早期应激诱导神经元树突棘形态结构重塑研究进展

作者单位：434023 荆州，长江大学医学院解剖教研室

早期应激诱导神经元树突棘形态结构重塑研究进展

何云杨群许本柯

【摘要】生长发育早期，促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)可导致海马神经元突触功能发生改变，神经元树突棘形态结构重塑，最终损害海马记忆功能。CRFR1受体广泛存在于海马神经元树突棘头部突触后致密物(PSD)上，CRF与CRFR1受体结合，可通过G蛋白偶联受体介导的信号转导调控神经元突触相关功能，此外还可通过激活RhoA-confilin网络信号导致神经元树突棘形态结构发生改变。该文就树突棘形态结构、分子组成及相关调节蛋白以及CRF与海马相应功能区神经元树突棘作用等内容作一综述。

【关键词】应激；树突棘；突触；促肾上腺皮质激素释放因子；海马

DOI:10.3969/g.issn.0253-9802.2015.05.002

通讯作者,许本柯

收稿日期：(2014-11-13)

Research progress of morphological remodeling of neuronal dendritic spine induced by early stressHeYun,YangQun,XuBenke.AnatomyTeachingandResearchSection,MedicalCollegeofYangtzeUniversity,Jingzhou434023,China

Correspondingauthor,XuBenke

Abstract【】During the early stage of growth and development, corticotropin releasing factors (CRF) can alter the function of synapse of hippocampal neurons, remodel the morphology of neuronal dendritic spine and eventually damage the memory function of hippocampus. CRFR1 receptor is widely distributed in the postsynaptic dense materials (PSD) of dendritic spine head of hippocampal neurons. Binding of CRF and CRFR1 receptors not only could regulate the function of neuronal synapse via G-protein coupling receptor-mediated signaling transduction, but also cause morphological variations of neuronal dendritic spine through activating RhoA-confilin signaling network. This paper summarized the morphology, molecular composition and related regulatory proteins of dendritic spine and the effect of CRF upon neuronal dendritic spine in the corresponding domain of hippocampus, etc.

【Key words】Stress; Dendritic spine; Synapse; Corticotropin releasing factor; Hippocampus

应激的本质是源于体外或体内的一种刺激，这种刺激被机体认为是危险的或潜在的危险信号，并威胁到机体内各系统的稳态[1]。急性、温和的应激可提高海马空间相关的学习、记忆能力，常常有益于机体，而慢性应激则降低海马、前额叶皮质神经元树突棘的数量，对机体有害[2-3]。日常生活的延续需遗忘不良应激事件，伤害性应激事件会形成深刻记忆并扰乱正常机体的身心健康与日常生活，如强烈地震后造成的创伤后应激事件[4]。不良应激事件会影响生物体的生理、心理的成熟与稳定，而促肾上腺皮质激素释放因子(CRF)在这一过程中发挥了极为重要的作用。啮齿类动物，大脑发育早期海马内Cajal-Retzius细胞(海马内分化最早细胞)可产生CRF，等到成年后，绝大部分CRF被合成和存储在海马CA1、CA3区锥体细胞层中间神经元内[5]。由应激诱导产生的CRF与广泛存在于海马、纹状体神经元树突棘突触后致密物(PSD)上的CRFR1受体结合，可通过下丘脑-垂体-肾上腺轴(HPA轴)，内嗅皮质、海马及杏仁中央核等组成的边缘结构环路，以及主要由孤束核、蓝斑参与构成的脑干途径等信号通路影响神经元树突棘/突触的发育、成熟与稳定。研究表明，不同生理浓度的CRF可影响神经元树突棘细胞骨架重塑，这与神经元相关突触功能的改变密切相关，神经元树突棘细胞骨架重塑主要通过RhoA-confilin通路影响树突棘形态结构的改变，超过生理剂量的CRF可下调RhoA，下调的RhoA可导致由肌动蛋白形成的树突棘细胞骨架结构的变化，最终使处于平衡状态的树突棘塌陷、退缩、丢失；此外，神经元突触功能的改变是由G蛋白偶联受体介导的信号转导途径发生的，膜受体CRFR1在神经元突触功能改变的过程中发挥重要的作用[2]。在神经元树突棘形态结构重塑的过程中，神经元突触相关调节蛋白及上游调节分子亦发挥了重要作用。本文旨在从应激、树突棘及树突棘分子组成与相关调节蛋白、CRFR1受体等方面综述早期应激调节因子CRF损害海马神经元树突棘形态结构重塑的部分机制，并为将来寻找有效的CRF阻断剂以改善海马认知功能提供新的思路，同时也为近几年来的研究热点即早期应激损害中枢神经系统(CNS)内纹状体相关的决策能力提供借鉴。

