GluRs 介导的神经突触内级联反应对视神经元可塑性调节机制的研究进展

阚丽丽, 刘安国, 孙 燕, 王 觉, 马重兵, 严兴科

（1. 甘肃省中医院痹病科，甘肃 兰州 730050；2. 甘肃中医药大学针灸推拿学院，甘肃 兰州 730000）

谷氨酸（glutamate，Glu）是中枢神经系统中常见的神经递质，在大脑中分布广泛，借助于不同亚型谷氨酸受体（glutamate receptor，GluRs） 的激活参与许多重要的神经生理功能，如调控神经兴奋性传导，参与感觉传导和药物成瘾等生物学过程［1］。在视功能传导方面，Glu 已被证实是视网膜到外侧膝状体再到视皮层投射轴突末梢主要的兴奋性神经递质，与视觉通路的兴奋性传导和视功能的正常发挥有密切关联［2］。研究［3］表明：在形觉剥夺性弱视、斜视性弱视、视网膜病变和青光眼等眼科疾病的发病过程中，不同亚型GluRs 广泛参与了视神经元的存活、发育、分化、成熟和视神经信号突触传递效率的改变，包括长时程增强（longterm potentiation，LTP） 和 长 时 程 抑 制（longterm depression，LTD） 的 过 程。由 此 可 见，GluRs 激活后介导的神经突触内级联反应过程增强，可能在视神经突触结构和功能重塑环节中发挥着至关重要的作用［4］。但是，当前围绕GluRs 如何介导视神经传递效率的改变和视功能重塑的具体分子机制尚未完全阐明。现结合近年来国内外相关研究进展，从大脑视觉中枢神经元突触膜上不同亚型GluRs 入手，重点阐述了视觉剥夺后视皮层神经突触内基于GluRs 激活后介导的可塑性调节级联反应机制。

1 基于LTP 和LTD 现象的视功能重塑改变

视觉是一种神经电传递活动，借助于足量的神经递质，如儿茶酚胺（catecholamine，CA）、γ-氨基丁酸（aminobutyric acid ，GABA）、Glu 和多巴胺（dopamine，DA）等来实现的。视功能在视觉发育关键期内具有明显的可塑性，表现为短期的突触可塑性变化和长期的突触可塑性变化［5］。其中，短期突触可塑性主要指突触传递一过性的易化和抑制效应，而长期突触的可塑性变化表现为LTP 和LTD 过程。在视功能重塑方面，视神经元突触结构和功能的改变，决定了增强或者减弱双眼活动区域及视觉信号传递效率的变化。健侧眼增强了视皮层的反应活动（突触连接在接受一定量信号刺激后的传递效能增强）称为LTP 现象；而剥夺眼降低了视皮层的反应活动性（突触连接在未接受刺激的神经信号通路上诱发的持续性电位减弱现象）称为LTD 现象［6］。研究［7］表明：在视觉可塑性关键期内进行有效的干预治疗，可引起视神经突触后膜对应的不同亚型的GluRs 被激活，开放特定类型的离子通道，引起细胞内离子浓度变化和一系列的小分子及蛋白的转录、表达和合成，从而诱发LTP 和LTD 现象的产生。

近年来研究［3］显示：LTP 的诱导机制可能与Glu 激活突触后膜上不同亚型GluRs 后介导的神经突触内级联反应过程密切关联。Glu 与突触后膜N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid，NMDA） 受体结合后，导致离子通道改变，先引起大量Ca2+内流，使细胞内Ca2+浓度增大，继而引发细胞内一系列的级联反应，从而产生LTP 现象；而LTD 的产生可能与抑制性GluRs 的激活后引起细胞内Ca2+浓度降低和突触mRNA 异常表达有密切联系。因此，在突触膜上不同亚型GluRs 层面揭示视功能可塑性变化的LTP 与LTD 机制，将为弱视中枢发病机制研究提供重要的参考依据。

2 离子型GluRs（ionotropic GLuRs，iGluRs）介导的视功能重塑机制

GluRs 主要分为iGluRs 和代谢型GluRs（metabotropic GluRs，mGluRs）2 大类。iGluRs 分为NMDA 受体和非NMDA 受体，而mGluRs 又包括mGluR1～mGluR8共8 种亚型。其中，NMDA 受体是iGluRs 中最常见、最主要的一种亚型，现已知其至少存在7 个亚单位，即1 个NR1 亚型、4 个NR2 亚型（NR2A、NR2B、NR2C 和NR2D） 和2 个NR3 亚型（NR3A 和NR3B）［8］。

