代谢型谷氨酸受体5与神经系统疾病的研究进展

陈晓丹，张 雪，孙 灏，陈克平

（1.江苏大学生命科学研究院，江苏镇江 212013；厦门大学2.附属翔安医院,3.医学院神经科学研究所，福建厦门 361102）

谷氨酸（glutamate，Glu）是主要在Glu 受体（Glu receptor，GluR）介导下调节大脑神经元兴奋性和代谢活动的重要的兴奋性神经递质之一，在哺乳动物中枢神经系统中广泛存在[1]。GluR 具有不同的分子结构以及作用方式，主要分为离子型GluR（ionotropic GluR，iGluR）和代谢型GluR（metabotropic GluR，mGluR）两大类。iGluR 主要通过与离子通道偶联形成复合物来介导突触信号快传递。mGluR 是与G 蛋白偶联激活第二信使发挥信号转导作用。目前，已经从哺乳动物的大脑内克隆出8 种编码不同的mGluR 基因，根据氨基酸序列同源性、分布范围、药理学特性和转导机 制 的 不 同 分 为3 型[2]：Ⅰ型包 括mGluR1 和mGluR5，Ⅱ型包括mGluR2 和mGluR3，Ⅲ型包括mGluR4，mGluR6，mGluR7 和GluR8。其中，mGluR5 是目前研究较多的亚型，与人体许多生理过程和神经发育疾病病理过程密切相关，以下对其简要综述。

1 mGluR5结构和分布

mGluR5 的结构分为3 部分。首先，在细胞外功能区有560个氨基酸残基，内含有潜在的糖基化位点，亲水性氨基（N）端由跨膜段开始向细胞外延伸，称为维纳斯捕蝇结构域（Venus flytrap domain，VFD）。VFD富含半胱氨酸，是1个包含信号肽以及Glu 结合位点的高度保守区[3-4]；其次，在细胞膜处有261个氨基酸残基的7次跨膜蛋白，7个跨膜段分别为细胞内外环连接，由7 个疏水区形成；最后，细胞内功能区为含有350个氨基酸残基且长度多变的C 端，内有很多磷酸化位点并且富含苏氨酸和丝氨酸残基（图1），推测其在激动剂作用以及多种调节受体的激酶上有重要作用。

mGluR5在中枢神经系统中广泛表达。研究发现，在小鼠脑内mGluR5主要集中表达在嗅球、苍白球、伏核、尾壳核、隔区、前脑基底部、海马、纹状体和大脑皮质等区域中，在小脑的浦肯野细胞中无表达[5-6]。人大脑皮质、海马和纹状体也均是mGluR5 mRNA高表达的区域。mGluR5主要分布于突触后膜，主要功能是通过调控iGluR 介导的电流进而调节神经元的兴奋性。

2 mGluR5的信号通路

图1 代谢型谷氨酸受体5（mGluR5）二聚体结构. mGluR二聚体细胞外为N端结构域，称为维纳斯捕蝇结构域（VFD），富含半胱氨酸并结合Glu和其他配体.VFD连接7个跨膜结构域；C端面向细胞内并含有很多磷酸化位点，调节蛋白质-蛋白质相互作用.

很多神经系统相关疾病过程，了解mGluR5 信号通路对研究mGluR5相关神经系统疾病有重要意义。mGluR5 通过与Gq 蛋白和异三聚体G 蛋白偶联激活磷脂酶C（phospholipase C，PLC），PLC 会将细胞内4，5-二磷酸磷脂酰肌醇水解生成肌醇1，4，5-三磷酸（inositol 1，4，5-triphosphate，IP3）和第二信使甘油二酯（diacylglycerol，DAG）。IP3 可激活细胞内质网上的磷酸肌醇受体从而释放储存的Ca2+，使Ca2+浓度升高从而激活Ca2+信号途径，而DAG 则具有活化蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）、PLA2、丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protein kinase，MAPK）和调节离子通道的作用（图2）。该信号转导途径的激活与多种生理过程包括突触可塑性有关[7-8]。驱动mGluR5 介导的突触可塑性的机制是细胞外信号调节激酶（extracellular signal-regulated kinases，ERK）-MAPK 和磷脂酰肌醇3-激酶-哺乳动物雷帕霉素靶蛋白（phosphatidylinositol 3-kinase-mammalian target of rapamycin，Pl3K-mTOR）通路之间的相互作用，导致蛋白质重新合成和长时程抑制（long-term depression，LTD）减弱[9]。

