钙调蛋白依赖性激酶Ⅱ/Ⅳ对抑郁性认知功能障碍中突触可塑性的作用研究

张策，田旭升，邹伟

（黑龙江中医药大学1.研究生院；2.基础医学院；3.附属第一医院，黑龙江 哈尔滨 150040）

抑郁症是一种常见的精神类疾病，也可作为其他精神疾病的组成部分[1]，严重限制了患者的心理功能，降低生活质量，并造成巨大的社会负担。2008年，WHO将抑郁症列为全球疾病负担的第三大原因之一，并预测，2030年抑郁症将会上列为首位[2]。其发病是间歇的，病程是渐进的，而抑郁症的症状又可大致分为情感症状、躯体症状和认知症状[3]。患者的情感症状及躯体症状表现为情志不舒，对待工作和生活失去热忱，自责自罪，少动懒言，伴发焦虑、睡眠障碍和食欲不规律，严重者有自杀倾向等[4]；同时抑郁认知障碍在整个病程中可长期存在，主要表现为专注力差、抑制性的思维联想障碍、对事物理解和加工能力降低、执行功能障碍等[5]。钙调蛋白信号转导系统参与抑郁症海马突触重塑[6]，和细胞内其他信号通路发生串扰，形成复杂的立体交通信号传递网络，共同调节细胞应激后（如慢性不可预见性动物应激等）的各种适应性反应[7-9]。本文针对钙调蛋白依赖性激酶在突触可塑性方向的调控，以及在抑郁性认知功能障碍中的作用做一综述。

1 参与大脑神经元损伤

CaMKs 是大脑中最重要的蛋白激酶，通过Ca2+/CaM 系统，可以活化免疫学功能和生物学效应[10-12]。CaMK 包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ4 型，其中CaMK Ⅱ、CaMK Ⅳ在脑组织中高表达，其中以CaMK Ⅱ含量最丰富，最为活跃[13]。CaMK Ⅱ主要定位于胞浆，特别在神经元胞体[14]；而CaMK Ⅳ则主要定位于细胞核[15]，其作用随定位的差异性而改变[16]。

1.1 CaMK Ⅱ分子结构与分子生物学特征

钙调蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ（calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ,CaMK Ⅱ）是一种依赖于钙/钙调蛋白（calmodulin，CaM）的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，在大脑海马及皮质的突触后致密物（postsynaptic density，PSD）中高度表达[17-18]。CaMK Ⅱ单体由C-末端结合区（aa315-478）、中间调节区（aa273-314）和N-末端催化区（aa1-272）组成。C-末端结合区由2 个6 聚体环叠加，形成一个12 聚体的同心环结构[19]。中间调节区又包括自身抑制区（aa281-309）、钙调素结合区（296-311）以及自身磷酸化位点（Thr286和Thr305/306）[20]。未被激活时，自身抑制区覆盖了CaMK ⅡN 端结构[21]。在一定的刺激作用下CaMK Ⅱ发生自发活性，暴露N-末端催化区（aa1-272），拮抗了自身抑制区的抑制作用[22]，促使CaMK Ⅱ非依赖于钙离子状态。CaMK Ⅱ的自发活性具有可提高海马突触重塑作用的敏感性的特点：一方面，CaMK Ⅱ在钙离子不同频率、浓度、持续时间、幅度的分级条件下，可产生为不同程度的激酶活性[23-24]；另一方面，CaM 的“捕获现象”[25]再次磷酸化相邻亚基中的Thr286，继而增强CaMK Ⅱ的活性。但当Thr305/306 位点发生自身磷酸化时，则会抑制CaMKⅡ与CaM的结合率，从而降低CaMK Ⅱ的活性[26]。

