触后膜表面在突触和突触外位作侧向移位，这种在细胞膜表面的移位可以改变突触受体的数目和组成，对突触传递效率的改变起着重要作用〔7〕。

1.2Ca2+对突触后可塑性的诱导起决定作用Ca2+是神经元细胞内重要的第二信使，与基因表达，膜兴奋性调节，树突的发育，突触的发生和神经元信息加工、记忆储存等功能有关。刺激后突触后膜内Ca2+浓度变化的差异导致神经元产生不同的生理反应。在长时程增强过程中，高频刺激引起的谷氨酸大量释放激活了突触后膜的NMDA受体，导致突触后神经元内突触后神经元内Ca2+大幅升高，Ca2+激活CaMKⅡ，进使α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(AMPA)受体通道磷酸化而增加其电导，也能使储存于胞质中的AMPA受体位移到突触后膜上而增加其密度，因而使突触后的反应增强。在长时程抑制过程中，低频刺激引起突触后胞质内Ca2+浓度轻度升高，优先激活蛋白磷酸酶，结果使AMPA受体去磷酸化而电导降低，突触后膜上AMPA受体的数量减少，从而产生LTD。同时突触后神经元内的Ca2+浓度水平也影响着高频刺激引起的突触可塑性过程，高频电刺激海马齿状回激活NMDA受体，既可引起LTP，也可引起LTD，这种突触可塑性取决于细胞内Ca2+缓冲剂的浓度和种类。在细胞内存在高浓度Ca2+缓冲剂的条件下，高频电刺激主要诱发LTD，在细胞内Ca2+缓冲剂浓度较低的情况下产生LTP，提示细胞内游离钙的浓度决定NMDA受体调控的突触可塑性变化方向〔8〕。

1.3Ca2+CaMKⅡCaMKⅡ在大脑皮质和海马中大量存在，在突触中分布密集，是突触后致密物的主要成分，其磷酸化状态可间接调节如神经递质的合成与释放、离子通道的活性、突触可塑性及基因表达等神经活动。谷氨酸NMDA受体是CaMKII的直接底物，研究表明CaMKII直接与NMDA受体胞内C末端相互结合，催化一特定丝氨酸(S1303)的磷酸化。CaMKII也加强谷氨酸AMPA受体的磷酸化，通过磷酸化AMPA受体C末端特定的丝氨酸(S831)，CaMKII增强AMPA受体的功能。CaMKⅡ在正常状态下与mGluR5受体结合以储存于突触内，刺激mGluR5受体时，CaMKⅡ与mGluR5受体分离，转运至NMDA受体，以介导mGluR5信号对NMDA受体的增强作用。在大鼠海马CA1 区LTP诱导和维持依赖于CaMKⅡ的活化。最新的体内实验研究也表明，动物在经过行为学训练以后，其海马中磷酸化的CaMKⅡ蛋白含量升高〔9〕，进一步证实CaMKⅡ在学习记忆和突触可塑性中的关键作用。

1.4AMPA受体介导LTP的增强AMPA受体是兴奋性谷氨酸受体，是由GluR1、GluR2、GluR3和GluR4四种亚基选择性组装构成同源或异源四聚物。中枢神经系统中大多数AMPAR受体含有GluR2亚基，这类AMPA受体对Ca2+不通透，在LTP过程中具有重要作用。以往的研究认为在具有NMDA受体的突触上，NMDA受体介导的AMPA受体的插膜和内吞过程分别是LTP、LTD发生的机制之一，对突触后膜上的受体数目进行调控是进行突触可塑性改变的有效途径，尤其在沉默突触唤醒的过程中，AMPA受体的插膜是关键性的步骤。但研究显示GluR2缺失的AMPA受体对突触功能、突触可塑性、神经局部环路传导等有特殊的作用〔10〕。研究表明，表达GluR2缺失AMPA受体的突触可以产生非NMDA受体依赖的LTP，且这种LTP的诱导需要突触后Ca2+水平的升高，据此推测由GluR2缺失的AMPARs对Ca2+通透性改变可诱导LTP的发生〔11〕。