3 mGluR5的药理学作用

图2 代谢型谷氨酸受体5 信号转导通路. mGluR5 的激活触发和汇聚多种不同的信号转导途径，mGluR5家族优先与Gq偶联，导致经典磷脂酶C（PLC）-肌醇1，4，5-三磷酸（IP3）-甘油二酯（DAG）-Ca2+途径的激活. mGluR5 通过可独立于Ca2+动员的机制偶联至其他G蛋白以及交替的第二信使和激酶.mGluR5与支架和调节蛋白（蓝色椭圆形）之间的蛋白质-蛋白质相互作用进一步增加了多样性：整合不同的信号转导途径，直接介导离子通道和突触可塑性的调节. Homer：支架蛋白；Shank：骨架蛋白；Gq：G 蛋白；AKT：蛋白激酶B；ERK：细胞外信号调节激酶；MAPK：丝裂原活化蛋白激酶；PKC：蛋白激酶C；PLA：磷脂酶A ；mTOR：哺乳动物雷帕霉素靶蛋白.

表1 选择性mGluR5正向配体

参与了很多神经活动过程，且应用mGluR5 的选择性药物是多种中枢神经系统疾病公认的治疗方法，传统的药物研发策略是通过靶向内源性配体结合位点来激活或阻断受体活性。已经发现了多种Ⅰ型mGluR 选择性配体（表1），其中（S）-3，5-二羟苯甘氨酸作为Ⅰ型mGluR选择性正向激动剂，与mGluR1 和mGluR5 具有相似的作用，并且是选择性最强的Ⅰ型mGluR 激动剂。然而，高选择性的mGluR5受体正向配体的应用仍存在局限性。化合物2-氯-5-羟苯甘氨酸是mGluR5 的选择性正向激动剂，但由于其作用相对较弱而实用性有限，这可能是由于mGluR5家族中正向配体结合位点高度保守造成的。由正向配体引起的受体完全激活或抑制反应会使神经传递失衡，从而导致不利的影响。因此，许多研究小组已经将焦点转向与正向位点位置不同的变构结合位点[12-13]。

G蛋白偶联受体（G protein coupled receptor，GPCR）由于自身的动态受体构象和潜在变构结合位点的多样性，易于参与变构调节[14]。配体与变构位点的结合可通过改变正向激动剂亲和力和功能来调控受体，被称为协同性作用[12]。增强正向激动剂药理学的变构配体被称为正向变构调节剂（positive allosteric modifier，PAM）；具有抑制作用的变构配体是负向变构调节剂（negative allosteric modifier，NAM）。中性变构配体（neutral allosteric ligand，NAL）代表结合变构位点的第3类，它们对正向配体的药理学无明显作用。已有许多GPCR 包括mGluR5 受体的变构配体被发现[15-16]，并且已验证如PAM-激动剂对受体具有明显的功能。目前已发现变构调节剂对mGluR5 受体作用效果显著，有涵盖变构药理学全范围的各种化学型，包括PAM、PAM-激动剂、NAL 和NAM[17]（表2）。值得注意的是，mGluR5的PAM在精神疾病和认知模型中有增强突触可塑性的作用，mGluR5 的NAM 已经在焦虑、抑郁症、自闭症、成瘾和运动障碍的临床前模型中显示出兴奋性调节的有效性。

表2 选择性mGluR5变构配体

4 mGluR5与神经性疾病的关系

Glu作为神经系统中重要的兴奋性神经递质之一，通过激活相关受体来维持正常的神经系统功能。Glu的释放与堆积异常会使神经功能紊乱并且参与许多神经系统疾病的发生。近年来研究表明，mGluR5 与许多神经性疾病关系密切，在神经性疾病的发病机制中发挥着重要的作用。更重要的是越来越多mGluR5 的药理学研究有助于使GluR 成为上述疾病的重要研究靶点，为神经性疾病的检测和治疗提供新的研究思路。