1.2 CaMK Ⅳ分子结构和特征

CaMK Ⅳ主要表达于脑神经和免疫细胞[27]，是磷酸化环磷酸腺苷反应元件结合蛋白（cAMP response element binding protein,CREB）重要的蛋白激酶[28]。CaMK Ⅳ的基本结构包括N-末端激酶区域，自动调整区域和重叠的CaM 结合区域[29]。在细胞质中，CaMKⅣ是由钙调蛋白激酶激酶（CaMKK）和蛋白磷酸酶2A（PP2A）构成的无活性的复合体[30]。当上调胞内钙离子浓度时，部分Ca2+/CaM 复合物招募CaMK Ⅳ，改变其构象，使CaMK Ⅳ具备了激酶活性。当CaMKK磷酸化Thr200 位点后，CaMK Ⅳ完全激活，继而Ser12-Ser13 位点自发磷酸化，称为“自主激活”[31]。只有自主激活的CaMK Ⅳ才能向核内定向移动，参与基因转录。

1.3 CaMK Ⅱ/Ⅳ与神经元延迟性损伤

钙信号的激活是一个短暂的过程，但CaMK Ⅱ/Ⅳ调控海马神经元细胞钙离子超载所引发的持久的生物学效应，却参与了抑郁性认知功能障碍所致的神经元延迟性损伤[32-34]。CaMK Ⅱ/CaM K Ⅳ通过对受损神经元细胞Ca2+超载的调控，继而改善由自由基、凋亡小体、炎症小体、自噬小体的激活所致的抑郁性认知障碍[35-37]。即便胞内Ca2+浓度已经降到正常阈值，但在较长一段时间内，CaMK Ⅱ/Ⅳ的活性仍可保持在较高水平[38]。这使得CaMK激酶可不依赖于Ca2+而其对底物催化及转录调控的作用[39]。当CaMK Ⅱ/Ⅳ继续激活下游靶酶及相关转录因子，可进一步致使神经元平衡失调而引起细胞死亡[40-41]。

由此可见，CaMK Ⅱ/Ⅳ的活化，是共同逆转神经元延迟性损伤的重要原因。因此，调节CaMK Ⅱ/Ⅳ的活性能改善抑郁性认知障碍。

2 CaMK Ⅱ/Ⅳ与突触可塑性

有学者提出，抑郁性认知障碍是由基因和环境因素共同所致的，而其潜在的原因可能是神经可塑性，主要为突触可塑性[42]——记忆形成和认知构成的细胞学基础。突出可塑性又分为结构可塑性和传递功能可塑性，其中传递功能可塑性又分为长时程增强（long-term potentiation，LTP）与长时程抑制（long-term depression，LTD）[43]。LTP 强化记忆的形成，LTD 筛选、明确与检验记忆的内容。钙离子内流是激发突触可塑性的重要环节之一，其自身或触发CaM 与细胞中CaMK Ⅱ/Ⅳ结合，此过程可称为触发LTP和LTD的“分子开关”[44-45]。

2.1 CaMK Ⅱ与LTP

CaMK Ⅱ的“开关”样特征参与调节神经元突触功能，是激活海马突触学习和记忆机制的结构基础[46-48]。研究发现，在海马脑CA1 区，CaMK Ⅱ自身磷酸化对于海马LTP 的形成不可或缺[49]。Silva 等[50]观察到，特异性缺失CaMK Ⅱ的小鼠海马区的LTP损害，为CaMK Ⅱ介导LTP的形成提供了最早且最直接的证据。另有研究提示，在海马CA1 区中，CaMK Ⅱ无论是对LTP 的诱导还是维持突触前和突触后机制的联合作用中均发挥重要作用[51]。突触前，突触素Ⅰ被激活后的CaMK Ⅱ磷酸化，可促进神经递质的释放；突触后，激活的CaMKⅡ能够使α氨基-3-羟基-5-甲基-4-异唑丙酸受体（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isox-azole-propionic acid receptor,AMPAR）磷酸化，从而提高突触后膜上AMPAR 的活性及数量，增强突触后反应，最终形成LTP[52]。当LTP 缺失时，常会引起空间记忆能力缺损，及正常空间学习障碍。研究发现，CaMK Ⅱ自身磷酸化在诱导LTP 形成后，可降低大脑受到刺激后产生的恐吓记忆，而条件性记忆形成仍然维持在较高水平；当应用CaMK Ⅱ抑制剂时，恐吓记忆生成，且无法诱导LTP[53-54]。定点突变研究发现，当实验动物的αCaMKⅡT286A 被敲除后其CaMK Ⅱ将无法发生自身磷酸化，进而阻断了CA1 区诱导LTP 的形成，使得动物无法正常完成Morris 水迷宫学习，进一步证实了该理论[55]。在Andrew 的研究中发现[56]，当CaMK Ⅱ的自发活性被抑制后，虽然可以显著降低LTP的诱导和记忆的获取，但并不影响LTP 的维持和记忆的储存。由此可见，对于诱导LTP 的维持，CaMK Ⅱ的自发活性是必需的，而对于LTP 的维持却是非必需的。这一结论体现了CaMK Ⅱ在记忆获取中的重要地位[57]。

