树突棘与神经相关疾病

薛 华 马英杰 赵东芹

( 山东师范大学生命科学学院，山东省动物抗性生物学重点实验室，250014,济南 )

树突棘(dendritic spine)是形成突触的关键部位，有丝状伪足型(filopodia)、细长型(thin)、蘑菇型(mushroom)以及短粗型(stubby)四种形态(图1)，其中前两种是树突棘的不成熟状态，其突触后致密物中含有N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)，与学习行为相关；而后两种为成熟型树突棘，突触后致密物中富含α-氨基-3羟基-5甲基-4异恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate receptor，AMPAR)，与记忆存储功能相关.

图1 树突棘类型(参照Zhang H和 Muhammad U G修改)A. 用TD-Tomato荧光蛋白观察野生型小鼠海马初级神经元的树突棘形态.箭头示丝状伪足型；菱形示细长型；三角形示蘑菇型；梯形示短粗型[1].B.手工绘图.丝状伪足型树突棘有长脖子而没有头；细长型树突棘有长脖子和小脑袋；蘑菇型树突棘有长脖子和大的球状头；短粗型树突棘没有脖子或短脖子[2].

树突棘形态的维持依赖于其内富含骨架蛋白的棘器(spine apparatus).在神经活性因子诱导下能观察到非成熟树突棘与成熟树突棘的双向变化过程，代表着突触结构可塑性的变化[3].树突棘形态的细微改变可以对神经环路的连接模式以及随后的认知行为产生显著影响.多种疾病如癫痫、神经退行性病变等常都会表现出树突棘形态与结构的改变，进而影响突触的正常功能，出现行为认知功能障碍.因此，改变树突棘形态成为了疾病治疗的一个新研究方向，本文就树突棘与各类神经相关疾病的关系进行综述.

1 树突棘与阿尔茨海默症(Alzheimer′s disease)

阿尔茨海默症(Alzheimer′s disease，AD)，是老年人常见疾病，主要表现为记忆、理解、推理、计算和抽象思维等多种认知功能减退，对患者及家人的正常生活造成不良影响.阿尔茨海默症认知功能失常的最直接病因是突触连接的损坏和神经元的萎缩[4].蘑菇树突棘结构对记忆存储至关重要，蘑菇树突棘的缺失可用来解释AD记忆功能障碍.在体和离体AD动物模型均表明，海马神经元蘑菇状树突棘均有丢失的现象[5]，同时在认知行为异常之前可观察到蘑菇状树突棘向细长型树突棘的转变过程[6].AD患者前额叶锥体神经元蘑菇状和细长型树突棘的密度也较正常人显著性减少[7].

研究表明，蘑菇型树突棘的结构和功能与Ca2+相关蛋白有关[1].基质相互作用分子-2(stromal interaction molecule-2, Stim2)参与的神经元Ca2+流入途径(neuronal-store-operated calcium entry，nSOC)参与蘑菇型树突棘稳定性的调控，在AD小鼠模型、老化神经元和散发性AD患者中，均发现Stim2蛋白表达下调，Stim2-nSOC-CaMKII(Ca2+/钙调素依赖的蛋白激酶)通路受到损害.此外，AD的发病机制还与受损的Ca2+内环境平衡有着密切的关联，细胞外淀粉样蛋白(Amyloid-β，Aβ)可以形成细胞膜上的Ca2+渗透孔，Ca2+内流增加，并进一步使Aβ含量增加，形成正向前反馈，驱动AD病理改变.瞬时受体电位trp通道(transient receptor potential channels，TRPC)是一种受G蛋白调控的重要Ca2+内流通道.G蛋白活化导致PIP2水解为三磷酸肌醇(inositol trisphosphate，IP3)和二酰基甘油(diacylglycerol，DAG)，IP3与受体结合，并启动内质网(endoplasmic reticulum，ER)中Ca2+释放，从而清空Ca2+池，随后Stim1蛋白易位到ER-PM( plasma membrane，PM)结点，并与TRPC和一些电压门控Ca2+通道相互作用，以调节Ca2+流入.Ca2+流入胞内后，激活钙调蛋白依赖激酶CaMKIV及其下游的转录因子环磷腺苷效应元件结合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)，启动一系列基因转录，进而促进树突棘发育.其中TRPC6是TRPC家族中的一员，受CaMKIV-CREB信号通路的调控，参与大鼠海马神经元树突棘的形成调节过程，因此TRPC6也许可以作为治疗AD的靶位点[8].

同时，Kommaddi R P等证实，正是由于突触部位丝状肌动蛋白(F-actin)的解聚导致了AD小鼠模型中树突棘丢失[9].随着双光子及PET成像技术的发展使得在活体情况下观察大脑树突棘结构成为可能，通过药物干预来稳定蘑菇状树突棘或促使树突棘完成重塑过程也已成为AD治疗研究的新方向.

2 树突棘与帕金森病(ParkKinson′s disease，PD)

帕金森病(ParkKinson′s disease，PD)患者及PD动物模型表现出认知和包括运动迟缓、静止性震颤、肌肉僵直和姿势步态异常等运动功能障碍.黑质多巴胺信号通路异常导致基底神经节环路变化是帕金森病的主要神经病理特征.近年研究发现，帕金森病模型纹状体投射神经元树突棘的密度、形态及超微结构均发生了复杂的变化，用高尔基染色法检验帕金森病患者纹状体神经元，发现树突萎缩以及树突棘丢失现象，这种变化在PD动物模型中也得到了证实[10].