2.1 NMDA 受体对视皮层功能发育的调控首先，视功能优势柱的改变和视觉剥夺损伤对视皮层NMDA 受体的组成和生物学功能具有双向的调节作用。PHILPOT 等［9］研究发现：在幼龄猫视皮层2/3 神经元轴突上的NMDA 受体数量与视功能改变是相互依赖的，不良的视觉刺激可以减少NR2B 的受体比例，缩短NMDA 受体介导的突触内神经电活动持续时间，而视觉剥夺性损害则发挥相反的NMDA 受体调控效应。NMDA 受体比例的增减和视觉环境刺激的相互依赖共同调节着视皮层组织特定区域的功能发育。另外，DOTIGNY 等［10］研究发现：胆碱能途径的神经信号转导也与NMDA 受体的分布类型具有协同作用，其共同表达与激活是视皮质发生可塑性改变的首要条件。

不同的NDMA 受体亚型，可能在视神经元可塑性调节机制中的作用不尽相同。LALO 等［11］研究发现：NR1 受体特异性地分布于正常视神经元细胞膜、轴突及树突棘不对称的突触后膜致密物质（postsynaptic desities，PSDs）上。李辰宇等［12］对幼龄猫的视皮层研究发现：NMDA 受体中的5 种亚型mRNA 在不同视功能层均不同程度地表达。NR1 在所有视皮层的表达水平最高，NR2A 在Ⅲ层和Ⅳ层表达较高，NR2D 在Ⅴ层和Ⅵ层处于中等表达水平，而NR2B 和BR2C 在视觉中枢表达较弱。由此可见，NR1 是NMDA 受体的主要功能部分，在大脑皮层广泛分布，可能与神经元的发育过程密切相关，而突触后膜上的NR1 受体分布也与视觉发育有密切关联。NAGAYACH 等［13］研究发现：N-R1 受体与神经发育的先后顺序和神经发育的时间调节有密切关系，表现为相关基因的表达调节诱发视神经早熟或神经发育加速现象。阴正勤等［14］研究表明：NMDA 受体介导的突触内级联反应过程参与了视皮层第Ⅳ层外侧膝状体至视皮层的视觉信号输入调控，NMDA 受体神经元比非NMDA 受体神经元对外侧膝状体的信号传导抑制更敏感。

2.2 NMDA 受体诱发LTP 的产生NMDA 受体激活后诱发LTP 产生的可能性机制：一定强度和频率的电刺激，可使Glu 能突触的后膜去极化，移开阻止Ca2+内流的Mg2+，使NMDA 受体复合通道的Ca2+通道开放；以离子通道闸门控制Na+和K+的流动，导致突触膜两侧Na+和K+的通透性增加。当Ca2+大量进入细胞内时，可作为第二信使继续激活相关依赖Ca2+的蛋白激酶（protein kinase，PK）类，进而产生细胞内可塑性变化的生物学效应，最终改变突触后膜性质，建立了突触传递的LTP 过程［15］。在强刺激电流之前30 min 内应用NMDA 的拮抗剂2-氨基-5-磷羟基戊酸（APV）或NMDA 受体的拮抗剂氯胺酮，可阻断兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic current，EPSC） 的 产生［16］，并且可以阻断单侧形觉剥夺动物非剥夺眼优势的形成，使视皮层的可塑性降低［17］。由此推断，NMDA 和不同亚型的NMDA 受体可能参与了视神经元突触可塑性调节过程，NMDA 受体主要介导了神经突触EPSC 的产生，而氯胺酮能够干扰视皮层神经信号在突触的传递效率。

以往的研究证实了视皮层高频电刺激诱发的LTP 现象必须依赖于NMDA 受体。但是近年来又有研究［18］表明：大鼠视觉发育关键期内视觉中枢Ⅳ层水平联系突触中存在不被APV 阻断的LTP 现象产生。同时，LAH 等［19］研究也证实：大鼠视皮层Ⅴ层抑制性突触的LTP 不能被APV 阻断，但可以被GABAB 受体拮抗剂阻断。产生这种现象的原因可能与突触后神经元内源性储存Ca2+释放有关。NMDA 受体激活只是产生LTP 过程的中间环节，必须进一步引起突触内Ca2+浓度的增加及细胞内一系列的级联反应机制才可以诱发LTP 产生。

