有机阳离子转运体3 (OCT3)的生物学特点及其在相关神经精神疾病中的作用

韩思达(综述) 崔 梅(审校)

(复旦大学附属华山医院神经内科 上海 200040)

有机阳离子转运体3(organic cation transporter 3,OCT3)和OCT1、OCT2共同构成 OCTs亚家族,该亚家族是SLC22蛋白家族的一员。OCT3长度为551个氨基酸残基,共有12个跨膜区(transmembrane domain,TMD),其中TMD1和TMD2之间有1个胞外环,TMD6和TMD7之间有1个胞内环。2个环中具有多个磷酸化和糖基化位点,与该转运体功能调节有关。TMD4和TMD10是OCT3底物识别的关键区域[1-2]。在这12个跨膜区中,TMD1、2、4、5、7、10和11共同组成了一个疏水腔隙,是各种底物的结合位点[3]。人OCT3由定位于6q26-q27的SLC22A3基因编码,基因包含11个外显子和10个内含子,相邻的外显子和内含子之间以高度保守的GT/AG间接位点相连[2]。该转运体多表达于脑内单胺能神经末梢投射区,在脑内分布广泛,如大鼠大小脑皮层、上丘和下丘、海马回、后隔膜、嗅球颗粒细胞层、下丘脑背内侧核、基底神经节、中缝大核、蓝斑和结节乳头体核等[4-6]。另外,在室周器内可观察到OCT3阳性的神经细胞及纤维投射,脑室内的室管膜细胞也表达OCT3[5]。

OCT3的转运及活性调节OCT3转运的底物包括一些生理性化合物(如单胺类神经递质)以及一些阳离子型药物毒物,如1-甲基-4-苯基吡啶(1-methyl-4-phenyl-pyridine,MPP+)、百草枯(paraquat,PQ)等。首先,OCT3是一种低亲和力单胺类神经递质转运体(又称为uptake2),在多巴胺转运体(dopamine transporter,DAT)、去甲肾上腺素转运体(norepinephrine transporter,NET)和五羟色胺转运体(serotonin transporter,SERT)等高亲和力单胺转运体(又称为uptake 1)饱和或活性下降时,OCT3可作为一种代偿机制发挥清除突触间隙内单胺类神经递质的功能[4,7]。另外,OCT3可以转运很多重要的阳离子型药物或毒物,如MPP+、PQ、胍丁胺、环(组氨酸-脯氨酸)二肽、利多卡因、奎尼丁、二甲双胍等[1]。OCT3抑制剂包括二亚甲基双氧苯丙胺(3,4- methylene two oxygen methamphetamine,MDMA)、苯环己哌啶(piperidine,PCP)、可卡因、安非他命、decynium-22(D-22)以及生理水平的糖皮质激素(glucocorticoid,GC)等[8]。

OCT3活性的调节主要依靠两种方式:一种是在翻译后水平的磷酸化-去磷酸化调节,包括酪氨酸蛋白激酶、丝/苏氨酸蛋白激酶、碱性磷酸酶等;另一种是在转录水平通过Ca2+/CaM 途径调节OCT3活性[1,9]。有研究表明,酪氨酸激酶抑制剂(tyrosine kinase inhibitor,TKI)可以通过抑制src家族的蛋白激酶Yes1,使OCT2酪氨酸磷酸化水平下降,抑制其转运功能。而在OCTs的成员之间具有相同的酪氨酸磷酸化区域和多脯氨酸的SH3结合序列,因此TKIs可以调节包括OCT3在内的所有OCTs蛋白[9]。转录因子Pet-1是OCT3基因表达所必需的协同因子[10]。

在人群中由于单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP)差异,不同个体OCT3的转运效能也不同。有研究发现,在甲基安非他命(methamphetamine,MAP)依赖伴多种药物滥用的患者中,SNP2(rs509707)的基因型频率和等位基因频率以及SNP3(rs4709426)的等位基因频率显著高于仅对MAP依赖者[11];rs8187717、rs12212246以及rs8187725对OCT3转运组胺和MPP+的能力均有不同程度的影响[12]。这些基因多态性可能决定了不同个体对神经毒物和成瘾药物敏感性的差异。

OCT3在抑郁症中的作用五羟色胺(5-hydroxy tryptamine,5-HT)和去甲肾上腺素(norepinephrine,NE)均为重要的单胺类神经递质,在脑内含量丰富。5-HT能调节情绪和情感,参与抑郁症的发病[13]。NE可以通过改变前额叶皮质和其他脑区的神经活动模式,增强脑对外界刺激的反应性[14],增加脑内NE水平具有抗抑郁作用[15]。这两种神经递质均为OCT3的底物,OCT3对抑郁症患者脑内神经递质传递具有独特的影响。