4.1 脆性X综合征

脆性X综合征（fragile X syndrome，FXS）是一种X 染色体携带的遗传性疾病，是仅次于唐氏综合征的智力低下疾病的最常见的遗传形式之一。FXS的主要特点是智力障碍、社交焦虑、注视逃避、感官防御、刻板动作和语言迟缓[23]。其致病原因是X 染色体上脆性X智力低下1基因（fragile X mental retardation 1 gene，FMR1）5′非翻译区三核苷酸CGG 重复数目异常增加引起的[24]。近年有研究发现，X染色体上脆性X智力低下蛋白（FMR protein，FMRP）是一种RNA 结合蛋白，参与蛋白质翻译的抑制作用。研究认为，在FXS 中，mGluR5 与RNA结合时活化mRNA的翻译，与FMR1的抑制作用相反[25]。因此，在正常情况下，大脑细胞中mGluR5激活的信号转导途径会被FMRP 控制或阻断。FMRP缺失时，mGluR5信号过度激活，促发过量突触蛋白合成，从而导致大脑神经元联系异常以及与FXS相关的行为及认知障碍。mGluR5与神经递质结合会引起新突触蛋白的合成，是一种对神经元信号传输起重要作用的受体。通过调节mGluR5激活和FMRP抑制之间的平衡，细胞合成正常水平的突触蛋白。大量研究表明，阻断mGluR5 的活性即可逆转FXS常见表型[26-27]。mGluR5参与学习记忆相关的突触可塑性的形成，包括长时程增强（longterm potentiation，LTP）和LTD。在海马、外侧杏仁核和新皮质区域，mGluR5是诱导LTP的关键，同时在LTD 过程中扮演重要角色。研究表明，FMR1 敲除小鼠在皮质和杏仁核中显示LTP的抑制，在海马和小脑中LTD 则表现为增强[28-29]。因此，mGluR5作为重要的疾病相关受体，其拮抗剂可作为FXS的治疗研究靶点。

4.2 亨廷顿病

亨廷顿病（Huntington disease，HD）是位于染色体4p16上的亨廷顿蛋白外显子1中CAG重复元件的延伸造成基因的突变而引起的常染色体显性神经变性病症。HD患者在临床发作时主要表现为运动功能障碍以及情绪和认知改变，伴随不自主运动直到疾病的晚期[30]。研究证明，mGluR5 的相关信号在HD模型小鼠中发生改变，由此推断mGluR5在HD疾病发生过程中扮演着重要的角色。研究发现，在HD 模型小鼠中，敲除或抑制mGluR5，HD的神经病理学特征都能得到改善，并且HD 模型小鼠自发性活动能力明显提高。已有研究表明，在HD模型小鼠激活mGluR5 会使Ca2+通道信号紊乱，细胞内Ca2+释放更加明显，这可导致兴奋性毒性[31-32]。mGluR5激活会激活细胞存活或增殖相关信号转导途径。如HD 中ERK 和蛋白激酶B（protein kinase B，AKT）活化水平明显高于正常神经元[32-33]。研究发现，mGluR5 PAM能激活AKT而不引起细胞内Ca2+浓度增加，可以保护纹状体神经元免受由浓度升高的谷氨酸N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid，NMDA）导致的兴奋性神经元细胞死亡；阻断AKT 导致PAM 介导的神经保护作用丧失[34]。重要的是，由于mGluR5 PAM对来自HD模型小鼠的纹状体神经元的神经保护及改善记忆缺陷的作用显示了PAM 作为可用于治疗神经退行性疾病的药物的潜力。因此，mGluR5可作为HD治疗的一个新的靶点，但其作用机制尚待进一步研究。