非NMDA 型受体主要是以α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazopropionic acid，AMPA）为代表。相关研究［20-21］证实：分布有AMPA 受体的神经突触通路的激活也是构成LTP 的重要机制。AMPA 受体生物学功能主要是介导兴奋性神经递质的传递过程，其不同亚单位的表达激活可决定突触膜对不同离子的选择性通透。含有GluR2亚单位的受体决定了对Na+和K+的单向通透，而不含有GluR2亚单位的受体则对Ca2+选择性通透［22］。因此，突触膜上不同类型GluRs 受体的分布比例也参与调节了细胞内不同离子流水平的改变。另外，不同亚型AMPA 受体的激活，可增加突触后膜对Glu 的反应性，配合NMDA 受体的激活，共同介导跨膜的离子流和小分子蛋白的磷酸化，从而诱发LTP 的产生［23］。

3 mGluRs 介导的视功能重塑机制

近年来研究［24］显示：LTP 过程的产生不单纯依赖于突触膜上iGluRs 的激活，而不同亚型mGluRs 激活也可以间接诱发LTP 现象的产生。mGluRs 根据氨基酸序列的同源性和细胞内介导不同的信号通路又分为Ⅰ～Ⅲ组。Ⅰ组mGluRs 通过直接或间接影响NMDA 和AMPA 受体的表达，参与神经元突触的可塑性变化机制［24］。研究［25］显示：给予Ⅰ组mGluRs 的激动剂3，5-二羟基苯甘氨酸（DHPG） 可以诱导出海马神经元内基于AMPA 受体介导的LTP 过程，而给予mGluR1的阻断剂LY367385 则可以阻断上述LTP 的产生。在海马CA1 和CA3 区，mGluR5-PKC 通路的激活可诱发NMDA 受体介导的LTP 过程，其产生原因可能是mGluR5激活引起的细胞内Ca2+浓度升高进而产生海马部位的EPSC［26］。另外，对大脑皮质、纹状体部位的研究［24］显示：LTP 的形成还依赖蛋白激酶A （protein kinase A，PKA） 和 磷 脂 酶A2（phospholipase A2，PLA2） 的调节作用。因此，Ⅰ组mGluRs 可能通过对LTP 的间接调节作用影响了神经系统信号传递效率的改变。

mGluRs 被Glu 激活后，可通过与G 蛋白偶联进而激活突触内的第二信使，导致膜两侧Na+和K+的通透性增高，膜电位去极化，从而产生EPSP。大多数情况下，mGluRs 受体介导的EPSP产生迅速，消失也迅速，因此又称为快突触效应［27-28］。其中，Ⅰ组mGluRs 被激活后，可刺激磷脂酶C（phospholipase C，PLC），产生甘油二酯（diester glycerin，DAG） 和1，4，5-三磷酸肌醇（inositol-1，4，5-triphosphosate，IP3）。上述2 种物质可以发挥细胞内第二信使的作用，前者激活PKC，后者水解后引起Ca2+的细胞内流动，引起神经元兴奋性效应和突触前增强效应［29］。而Ⅱ和Ⅲ组mGluRs 激活后介导突触前抑制效应，mGluR2激活后可抑制G 蛋白偶联机制，刺激环磷酸腺苷（Cyclic adenosine monophosphate，cAMP） 合 成，而mGluR3激活后作用与mGluR2相反，可抑制cAMP 合成。由此可见，mGluR2/3都可以发挥对Glu 释放的负反馈调节作用而诱发LTD 现象的产生［30-31］。

Ⅰ组mGluRs 分别从转录和翻译水平参与了特定基因的调控，引起神经突触的可塑性改变，诱发LTP 和LTD 现象的产生。其中转录水平上的信号通路主要有PKA-cAMP 通路和钙调蛋白依赖性蛋白 激 酶 （calmodulin-dependent protein kinases，CaMKs） 通路等；相关的转录因子有环磷腺苷效应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）、核因子-κB （nuclear factor-κB，NF-κB）等；靶分子有脆性X 智障蛋白（fragile X mental retardation protein，FMRP）和活性调节细胞骨架相关蛋白（activity-regulated cytoskeletonassociated protein，Arc）等。