SERT和OCT3都可以转运5-HT。有研究显示,SERT缺陷小鼠的海马区域内OCT3 mRNA和蛋白质表达水平均升高,这说明OCT3在SERT功能下降时发挥重要的代偿作用。在应用OCT3抑制剂D-22后,SERT缺陷小鼠不仅脑内5-HT转运效率明显下降,抑郁行为也明显好转,而WT小鼠脑内递质转运效率和抑郁行为学方面未见明显变化。这进一步证明了OCT3在SERT功能下降时才发挥作用,也提示OCT3的代偿性活化、加速5-HT再摄取可能是选择性5-HT再摄取抑制剂(selective serotonin reuptake inhibitor,SSRI)对部分抑郁症患者不敏感的原因[16-17],抑制OCT3可能是未来抑郁症治疗的新靶点[18-20]。也有体外实验发现,三环类抗抑郁药(tricyclic antidepressant,TCA)、SSRI等广泛应用于临床的抗抑郁药物除了可抑制NET、SERT 等转运体外,还可以非竞争性地抑制OCT3活性,影响单胺类递质转运[21],但是否可因此产生抗抑郁效应尚待进一步研究。

OCT3还影响了一些抗抑郁药物的疗效。去甲丙咪酯是一种TCAs,通常需要应用4～6周后才可发挥临床抗抑郁作用。Mooney等[22]通过测量患者在开始治疗后1、4和6周血浆及尿液中NE及其代谢产物的水平揭示了这一现象的原因。即:当NE转运体被去甲丙咪酯抑制时,OCT3对NE的转运作用代偿性增强,将NE转运至胶质细胞、神经元等细胞中,进一步代谢为甲氧基去甲肾上腺素(methoxy norepinephrine,NMN),NMN可再回到细胞外,抑制OCT3的功能,从而使NE在突触间隙内富集,产生抗抑郁的疗效;人为抑制OCT3可以减少NE向NMN的转化,增强去甲丙咪酯的抗抑郁疗效[22]。我国学者发现,小檗碱具有抑制OCT3和OCT2的作用,阻碍单胺类神经递质的再摄取,可能具有抗抑郁作用[23]。

总之,在经典的递质转运体功能下降或饱和时,抑制OCT3可以上调脑内5-HT和NE水平,发挥抗抑郁作用。OCT3可以作为抑郁症治疗的新靶点。

OCT3在应激相关药物成瘾中的作用OCT3可以间接诱导实验动物在应激条件下对成瘾性药物的复吸。同时,长期应用精神药物也可以对动物脑内OCT3的表达产生影响。

有多项研究指出,OCT3在应激导致的可卡因复吸机制中有着重要作用。应激因子可以激活下丘脑-垂体-肾上腺皮质(hypothalamus-pituitary-adrenal cortex,HPA)轴导致动物体内GCs水平升高。Graf等[24]通过对“自身给药消退恢复模型大鼠”的研究,发现GCs可以诱导模型大鼠在暴露于未达阈值剂量的可卡因时就产生药物复吸行为[24]。McReynold等[25]通过构建“条件性位置偏爱模型小鼠”,也指出GCs可以使小鼠产生低于阈值剂量可卡因所致的药物位置偏好[25]。伏隔核是经典的成瘾相关脑区,在伏隔核内存在着多巴胺能神经元末梢以及OCT3阳性的中型多棘神经元和神经胶质细胞。GC可以抑制OCT3对DA的再摄取和清除,上调局部DA水平,通过相关神经环路诱导了复吸行为的产生[26]。然而,应激条件下升高的GC不能直接诱导可卡因复吸行为,而是增加犒赏环路对药物相关因子的敏感性,降低复吸所需的阈值剂量[24,26]。

对实验动物反复应用可卡因、安非他命等成瘾物质可以下调神经元、胶质细胞上OCT3表达,反馈性地影响上述物质在脑内的药代动力学过程,使实验动物产生相应的行为学变化。如:反复用安非他命处理Wistar大鼠,可以下调其脑内OCT3表达,使安非他命在脑内更易富集,进而导致动物出现快速移动等比较稳定的行为学变化;而相同条件下Long-Evans 大鼠由于脑内OCT3并未下调,安非他命在脑内的药代动力学变化不大,因而未产生类似于Wistar大鼠的行为学变化[27]。

除可卡因、安非他命外,尼古丁可通过有机阳离子转运体透过血脑屏障,在脑内影响儿茶酚胺水平,诱导成瘾[28];OCT3在酒精成瘾中的作用类似于在诱导应激相关可卡因复吸中的作用[29-30]。

OCT3在帕金森病中的作用帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一种常见的神经退行性疾病,病因不明。其典型病理表现为黑质纹状体多巴胺能神经元的进行性丧失,神经元内形成以突触核蛋白为主要成分的 lewy小体。