一、应激与应激反应

适者生存迫使生物体必须学习、记住危险的应激事件。一般提到的应激多指严重应激、慢性应激等伤害性刺激威胁到机体体内平衡时并促使机体作出适应性反应的过程，也就是应激反应。不同应激对机体有不同的影响，急性、温和的应激可增强学习记忆能力，能使生物体更好地适应环境，而慢性应激则对机体起负性调节作用。研究表明，儿童时期经常遭受暴力、虐待等慢性应激的群体，成年时易患抑郁症、自闭症、精神分裂症及阿尔茨海默病等精神、神经系统疾病[6]。日常生活中应激事件时刻在发生，但应激影响机体作出适应性反应取决于应激的类型及作用时间。CRF在应激反应过程中发挥极为重要的作用，超过剂量的CRF可导致海马空间记忆相关神经元树突棘形态重塑和突触功能受损害[1,5]。

二、树突棘形态结构、分子组成及相关调节蛋白

1.神经元树突棘与树突棘形态结构及在CNS内的分布

树突棘是树突分支表面的棘状突起，是一个动态结构，长约0.5～2.0 μm，体积约0.01～0.8 μm3，其上有兴奋性突触后的结合位点[7]。成年啮齿类动物的海马内，根据神经元树突棘的形态可分为丝状伪足、纤细型(65%)、蘑菇型(25%)、树桩型和杯型树突棘，丝状伪足于出生后第1周出现，是成熟树突棘的前体，海马内成熟树突棘多为纤细型和蘑菇型树突棘2种，约占总数的90%，纤细型和蘑菇型树突棘在出生后第2周开始出现，出生后第3周神经元树突棘/突触发育成熟。成熟的纤细型和蘑菇型树突棘均含有纤细的颈和膨大的头，树突棘头部有个特殊动态结构即PSD，其上含有大量的兴奋性突触后受体及相关的调节蛋白[8]。2004年，Peng等应用液相色谱串联质谱法测定PSD，结果显示，多达374种蛋白位于PSD上，这些蛋白中的一部分参与神经元树突棘/突触可塑性调控。文献资料表明，NMDA受体多分布于纤细型树突棘头部，其主要作用可能与学习能力(短暂记忆能力)的调控有关，而蘑菇型树突棘头部则多含AMPA受体，其主要作用与记忆能力(长期、稳定记忆能力)的调节密切相关，纤细型树突棘又被称为“学习型树突棘”，而蘑菇型树突棘又被称为“记忆型树突棘”[2]。纤细型树突棘颈部狭长，树突棘头部NMDA受体较多，更易诱发因NMDA受体活化而引起的长时程突触增强效应(LTP)，而蘑菇型树突棘相对较稳定，应激状态下的形态结构改变不明显。现有的研究显示长时程突触增强效应与学习、记忆调控密切相关。此外，应激可导致纹状体多棘神经元树突棘受损，而纹状体多棘神经元树突棘参与大脑决策能力的调控[9]。CNS内神经元树突棘很少出现在中间神经元上，大脑锥体细胞及小脑Purkinje细胞树突棘分布较多，小脑Purkinje细胞树突分支茂密、树突棘密度较高且形态多样。

2.树突棘分子组成及相关调节蛋白

应激导致海马神经元树突棘的退缩、消失及杏仁核神经元树突增长过程，此复杂过程离不开相关调节蛋白的参与，RhoA-Confilin信号通路在这一过程中发挥了重要作用[2，10]。研究表明，神经元树突棘的可塑性主要由2种处于动态聚合或解聚相互转换的肌动蛋白调控，包括单体的球状肌动蛋白和丝状肌动蛋白(聚合态)，而丝状肌动蛋白是构成神经元树突棘细胞骨架的基础。神经元树突棘头部的PSD与细胞骨架相连接，其上含有许多肌动蛋白相关的蛋白，这些蛋白参与神经元树突棘形态结构的调控，其中肌动蛋白结合蛋白及上游的调节分子发挥重要作用。神经元树突棘相关肌动蛋白结合蛋白可根据作用分为促进聚合与解聚两大类，前者包括Arp2/3复合体、组装抑制蛋白、Drebrin和凝溶胶蛋白等，后者包括Confilin。研究表明，处于激活态的Arp2/3复合体可促进球状肌动蛋白向丝状肌动蛋白转变(促进聚合)，形成肌动蛋白纤丝，进而促进肌动蛋白细胞骨架构建[11]。2008年Paul等研究表明，组装抑制蛋白被激活后亦可促进底物水平磷酸化并加速肌动蛋白纤丝的聚合，此外，组装抑制蛋白可与成蛋白及Arp2/3复合体作用促进纤丝的延伸。有研究显示，Drebrin有助于肌动蛋白纤丝的形成和PSD-95汇聚于神经元树突棘的头部，而促进聚合或解聚双重作用的凝溶胶蛋白在某些调节因子，如PIP2作用下可促进或阻止肌动蛋白纤丝的延长，且凝溶胶蛋白呈钙依赖性，当处于高钙状态时，凝溶胶蛋白与肌动蛋白纤丝末端结合进而阻止纤丝延长，凝溶胶蛋白的这种作用对保持突触重塑时纤丝稳定有重要意义[12-13]。研究表明，CRF能使激活态 Confilin去磷酸化，选择性地导致纤细型树突棘数目减少，这表明Confilin在神经元树突棘细胞骨架塌陷过程中加快了肌动蛋白纤丝的解聚[14]。另外，上游调节分子如钙离子和小三磷酸鸟苷(GTP)酶等均可调控肌动蛋白纤丝的聚合与解聚[15]。上述调解神经元树突棘形态结构改变离不开PSD，PSD是神经元树突棘/突触功能发生改变的重要场所，其上的神经递质受体、调节蛋白、支架蛋白和酶在神经元突触功能改变过程中发挥了重要作用。

