谷氨酸转运体的结构、功能及其在神经精神疾病中的作用

代毅聪，陈凤容，王昆华

（1）国家卫生健康委员会毒品依赖和戒治重点实验室，云南昆明 650032；2）昆明医科大学附属第一医院胃肠与疝外科，云南昆明 650032；3）云南省消化疾病防治工程技术研究所，云南昆明 650032；4）昆明医科大学第一附属医院科研实验中心，云南昆明 650032）

谷氨酸（glutamate，Glu）是中枢神经系统（Central nervous system，CNS）中主要的且最丰富的兴奋性神经递质，其在哺乳动物体内参与大多数兴奋性突触活动，在神经发育、突触可塑性、学习与记忆[1]、感觉、心血管和神经内分泌控制及运动和其他生命功能活动有重要作用[2]。目前已知谷氨酸转运体有两种类型:高亲和力转运体（即兴奋性氨基酸转运体，excitatory amino acid transporters，EAATs）和低亲和力转运体（即囊泡谷氨酸转运体，vesicular glutamate transporters，VGLUTs）。储存在囊泡中的Glu 通过低亲和力转运体的摄取系统胞吐释放，激活快速作用的兴奋性，离子感受器和缓慢作用的变性感受器进而介导神经传递。位于神经元和胶质细胞质膜上的高亲和力转运体可迅速终止谷氨酸的作用，并将其细胞外浓度维持在兴奋毒性水平以下。形成神经元与胶质细胞之间的“谷氨酸-谷氨酰胺循环”，由此可以看出，谷氨酸转运体在机体生命活动中发挥着重要作用。越来越多证据表明：兴奋性毒性与各种神经系统疾病相关，包括肌萎缩性脊髓侧索硬化症（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、阿尔茨海默病（alzheimer's disease，AD）、帕金森病（parkinson's disease，PD）、锰中毒、精神分裂症、癫痫和自闭症等。本文在简要介绍两种谷氨酸转运体的基础上，将重点阐述谷氨酸转运体与神经精神疾病（包括成瘾）方面的研究进展。

1 谷氨酸转运体分类和功能

1.1 高亲和力谷氨酸转运体

EAATs 是位于神经元和神经胶质细胞膜上的糖蛋白。其一方面参与突触兴奋性信号的传递，另一方面在细胞外谷氨酸再摄取、保护神经元免受兴奋性毒性损害等方面发挥重要作用。早在1992 年至1997 年，学者[3]陆续发现5 种EAATs：GLAST（L-glutamate-L-aspartate transporter，或EAAT1）、GLT-1（glutamate transporter-1，或 EAAT2）、EAAC1（excitatory aminoacid carrier-1，或EAAT3）、EAAT4 和EAAT5。近些年，GLT-1 具有功能性的，但很少量的剪切变异体被发现GLT-1a、GLT-1b/GLT-1v 和GLT-1c。

SLC1A3 基因位于5 号染色体上编码的GLAST/EAAT1 主要表达于小脑，在脊髓、前脑、内耳及视网膜等处也有少量表达[4]，GLAST/EAAT1在发育阶段高表达[5]。GLAST 在预防兴奋性毒性神经元方面起着关键作用。

GLT-1/EAAT2 由SLC1A2基因编码，GLT-1/EAAT2 的mRNA 也仅在脑内表达，分布较广泛，在海马、大脑皮层和纹状体中均有较高表达，而在小脑表达量极微[6]。GLT-1/EAAT2 是成人大脑中突触谷氨酸梯度的关键介质，也是星形胶质细胞主要的谷氨酸转运蛋白，其突触中谷氨酸清除率90%以上[7]。GLT-1/EAAT2 水平与星形胶质细胞中谷氨酸脱氢酶（Glutamate dehydrogenase，GDH）活性相关，表明GLT-1/EAAT2 在谷氨酸-谷氨酰胺突触循环中起关键作用[5]。有报道称，在海马发育的体外模型中，星形胶质细胞GLT-1/EAAT2 表达与神经元活动密切相关[8]，表明神经元与胶质细胞之间的动态相互作用参与了脑发育过程中突触谷氨酸的稳态维持。