目前已发现多个与PD相关的基因位点[31](如parkin、PINK1、DJ-1和SNCA、LRRK2等),但这不能完全解释绝大多数散发性PD的病因。有研究表明,环境中某些特殊的神经毒物是散发性PD的重要病因,1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氢吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP)和PQ就是两种具有代表性的神经毒物[32]。MPTP因吸毒者吸食不纯毒品后表现出类似PD的表现而被发现,现在已被广泛用于构建PD动物模型;流行病学调查已显示长期小剂量接触农药和除草剂(PQ是其中的有效成分)者罹患PD的风险升高[33-34];一些临床研究显示,PQ慢性中毒者脑磁共振成像可发现弥散张量成像(diffusion tension imaging,DTI)信号异常,提示黑质区域多巴胺能神经元丢失所致的脑微结构异常[35]。下面以这两种毒物为例,阐述OCT3增强MPTP毒性而减弱PQ神经毒性的作用,体现了OCT3作用的复杂性。

MPTP可以自由通过血脑屏障,首先需要在星形胶质细胞内活化为具有毒性的阳离子产物MPP+,再被表达于该细胞表面的OCT3转运至细胞外,最终被多巴胺能神经元摄取而发挥神经毒性[48],因此OCT3介导了MPP+的神经毒性。

PQ也是一种吡啶类化合物,一般状况下处于氧化态(PQ2+),只有被还原剂(小胶质细胞上表达的NADPH 氧化酶)催化为还原态(PQ+)时才被DAT转运至神经元内,发挥神经毒性。多巴胺能神经元周围的非多巴胺能神经元及星形胶质细胞上分布的OCT3可以摄取细胞间隙内的PQ+,降低细胞间隙内PQ+的浓度,减少了它向多巴胺能神经元内的转运,因此发挥了保护作用[36]。虽然PQ只特异性地对多巴胺能神经元产生杀伤作用,但它们在脑内能够被多种细胞摄入,甚至可以导致线粒体膜电位异常,只是未在其他类型的细胞中产生杀伤作用。这和多巴胺能神经元内高水平的内源性DA、低水平抗氧化酶类有关[37-38]。

综上所述,OCT3增强了MPP+的神经毒性,减弱了PQ的神经毒性。另外,纹状体星形胶质细胞表面的OCT3可以缓冲神经兴奋剂安非他命导致的DA水平骤升[47],这体现了表达于纹状体的OCT3对多巴胺能神经元纤维投射的保护作用。

随着PD病程的进展和左旋多巴(L-dopa)等替代治疗的应用,患者黑质纹状体通路中多巴胺能神经元胞体和投射大量丧失,首先清除DA的高亲和力转运体DAT数量和功能随之下降,继而低亲和力转运体如OCT3功能亢进,代偿DAT清除DA的功能。这不仅削弱了L-dopa的疗效[39],也造成了脑内DA转运和代谢的异常[40]。这种DA水平异常是进展期PD患者脑内多巴胺环路相关结构“神经可塑性的非适应性改变(maladaptation plasticity)”的体现,而这种病理性改变是左旋多巴诱发异动症(L-dopa induced dyskinesia,LID)的重要机制[41-42]。OCT3是否通过调节DA水平参与了这两种并发症的发病尚待进一步研究。因此,拮抗OCT3等低亲和力转运体的功能是进展期PD治疗的新方向。

OCT3的其他功能OCT3除了和上述3种中枢神经系统疾病相关外,在不同的生理病理状态下尚有一些其他的功能。在细胞实验和在体实验中都发现,应用GCs抑制正常细胞表面的OCT3可以增加放射性碘在瘤体细胞中的聚集,增加了治疗的选择性和有效性[43]。还有研究发现,在急性脑缺血的实验动物脑内,抑制OCT3可以显著增加病灶内组胺浓度,还可激活辅助性T细胞,最终减少脑梗死面积[44]。当环境导致血浆渗透压改变时,OCT3还具有调节水盐摄入的功能,体现了OCT3在基本生命活动中的作用[45]。另外,研究者在杏仁核夹层细胞组织内的酪氨酸羟化酶阳性胞体以及轴突周围细胞上发现了大量OCT3 的表达,说明OCT3可能通过调节杏仁核内多巴胺神经递质的传递,改变恐惧、焦虑样的行为[46]。

结语关于OCT3的研究将围绕其转运机制,在疾病的发病机制方面进一步探索其对神经递质、细胞的亚显微结构、信号转导通路的“潜在”影响;在药物治疗方面,利用OCT3的作用特点对药物代谢动力学的影响提高药物疗效,开发针对OCT3的新型药物。

OCT3和HPA轴的联系体现了OCT3在体内分布的广泛性和作用的多样性。HPA轴对OCT3的调节不仅体现在5-HT[49]和应激相关性成瘾方面,可能还与各种单胺类递质异常相关的神经精神性疾病、中枢神经系统药物疗效或不良反应、内分泌疾病相关神经系统病变和神经免疫等有关,值得进一步研究。