3.应激调节因子CRF与CRFR1受体

1936年，Selye首次提出了“应激”及其生物学概念。1981年，Vale首次提出并认为由41个氨基酸构成的肽——“CRF”是回应应激反应的关键性作用因子。后来的研究表明，CRF不仅参与CNS相关应激的调控，而且参与内脏、免疫等相关生理的调控，啮齿类动物相关研究表明，CRF参与调控与食物摄取、认知相关的心理调节[16-17]。有文献资料表明，CRF及其类似物通过与细胞膜受体CRFR1和CRFR2结合发挥作用，此两种受体属于G蛋白偶联受体B家族分泌样受体。在CNS，海马神经元上CRFR1受体较多，CRFR2受体极少，2008年，陈运才的研究表明，海马神经元树突和树突棘的发育与CRF和CRFR1受体密切相关。有资料显示，CRFR1和CRFR2受体可通过Gαq或Gβγ介导激活磷脂酶C(PLC)活性调控细胞内钙信号，Gβγ亚基经CRF受体介导激活后可产生PI(3.4.5)P3进一步激活PLC，从而激活磷脂酰肌醇3-激酶(PI3K)，接着钙通道被激活进而影响神经元树突棘/突触功能。CRF与CRFR1受体结合后可通过RhoA-Confilin信号通路导致神经元树突棘形态结构重塑。动物实验资料显示，CRF灌流可激活Confilin上游调节分子RhoA GTP酶，使RhoA 活性增高，接着Confilin快速磷酸化，活动增强后的Confilin加快肌动蛋白纤丝的解聚，而RhoA特异性阻断剂可有效阻止CRF上述诱导作用[2]。

三、CRF与海马相应功能区神经元树突棘作用

应激状态下，海马神经元树突棘退缩、丢失主要发生在海马辐射层，这一区域是主要与学习、记忆和认知功能相关调控的重要脑区。关于外源性CRF的研究表明，CRF可选择性损害海马神经元树突棘突触机能，大剂量的外源性CRF可选择性减少纤细型树突棘即“学习型树突棘”数量，这同样也说明神经元纤细型树突棘上的NMDA受体是CRF作用的重要靶点之一[2]。在啮齿类动物，背内侧纹状体有参与行为-结果通路的神经元，背外侧纹状体可管理习惯行为的获取与输出。近年来的研究表明，慢性应激可影响纹状体多棘神经元的突触功能，导致纹状体相关决策能力损害[18]。研究证实，背内侧纹状体多棘神经元是应激调节因子CRF作用靶点。海马空间相关学习、记忆功能受损可能为：应激激发CRF阳性神经元轴突终末释放大量CRF，而轴突终末CRF浓度增高，回收、降解缓慢，并以某种方式弥散作用于CRFR1靶受体，导致长时程突触增强效应以及学习记忆行为受损，这一过程发生于树突棘PSD结构上。有研究表明，PSD是一个动态的结构，药物、环境因素、行为训练等均可改变PSD的厚度和大小，从而改变突触机能[19]。PSD影响突触功能与长时程突触增强效应密切相关。现有的研究认为，长时程突触增强效应是一种学习、记忆活动的突触模式。正常生理浓度CRF可以促进长时程突触增强效应反应的诱导和维持其稳定，从而增强突触效应，但过量时则损害长时程突触增强效应[2,19]。动物实验资料表明，向成年海马脑片上灌注CRF，连合/联络纤维投射区的长时程突触增强效应选择性受损[2]。

四、结束语

大脑发育早期，慢性应激事件产生的CRF可损害海马、纹状体神经元树突棘发育，从而影响大脑学习记忆与决策相关能力。弄清楚这一机制对某些特殊人群，例如留守儿童(研究显示因其特殊成长环境造成的慢性应激会导致其成年后易患抑郁症、焦虑症及精神分裂症)的学习记忆和决策能力低下问题及寻找有效干预药物至关重要[6]。

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(本文编辑：洪悦民)

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