1.5NO是重要的逆信使NO由一氧化氮合酶(NOS)催化而成，属于非典型神经递质，以扩散的方式到达临近靶细胞，直接结合并激活一种可溶性鸟苷酸环化酶，使细胞内的cGMP水平升高而产生效应。NO在中枢神经系统中参与LTP和LTD等突触可塑性，作为一种逆行信使，由突触后产生作用于突触前神经元。试验研究发现，条件刺激大鼠离体海马脑片10min后，LTP产生，NO含量和NOS活性均显著升高，条件刺激60min后，LTP稳定维持，但NO含量和NOS活性却恢复到条件刺激前水平，提示NO及NOS的活性升高参与了LTP的形成〔12〕。Wu等〔13〕运用NOS抑制剂能够抑制海马脑片齿状回的LTP，而NO的底物L-精氨酸可逆转这种抑制作用。NO通过增加海马齿状回区细胞外液中天冬氨酸、葡萄糖和甘氨酸的分泌来增强习得性的LTP形成及维持过程〔14〕。NO可通过激活可溶性鸟苷酸环化酶途径催三磷酸鸟苷转变成环磷酸鸟苷,进而激活环磷酸鸟苷依赖性蛋白激酶，并催化有关蛋白或酶的磷酸化〔15〕，促进突触前递质的释放。

2突触可塑性相关蛋白

在突触重塑的过程中，许多蛋白质参与其中，这些蛋白质不仅能够促进神经元生长发育，调控神经递质释放、受体蛋白转运，也参与突触的可塑性过程和损伤后突触结构、功能的修复。

2.1神经生长相关蛋白神经生长相关蛋白(GAP-43)是一种快速胞膜磷酸蛋白，与神经发育、突触重建、轴突再生密切相关。GAP-43在发育中的神经元沿整个轴突表达，在生长锥表达尤其丰富，调控轴突生长，对突触可塑性具有重要意义。对发育期大鼠GAP-43 表达的检测发现，刚出生的大鼠的神经元GAP-43主要在胞体和初生突起中高表达，胞浆中含量极低，而在实质锥和突触前膜的动态结构中含量极高。对人神经发育不同时期GAP-43表达研究显示，出生后1w达到表达最高峰,而后随着年龄增加而逐步下降。成年时，神经系统的大部分区域GAP-43表达水平很低，但在嗅球、新皮质、海马和脑干部分区域内的单胺类神经元内，GAP-43一直维持在较高水平，说明GAP-43与神经元的正常活动是密切相关的。除了促进神经元的发育，GAP-43与突触的生长和损伤后修复关系也密切相关。损伤周围的神经元时，受损区域GAP-43水平再次升高，受损神经元可出现侧枝发芽和轴突再生以进行功能代偿，但GAP-43水平随着时间的延长逐渐下降〔16〕。动物试验发现，GAP-43在诱导LTP过程中有重要作用，在海马CA1 区高频刺激诱导出LTP，在NMDA受体的激活之后，对GAP-43磷酸化程度进行监测发现，大鼠海马脑片CA1区僵直刺激后10至60min可出现GAP-43 磷酸化程度的提高，至120min后不再增加，用NMDA受体阻断剂AP5抑制LTP后，GAP-43磷酸化程度的提高也受到抑制，这说明GAP-43磷酸化程度与LTP的表达正相关〔17〕。

2.2神经细胞黏附分子(NCAM)NCAM是属于细胞表面糖蛋白的一种，主要功能介导细胞黏附和识别，分布集中在神经组织中，参与神经细胞黏附、髓鞘形成、神经元出芽、轴突再生等神经生长及修复过程，并具有促进突触可塑性并维持突触结构的功能，是突触可塑性的标志之一〔18〕。NCAM的一个重要特征就含有以α-2，8键相连的多聚唾液酸复合物(PSA)，研究发现，PSA-NCAM在中枢神经的分化、迁移、突起长芽、突触联系的建立以及神经元发育和突触可塑性的许多过程中发挥作用〔19〕。PSA-NCAM在成年动物中枢神经系统中含量很少，但在海马齿状回颗粒细胞层的最深部表达较多，与学习、记忆相关的突触重塑过程密切相关。研究认为，通过PSA-NCAM对海马锥体细胞和齿状回颗粒细胞通过NMDA受体发挥调节功能，促使齿状回颗粒细胞发出苔状纤维轴突，与锥体细胞顶树突的近端形成突触，然后与NMDA受体结合位点连接在一起，给予这些突触短暂重复刺激可引起LTP，且该增强作用可完全被NMDA受体拮抗剂阻断，同时缺乏PSA-NCAM也引起NMDA受体依赖性LTP减弱〔20〕。