与其他EAAT 亚型相比，EAAC1/EAAT3 由SLC1A1基因编码，在皮质早期发育阶段高表达[9]。尽管GLAST/EAAT1 和GLT-1/EAAT2 是主要的中枢神经系统突触谷氨酸转运蛋白，EAAC1/EAAT3也称为兴奋性氨基酸载体，广泛表达于海马CA1-CA4 区和皮质锥体细胞层，尤其是在突触后膜上[10]。在成人大脑的胶质细胞GLAST/EAAT1 和GLT-1/EAAT2 与神经元EAAC1/EAAT3 之间目前尚未发现存在相互作用[11]。

研究表明[12]，人EAAT4 基因（SLC1A6）定位于19 号染色体，小鼠基因（SLC1A6）定位于10号染色体的中心体区域。而人EAAT5 基因（SLC1A7）定位于1号染色体，小鼠基因（SLC1A7）定位于4 号染色体。EAAT4 局限于小脑蒲肯野细胞表达[13]。EAAT5 则局限于视网膜的神经元和胶质细胞上，表达于光感受器、双极细胞、无长突细胞等[14]。

1.2 低亲和力谷氨酸转运体

VGLUTs 分布于囊泡膜上，能够特异地将突触囊泡外的Glu 转运进入并突触囊泡内，还能通过突触囊泡和质膜融合将谷氨酸转运到突触前囊泡中，在突触活动中启动胞吐[15]。

SLC17家族编码三个VGLUTs 的基因分别位于人类不同的染色体上，SLC17A7编码VGLUT1 定位于19q13，mRNA 表达在端脑、小脑颗粒层、小脑前核和内侧缰核[16]。SLC17A6编码VGLUT2 定位于11p14.3，mRNA 表达主要集中在间脑和下脑干[17]。研究发现[17]，VGLUT1 和VGLUT2 可明确地标记谷氨酸能神经元，它们被认为是谷氨酸能神经元最可靠的标记。通过轴突末端的多重免疫荧光或体细mRNA 的原位杂交确认在这些区域中，VGLUT1和VGLUT2 的神经元共表达很少见[18]，而互补分布模式在大脑中无所不在。VGLUT1 和VGLUT2 在大多数兴奋性突触上保证了谷氨酸的囊泡摄取。VGLUT3 亚型与其他两种VGLUTs 具有相同的结构和功能特征[19]。

SLC17A8编码VGLUT3 定位于12q23.1，在非常有限的神经元中表达，通常表现出双重神经递质特异性。其mRNA 表达分布主要于中缝背侧核、松果体核、下丘脑、嗅结节[20]和耳蜗内感觉毛细胞的谷氨酸能神经元亚群中[21]。与VGLUT1 和VGLUT2 相比不同，VGLUT3 主要标记、识别非谷氨酸能的神经元，即5-羟色胺能、胆碱能或氨基乙二酸能。VGLUT3 出现在大鼠海马和新皮质GABA能抑制性突触末端[22]，同时也在外周组织中出现。通过免疫电镜显示VGLUT3 存在于星形胶质细胞中，在突触周围和毛细血管末端也有分布。因此，VGLUT3 同VGLUT1 和VGLUT2 具有转运Glu 进入突触囊泡的功能，但是由于VGLUT3 表达和分布的特性使得其不能成为谷氨酸能神经元的标志。

2 谷氨酸转运体在疾病中的表现

2.1 神经退行性疾病中高亲和力谷氨酸转运蛋白的损伤

EAATs 与神经退行性变的关系密切。研究显示EAATs 失调与AD、PD、ALS、癫痫和锰中毒等多种神经系统疾病的发病机制密切相关。

谷氨酸介导的兴奋性毒性神经元死亡与AD 病理相关，表明GLAST 和GLT-1 的失调影响AD 的发病机制。AD 患者的临床研究显示，GLT-1 的缺失与AD 的病理特征有关[23]。AD 实验动物模型表明，与野生型对照组相比，丢失GLT-1 等位基因的AD 小鼠模型表现出加速的认知能力下降，而GLT-1 过表达在转基因小鼠中减弱了AD 相关的认知能力缺陷[23-24]。特异性激活剂对AD 小鼠GLT-1功能的药理学恢复也减轻了认知功能缺陷，提示GLT-1 在AD 的认知功能和神经保护中发挥重要作用[23]。