4.3 阿尔茨海默病

阿尔茨海默病（Alzheimer disease，AD）是进行性记忆丧失的痴呆类型疾病。在发病早期阶段会出现语言恶化，到后期阶段表达性语言障碍并且表现出认知功能下降。AD的病理学特征主要表现为由淀粉样前体蛋白（amyloid precursor protein，APP）水解而来的β 淀粉样（β-amyloid，Aβ）斑块沉积、tau蛋白过度磷酸化和神经纤维缠结，并伴随脑萎缩[35]。mGluR5 参与AD 的过程比较复杂，与FXS 有一定的联系。FMRP 对APP mRNA 的翻译过程有抑制作用，而激活mGluR5 会抑制FMRP 的作用。从而使APP 的表达量增加，导致Aβ 沉积[36-37]。研究证明，Aβ 与学习记忆相关，它能够抑制LTP 的早期和晚期，而mGluR5 阻断剂MTEP 可以阻断这种抑制作用。相反，提取AD 中可溶性Aβ检测小鼠海马中mGluR5 依赖性LTD，发现有增强作用。此外，由于mGluR5 本身与学习记忆联系密切，在AD模型小鼠中使mGluR5缺失，可改善小鼠的空间学习能力，且Aβ 明显减少[38]。同时，用MTEP 抑制mGluR5 可以增强AD 模型小鼠的行为能力[39]。研究者发现，在AD 模型小鼠中出现mTOR 磷酸化以及FMRP 蛋白表达增加。因此提出假设，Aβ 的增加是mGluR5 被激活后引起与mTOR磷酸化以及FMRP表达相关的正反馈，这也证明了mGluR5是通过FMRP来参与调控AD的病理过程[38]。因此，mGluR5 的抑制剂可作为AD 治疗的突破点进行进一步研究。

4.4 帕金森病

帕金森病（Parkinson disease，PD）是一种神经退行性疾病，在黑质致密部中多巴胺能神经元早期突然死亡导致运动障碍。这些运动障碍包括运动徐缓、肌强直、静止性震颤以及姿势和步态障碍[40]。非运动功能障碍包括嗅觉功能障碍、认知障碍、精神症状、睡眠障碍、自主神经功能障碍以及疼痛和疲劳。研究发现，mGluR5 可以通过基底神经节间的突触传递来影响PD 的疾病发生过程[41]。PD 模型中黑质纹状体的受损是由于激活纹状体mGluR5促进黑质纹状体多巴胺的释放引起的。已有实验表明，利用mGluR5 的拮抗剂如MPEP 可改善PD 模型的疾病表现，使多巴胺能神经元的异常放电减少，减缓空间记忆障碍[42-43]，利用mGluR5阻断剂还可明显改善线粒体与细胞核的损伤，从而提高PD 模型的运动能力。mGluR5 有降低乙酰胆碱（acetylcholine，ACh）水平的能力，因此通过调节ACh 和多巴胺之间的平衡对PD患者症状的改善有重要作用。mGluR5的表达量在PD模型大鼠海马区中显著下降。研究发现，添加NMDA 受体（NMDA receptor，NMDAR）的非竞争性拮抗剂后，mGluR5的表达上调，表明mGluR5 参与PD 记忆障碍的生理过程。因此，mGluR5 作为治疗PD 的一个新靶点，可以通过其激动剂与拮抗剂调节神经元间突触传递，从而达到缓解与治疗疾病的最终目的[44]。

4.5 精神分裂症

精神分裂症是一种复杂的中枢神经系统疾病。其症状包括隐形的刺激如视觉和听觉幻觉以及偏执的感觉。正常情绪减少或缺乏是消极症状的特征，包括抑郁和社交障碍。在精神分裂症中观察到的认知缺陷包括思想混乱和处理信息的能力下降。Glu能途径和信号传导参与精神分裂症的过程[45]。其中NMDAR 的信号传导过程除了相关神经兴奋性以外还涉及突触可塑性，与精神分裂症的认知缺陷有关。但NMDAR有时会发生过度激活而导致不良反应的产生，这样很难起到靶向的治疗作用。mGluR5通过结合支架蛋白与NMDAR进行物理相互作用，表明这些受体可能共同参与突触后的组织和信号转导[46]。利用mGluR5 激动剂可增强前脑区域的NMDAR 反应。此外，mGluR5 的选择性正向变构调节剂可以使mGluR5介导的海马锥体细胞NMDAR电流的增强[47]。mGluR5与学习记忆相关的突触可塑性的形成有着密切联系，因此对精神分裂症的认知功能也有着重要的作用。可见，激活mGluR5 不仅增强NMDAR 的作用，也可以独立改善认知障碍。近期研究表明，mGluR5 已成为治疗精神分裂症的潜在靶点，为今后的研究提供了新的思路。