2.3微管相关蛋白蛋白(MAP)-2MAP-2是组成神经元的结构蛋白，哺乳动物脑中含量丰富，是神经细胞的骨架成分，主要在神经元胞体、树突和树突棘表达，能调节微管蛋白组装，稳定细胞骨架结构。研究显示海马梗死大鼠MAP-2蛋白表达增加的同时有脑梗死大鼠行为学的改善，并且与学习记忆功能的恢复呈正相关。同样的动物实验也表明，在大脑缺血初期，受损区域神经元树突和结构受损、MAP-2表达水平下降，在3至7天后MAP-2表达逐渐升高，提示MAP-2与神经可塑性密切相关。赵晖等〔21〕研究表明丰富环境干预可改善慢性低灌注大鼠的学习记忆能力，其作用机制与上调海马突触素、MAP-2蛋白表达，提高突触可塑性有关。

2.4突触素突触素是和突触功能和结构密切相关的一种膜蛋白。有学者对人、牛等动物的突触素研究发现，其广泛分布在各种神经元的突触前囊泡中，突触素在所有的神经末梢均呈点状分布，而在白质及胶质细胞中未发现突触素存在。突触素参与神经递质的释放，突触囊泡的导入、转运，突触囊泡再循环和突触发生〔22〕。神经元受到刺激后产生神经冲动可沿轴突传至突触前膜，进而引起突触前膜去极化，突触前膜上的Ca2+通道开放，细胞外Ca2+进入轴浆内，由此出发囊泡向突触前膜导入和融合，通过过胞吐的方式，将囊泡内的神经递质释放入突触间隙。研究显示，突触素免疫活性增高与轴突末端出芽、侧支形成、囊泡数量递升、活性增强密切相关，提示神经元突触可以发生重塑〔23〕。突触素影响突触可塑性的途径是：突触素通过磷酸化的方式与肌动蛋白和突触囊泡结合，调节神经末梢突触囊泡的运动和释放，进而调控神经递质的释放。

2.5ReelinReelin细胞外基质糖蛋白，具有调节神经元的发生和迁移的作用，也能调控突触的结构和功能。reelin表达异常与双向情感障碍、精神分裂症和阿兹默海病等神经系统疾病密切相关〔24〕。研究发现，Reelin可通过抑制Aβ导致的LTP和NMDAR的衰减〔25〕。Reelin对于突触可塑性的作用体现在以下几方面：①reelin在Src族激酶(SFK)和PSD-95参与下，通过激活SFK促使NMDA受体磷酸化，促进Ca2+内流，进而增强LTP；同时这种促使NMDA受体磷酸化可以组织Aβ介导的NMDA受体内吞作用；②Reelin可增强AMPA受体传递功效的途径，对静默突触的有削减作用，通过提高AMPA受体/NMDA受体的比例，增强AMPA受体介导的突触后电位。③Reelin的过度表达在强化LTP的同时，也可使树突棘更加膨大。

3总结与展望

突触可塑性是钙离子和多种受体蛋白介导的突触传递效能和结构变化的复杂过程，是影响学习记忆能力的关键因素之一，多种物质参与了突触可塑性的调节。但何种因素是决定突触可塑性的主导因素还尚未确定，目前研究仅仅局限于对突触可塑性部分指标的检测及评价，因此现阶段大部分研究对于突触可塑性的评价尚存在片面性。

在有关药物对突触可塑性影响的研究中，我们不难发现中药及其单体可通过影响相关物质基础调节突触可塑性，且对突触可塑性具有长期的治疗效果，相比于西药具有独特的优势。但是目前针对中药干预影响突触可塑性的研究还处于初步阶段，尚存在以下几方面的问题：①实验模型不同：AD有不同的致病机理观点造成了所造动物及细胞模型的相同，在不同模型基础上进行突触可塑性的研究，实验之间缺乏可比性；②评价的指标不同：由于实验目的不同及条件的差异，在突触可塑性研究中选择的指标也有很大的差异性，选择中药种类较多，但有关突触可塑性的研究却较少，很难客观全面的评价中药对突触可塑性的影响；③研究不全面：中药对突触可塑性的研究基本上为部分结构或功能的初步研究，缺乏对中药影响突触可塑性结构和功能具体机制的系统研究，及相关临床验证。

综上所述，突触可塑性的研究仍需进一步的系统化，而对于药物尤其是中药对于突触可塑性的研究仍需制定较为公认的动物模型标准、评价体系及相关临床验证系统，方能进一步推动药物对突触可塑性的深入研究，为改善AD学习记忆能力提供有力实验支撑。

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〔2015-01-18修回〕

(编辑李相军)