3.1 对Ca2+下游信号分子活动的增强Ⅰ组mGluRs 被激活后，可通过多条途径使Ca2+释放增多，进而启动一系列突触内级联反应过程，增强视传导通路的传递效率。主要包括：①通过与Gq 蛋白偶联，活化PLC 转化为DAG 和IP3，进一步激活PKC 而发挥细胞内的调节作用［32］。一方面，NMDA 受体在PKC 的催化下使其亚基磷酸化，增强其介导的细胞内Ca2+内流，使得Ca2+浓度增高，使上述通路反应进一步增强；另一方面，PKC 的激活又可以降低mGluR5引起的细胞内Ca2+释放，降低Ca2+浓度。因此，上述两条路径起到相互拮抗的作用，确保Ca2+在细胞中的浓度平衡。②激活突触膜上L 型Ca2+通道，抑制细胞膜对K+的通透性，促使Ca2+的内流，促进细胞内级联反应过程的增强［33］。③促进突触后递质-受体的结合，上调NMDA 受体表达水平，促进神经递质释放。④高浓度的Ca2+可以激活对其敏感的Ras 鸟嘌呤核苷酸释放因子、 钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ（calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ）和磷脂酰肌醇3 激酶（phosphatidylinosilol 3-kinase，PI3K）。 同时还参与介导细胞外信号调节酶（extracellular-signal regulated protein kinase，ERK）的磷酸化，进而激活丝裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protain kinase，MAPK）信号通路，进一步引起细胞内级联反应过程的增强［32］。

3.2 对PKA-cAMP 和CaMKs 通路的激活在包括视皮层在内的多数大脑皮层区域，给予Ⅰ组mGluRs 的激动剂DHPG 可观察到cAMP 水平升高，即Ⅰ组mGluRs 能够刺激细胞内cAMP 的合成。cAMP 是细胞内重要的小分子信使，由腺苷酸环 化 酶（adenylate cyclase，AC） 催 化ATP 而 形成，并且对细胞内Ca2+的释放与流动发挥重要的作用，还可以通过调控PKA 来增强神经元的兴奋性活动［34］。同时，PKA 也对AMPA 受体的磷酸化起重要作用，引起AMPA 受体介导的LTP 反应增强［35］。

CaMKⅣ是Ca2+信号通路的主要作用分子，也是重要的转录激活因子，在细胞质和细胞核内均有表达。大量研究［36-37］证实：Ⅰ组mGluRs 的激活可提高CaMKⅣ和CaMKⅡ的磷酸化水平，进而引起大脑纹状体、海马CA1 区域Ca2+的内流与细胞内Ca 库对Ca2+的释放，进一步诱发Ca2+下游信号分子活动的增强。

3.3 对特定基因转录的增强研究［38］证实：Ⅰ组mGluRs 激活后，可以促进CREB 和NF-κB 等转录因子的表达，而翻译合成的小分子蛋白又可以作为细胞核内第三信使激活特定修饰基因的表达，并充当转录因子对基因的表达起到调控作用，最终使短时程的神经兴奋转变为长时程的神经兴奋过程。研究［39］显 示：Ⅰ组mGluRs 的 激 活，可 以 借 助CaMKⅣ、PKA 或mGluR5的通路使CREB 磷酸化，CREB 除了是重要的转录因子外，其磷酸化水平对视神经突触的可塑性起着至关重要的调节作用。另外，在视觉中枢大脑皮层神经元中mGluR5的激活可介导p38-MAPK、 PKC 和PI3K 等通路活化NF-κB，使其在突触可塑性与长时程记忆中发挥关键作用［40-41］。

3.4 促进Arc 靶基因的表达Arc 是一种即刻早期基因，其表达水平与突触可塑性变化程度有密切关联［42］。研究［43］显示：在海马区，给予mGluRs 的激动剂DHPG 后，可以使树突上的Arc 蛋白表达水平升高，该调节作用与上述PLC、ERK1/2 和CaMKs 的级联反应相互影响，共同在特定基因的转录和翻译水平，产生依赖于mGluRs 的LTP现象。

4 小 结

不同亚型的GluRs 作为视觉中枢重要的神经递质类受体，其表达激活状态是启动视神经突触内抗视觉剥夺效应级联反应机制的关键靶点，与视觉发育及其可塑性变化过程有密切关联。以往对视功能可塑性变化的机制研究中，重点关注了Glu 和iGluRs 介导的视皮层功能发育和兴奋性突触后电位的调节机制方面。视功能重塑的调节机制不单纯依赖于iGluRs 的激活，尤其是Ⅰ组mGluRs 激活后介导的细胞内级联反应过程增强以及对LTP 的间接调控机制也发挥着至关重要的作用。因此，针对不同亚型的GluRs 介导的突触内级联反应机制的深入研究，将为揭示弱视的中枢发病机制研究和开发新的快速有效的靶点治疗药物提供重要的参考依据。