在帕金森病人群中发现PD 患者血小板中的谷氨酸摄取减少了50%[25]，其疾病严重程度和症状也与谷氨酸摄取减少有关。暴露于6-羟多巴胺的PD 大鼠模型，纹状体GLT-1 表达降低[26]。在PD小鼠模型中，GLT-1 的异常泛素化导致GLT-1 表达降低和运动功能缺失，同时伴有DA 细胞丢失[27]。综上所述，GLT-1 发现提示GLT-1 在PD 的发病机制中起关键作用。

ALS 的机制目前尚不清楚，但越来越多的证据表明，谷氨酸介导的兴奋性毒性与ALS 的发病机制密切相关[28]。对ALS 患者的尸检证实了转基因ALS 小鼠GLT-1 减少的结果[29]。ALS 小鼠模型中SOD1 的基因突变显示GLT-1 的减少[30]。此外，β-内酰胺类抗生素治疗SOD1小鼠可缓解运动症状和延长生存期[31]。这些结果提示GLT-1 的失调与ALS 的发病机制密切相关。

在癫痫发作前，海马细胞外谷氨酸水平显著升高[32]。另有报道GLT-1 过表达可减轻毛果芸香碱诱导的复发性癫痫，并阻止GLT-1 转基因小鼠诱发的神经元死亡[33]。表明GLT-1 在癫痫发病机制中发挥重要作用。此外，抗癫痫药可逆转GLAST/GLT-1 降低[34]。提示GLAST/GLT-1 可能是治疗癫痫的靶点。

长期过量接触锰会导致一种被称为锰中毒的神经系统疾病，其病理特征与偶发性PD 相似[35]。锰可以诱导多巴胺能神经毒性，并伴有GLAST/GLT-1 功能障碍[34]。锰的神经毒性也被认为协助AD、PD、ALS、精神分裂症和癫痫等神经退行性疾病的发展。

2.2 低亲和力谷氨酸转运体异常与疾病相关

VGLUTs 是减弱谷氨酸神经传递的理想靶点，降低其活性会减少谷氨酸在突触囊泡中的储存及其随后的释放，可能有助于治疗神经退行性疾病，如ALS、AD 和亨廷顿病，以及癫痫和疼痛的治疗。一些化合物可以阻止突触囊泡对谷氨酸的摄取，但其功效可能受到中枢神经系统和突触囊泡的限制。动物模型证明VGLUTs 是囊泡积累和谷氨酸突触释放所必需的。SLC17A7 基因敲除小鼠通常只能活到断奶，而通过积极的照顾，存活下来的动物是盲的[36]。SLC17A6 敲除小鼠在出生时即死亡，但是对野生型和条件性SLC17A6 敲除的研究表明VGLUT2 在记忆、疼痛、瘙痒和奖赏方面的作用[37]。SLC17A8 基因敲除小鼠失聪，并有癫痫发作和痛觉改变。在人类疾病方面，SLC17A8 的突变与DFNA25 位点的非综合征性耳聋有关[38]。该疾病是一种常染色体显性遗传，SLC17A8 基因缺失的小鼠听力正常，表明该突变表现为显性负性[21，38]。

3 谷氨酸转运体功能障碍与精神疾病的关系

谷氨酸在关键神经回路中的传递在成瘾相关行为（包括运动敏化和药物寻求）的启动和表达中起着关键作用。在甲基苯丙胺[39]、酒精和海洛因[40]给药后，谷氨酸受体包括蛋白质和基因表达的改变也有报道。在动物实验中，甲基苯丙胺[41]、可卡因[42]均可使细胞外谷氨酸水平升高。上述表明摄入精神刺激剂与大脑的谷氨酸释放增强有关[43]。此外，药物诱导的神经可塑性通过长时程增强[1]参与成瘾药物戒断后恢复觅药行为，即复吸[44]。综上所述，细胞外谷氨酸受大脑不同区域谷氨酸转运蛋白的调控，谷氨酸转运体在调节谷氨酸水平方面发挥重要作用。