4.6 药物成瘾

药物成瘾是药物反复作用于机体诱导大脑神经细胞引起适应性改变的慢性复发性脑疾病[48]。诊断标准包括失去对药物摄入量的控制，尽管有不良后果仍继续用药；以药物作用来替代对社会、职业和娱乐活动的参与，并出现耐受性增加或戒断症状。目前主要在中脑边缘多巴胺系统研究药物滥用的神经生物学机制。其中腹侧被盖区（ventral tegmental area，VTA）中的多巴胺能神经元可直接向前脑和边缘区域投射，如伏核（nucleus accumbens，NAc）、杏仁核和前额叶皮质（prefrontal cortex，PFC）[49-50]。由于谷氨酸能传递占中枢神经系统突触传递的＞70%，因此，在脑的许多环路中存在表达GluR的谷氨酸能突起和神经元，包括中脑边缘多巴胺奖赏通路。已有研究表明，VTA除多巴胺合成神经元，也有大量谷氨酸神经元，其中mGluR5大量分布于VTA，NAc 和PFC 神经元的突触后膜，具有非常重要的生理功能[51]。在Glu输入过程中，mGluR5可以通过影响Glu的释放与突触后的效应来直接或间接参与中脑边缘多巴胺系统的奖赏途径，从而改变对成瘾性药物的渴求与复吸行为[52]。研究表明，使用拮抗剂阻断mGluR5作用可以改善药物成瘾以及相关行为包括认知障碍。证明了mGluR5在药物成瘾中的作用，并且可作为一个新的研究治疗靶点。

5 结语

mGluR5 是重要的mGluR，在大脑中广泛表达，通过第二信使激活下游因子参与通道调节以及突触可塑性等生理功能。近年来，mGluR5 与一些神经性疾病，如PD[41]、AD、FXS[53-54]、精神分裂和药物成瘾等病理过程都有着密切的联系。研究发现，mGluR5参与神经性疾病的病理发生过程，与许多信号转导通路异常密切相关[55]。如FXS 中FMRP抑制mGluR5信号通路对突触蛋白功能的影响，HD mGluR5 过度激活会使PLC-IP3-DAG-Ca2+途径紊乱从而导致兴奋性毒性。目前对于mGluR5信号通路的研究已经取得了一些进展，但对mGluR5在神经性疾病发生过程中相关信号通路的调控改变仍然存在很多未知，而这类疾病多与学习记忆相关。很多神经系统疾病都会出现学习记忆受损及认知障碍的现象。研究表明，mGluR5 在啮齿类动物模型中是空间和学习等记忆形成的关键，对认知障碍起调节作用[56]。mGluR5参与和学习记忆相关的突触可塑性的形成，包括LTP 和LTD[57]。已有研究证明，在PD 以及精神分裂症中mGluR5可独自改善认知障碍。这些证据显示，在海马区域mGluR5 是诱导LTP 的关键[58-59]，同时在调节不依赖NMDA受体的LTD过程中扮演重要角色。因此，对mGluR5的作用机制以及和突触可塑性相关方面进行深入研究，对神经性疾病的治疗具有重要意义。

综上所述，在一些神经系统疾病发展过程中，由于mGluR5的过度激活或被抑制导致兴奋性传递以及突触可塑性的异常，从而出现相应的病理症状。已有很多实验表明，mGluR5 激动剂或抑制剂对一些疾病的兴奋性异常以及认知障碍症状有一定的改善作用。由此可见，mGluR5 的药理学作用对于相关神经性疾病的治疗有着至关重要的作用。因此，研究mGluR5 在中枢神经系统的功能及其药理学作用，开发和应用一些高选择性激动剂和拮抗剂，可以推动mGluR5 与中枢神经系统疾病的研究进展，为神经系统疾病的治疗提供思路，从而最终达到治疗疾病的目的。