树突棘丢失与纹状体谷氨酸能突触总数量相应减少的现象并存，说明PD状态下与丢失的树突棘相连接的谷氨酸能突触前膜可能发生皱缩或变性.在PD模型中发现，纹状体内树突棘体积显著增加，棘器的长度和体积大幅度增加，呈片段化，并显著延伸到树突棘的头部，直至到达突触后致密区[11].

中高强度跑台运动可以增加PD模型大鼠纹状体内树突棘的密度、树突长度和分枝等[12].目前认为，运动可能通过增加纹状体包含GluR2亚基的AMPARs表达，降低Ca2+内流和抑制Glu的驱动作用，进而达到逆转纹状体树突棘丢失和改善PD病人行为功能障碍的治疗效果.

3 树突棘与癫痫(epilepsy)

癫痫(epilepsy)是慢性反复发作性短暂脑功能失调综合征，是神经系统常见疾病之一.神经元突触重塑及病理性电兴奋神经环路形成是癫痫形成最重要的病理改变.研究发现慢性癫痫模型中树突棘密度较正常明显增加，且是丝状伪足及细长型非成熟型树突棘较正常明显增加所致，蘑菇型成熟型树突棘反而较正常明显减少[13].癫痫患者棘波灶皮质树突病变显著，屈曲变性，病变严重者树突变得粗细不均，或呈串珠状，多数树突失去分枝，血管周围树突排列紊乱.使用海人酸(kainic acid，KA)或戊四氮(pentetrazol，PTZ)诱导大鼠短暂癫痫后发现大鼠齿状回颗粒细胞树突发芽，树突总长度、树突分支点数及树突野的最大伸展距离等均较对照组减少，树突棘密度也明显降低.

Frmpd2在癫痫模型突触重塑过程中发挥了重要功能[14].Frmpd2是一种支架蛋白，特异表达于成年海马、皮质神经元突触后膜区域，通过其PDZ2结构域，将NMDAR的NR2A亚基锚定与质膜，从而增强突触NMDAR兴奋性传递，同时还可通过其Ferm结构域结合F-actin，促进成熟树突棘数量增多，最终有效调控海马神经元的兴奋性，增强癫痫的易感性.

4 树突棘与缺血性脑中风(ischemic hemispheric stroke)

缺血性脑中风(ischemic hemispheric stroke)是指由于脑的供血动脉狭窄或闭塞、脑供血不足导致的脑组织坏死的总称，是一种脑血管疾病.Corbett D等对沙鼠进行双侧颈动脉闭塞处理，发现与假手术动物和只接受两次预处理的动物相比，耐受10 d、 30 d的沙鼠海马一区(CA1)神经元树突棘密度显著增高.当树突棘密度降低时，实验组沙鼠最初表现出野外适应障碍，但随着时间的推移，CA1树突棘密度会增加，沙鼠行为障碍逐渐减弱，表明树突棘可能在缺血性耐受和中风相关的功能恢复中发挥作用[15].

此外，研究表明暴露于谷氨酸激动剂NMDA中的大鼠海马神经元树突棘密度明显降低[16].NMDA受体通过α-肌动蛋白与肌动蛋白细胞骨架相连，从而将NMDA受体锚定到actin细胞骨架上.根据HalpainS等人报道，在脑缺血的过程中，兴奋性氨基酸会过度激活NMAD受体，诱发树突棘内钙离子浓度上调，进而与钙调神经磷酸酶(calcineurin，CAN)一起发挥作用，促进树突棘内F-actin的解聚，从而诱导树突棘发生萎缩、消失等现象[17].

同时，脑缺血可诱导大脑皮质神经元释放尿激酶型溶酶原激活剂(Urokinase-type plasminogen activator，uPA)，而uPA可驱动急性缺血性损伤的恢复期重新产生丝状伪足型树突棘.单体肌动蛋白(G-actin)和F-actin是树突棘的主要细胞骨架成分，uPA与其受体结合后，诱导了前纤维蛋白(profilin，PFN)在树突棘中的快速积累和丝切蛋白(cofilin，CFL)在树突棘中的失活，PFN会诱导树突棘的棘头端肌动蛋白的聚合，而CFL则诱导肌动蛋白从树突棘棘头端的解聚.因此，用uPA处理后，肌动蛋白池中的G-Actin聚集形成F-actin，F-actin可重新分布到需要形成树突棘的部位，进而促进树突棘的恢复和急性缺血性损伤的恢复[18].

5 总结与展望

树突棘的出芽、生长、成熟和消退等系列动态变化代表了神经环路形成及重塑的过程，对脑环路的精确调控和脑功能的成熟稳定具有重要意义.而树突棘的生长和消退过程受一系列复杂的信号通路调控，涉及的蛋白主要有GluR、RhoGTP家族、Diacylelycerol(DAG)、Drebrin、Eph/ephrin、NMDAR等，这些蛋白或单独作用或相互依赖协调行使功能，通过不同的信号途径调控树突棘的形态结构，进而完成对正常生理活动的调控.单一通路的缺失，还可以通过对其它通路的激活得到补偿，这对于维持正常的生理功能、认知与学习记忆以及抵御某些疾病具有重要意义.