3.1 谷氨酸转运体功能紊乱在酒精成瘾的机制

研究指出[45]，急性酒精暴露会降低细胞外谷氨酸浓度，而慢性酒精暴露则会增加细胞外谷氨酸浓度。长期接触酒精导致谷氨酸输出功能增加，而且还可导致谷氨酸转运能力受损。研究表明，大鼠长期暴露于酒精，大脑皮层谷氨酸转运减少[46]。而酗酒者尸检的基底外侧杏仁核中GLAST 和GLT-1 水平显著下降[47]。长期暴露于高剂量的酒精会降低EAAT3 和EAAT4 的活性[48]。然而，大鼠慢性摄入酒精EAAT1 和EAAT3 在顶叶皮层的表达没有变化，EAAT2 在高剂量酒精喂养的大鼠中表达下调[48]。在尸体前额叶皮层样本中，EAAT1 的表达在酗酒者中显著升高，这表明神经适应可能发生，从而逆转细胞外谷氨酸水平的升高[49]。

酗酒还会改变VGLUTs 在大脑中央奖赏区域的表达，尤其是在伏隔核。在反复剥夺酒精后[50]，大鼠伏隔核区VGLUT2 选择性升高，但作为大脑认知回路一部分的VGLUT1 水平的表达保持不变。这表明携带谷氨酸的VGLUT2 神经元数量的增加与伏隔核中多巴胺与谷氨酸比例的显著变化有关。

3.2 谷氨酸转运体功能紊乱在药物成瘾的机制

在实验动物中，甲基苯丙胺给药后海马内的神经元转运体EAAT3 增加。大鼠大脑皮层VGLUT1和纹状体VGLUT2 基因表达增加[51]。使用头孢曲松可抑制与甲基苯丙胺有关的亢奋，还可抑制安非他明诱导的大鼠行为敏化[52]。

另有报道[53]，吗啡急性处理时VGLUT1 下调；慢性处理时EAAT2 的表达下调，而VGLUT1 的表达上调。EAAT2 是调节线索诱导的可卡因觅药行为的关键因素，这意味着EAAT2 基因参与药物依赖及其相关精神病提供了证据。

3.3 谷氨酸转运体功能障碍对行为认知的影响

研究表明[54-55]，谷氨酸转运体功能障碍是导致抑郁症的病理生理学基础。脑室内灌注星形胶质细胞谷氨酸再摄取抑制剂二氢红藻氨酸可使大鼠产生抑郁行为[56]，提示谷氨酸摄取功能紊乱在抑郁症的病理生理中起重要作用。

Zink 等[57]研究发现，海马和大脑皮层胶质谷氨酸转运蛋白EAAT2 的表达明显受到抑制。EAAT4和VGLUT1 的表达水平降低，但GLAST 和EAAT3的转录水平没有明显变化。有报道[42]，慢性不可预知性应激（chronic unpredictable stress，CUS）可降低大鼠海马的GLT-1 水平。而慢性给药GEBR-7b可逆转CUS 诱导的GLT-1 的下调，其抑郁样行为改善，在一定程度上是通过调节大鼠海马内GLT-1 的水平来实现的。

EAATs 失调与精神分裂症有关。精神分裂症患者EAAT1 表达降低[58]，EAAT2 基因变异与精神分裂症的严重程度相关[59]。在转录水平上，精神分裂症患者大脑中EAAT2 的N-糖基化水平降低[60]。总之，EAAT1/2 可能参与了精神分裂症的发病机制。

GLT-1 表达失调改变了谷氨酸从突触间隙清除能力，导致自闭症动物模型的发病机制[61]。GLT-1 的缺失导致小鼠突触过度兴奋和病理重复性行为，提示GLT-1 在调节皮质突触中发挥重要作用[62]，且可能存在联系，这值得进一步探索。

4 小结

EAATs 的发现在神经科学的研究中对谷氨酸的传递深入研究获得了突飞猛进的进展。本课题组在前期研究结果提示通过调节GLT-1 改善甲基苯丙胺戒断期焦虑症状，在后续研究中我们以谷氨酸转运蛋白为靶点，更好地治疗药物依赖和复发。随着VGLUTs 的深入研究，对CNS 中谷氨酸的精细调控的理解更进一步，同时它们作为标志物的特性则为探索CNS 重要高级功能，如认知功能、情绪和药物依赖等提供了准确和有力的工具。在疾病模型中观察到的转运蛋白功能失调的具体途径，从而导致对疾病的发病机制有更好的理解。谷氨酸转运蛋白的药物靶向化是一个开阔的探索方向，它将扩展笔者对高级功能障碍的理解，并有助于识别潜在的治疗靶点，尤其是作为药物靶标用于开发治疗谷氨酸能系统相关疾病的药物具有重要价值。