2.2 CaMK Ⅱ与LTD

LTD 是海马脑区依赖性突触传递的抑制现象，与LTP 共同作用实现了传递功能可塑性[58]。近年研究发现，敲除CaMK Ⅱ或抑制CaMK Ⅱ的自发活性，均能阻碍LTD 的形成[59]。CaMK Ⅱ磷酸化AMPAR 上的GluA1-Ser567 位点，降低了AMPAR 在突触后膜上的表达，最终增强LTD效应[60]。

综上，CaMKⅡ可以通过两种不同的独立机制同时介导LTP和LTD[61]。正常条件下，CaMK Ⅱ介导的突触积累需要LTP 与GluN2B 结合[62-63]，而Ca2+依赖性激酶和磷酸酶的协同作用又是LTD 所必需的[64-65]。由此可见，CaMK Ⅱ能够通过同时介导两种相反模式的突触可塑性。

2.3 CaMK Ⅳ与LTP

在LTP的激活过程中，CaMK Ⅳ起着重要作用[66]。作为一种突触可塑性所必需的信号分子，CaMK Ⅳ参与了不同形式的记忆，如空间记忆、恐惧记忆和某些特定的运动记忆存储等高级脑功能[67-70]。CaMK Ⅳ改变突触结构是LTP 的基础，CaMK Ⅳ过表达可以增强LTP[71]。在小鼠追踪恐惧记忆的实验中证实，在CaMK IV 过表达的小鼠前扣带回皮质（ACC）中观察到LTP的显著增强，表明CaMK IV 可以通过增强ACC中的突触作用，进而改善恐惧记忆和遗传缺陷等[72]。另有研究发现，CaMK Ⅳ基因敲除的小鼠LTP 在早期阶段被阻断，而CaMK Ⅳ急性表达增强了海马脑片中的LTP[73]。

2.4 CaMK Ⅳ与LTD

CaMK Ⅳ是LTD 中非常重要的调节剂[74]。长时程记忆（long-term memory，LTM）则需要转录因子，如CREB 的激活，而CaMK Ⅳ能单独使CREB 的Ser-133发生磷酸化和去磷酸化的活性依赖[75-76]，使CREB的内源性膜除极化，活化激酶活性[77]，从而强化突触的传递强度和数目[78]。在记忆的形成中，CREB 是重要一环，LTM的形成需要正性调节和负性调节的联合[79]。增强LTM 的诱导依赖于CREB 活化子基因的过表达，抑制LTD 的形成则需要抑制子基因的过表达。因此CaMKⅣ通过协调CREB 活化子和抑制子的相互一致性，形成对LTD的影响。

3 CaMK Ⅱ/Ⅳ与抑郁性认知障碍

抑郁症的临床表现包括情感症状、躯体症状及认知症状等[4]。其中抑郁性认知功能障碍贯穿于抑郁症发病的整个过程。主要表现包括注意力不集中、思维迟缓、信息加工能力减退、执行功能障碍等[80]。

3.1 CaMK Ⅱ/Ⅳ与抑郁症

CaMK Ⅱ与抑郁症密切相关，起主导作用的是αCaMK Ⅱ和βCaMK Ⅱ两种亚基[81]。研究表明，抑郁症患者大脑Brodmann 第9 分区的αCaMK Ⅱ表达水平明显低于正常人群，而在第46分区则无明显差异。也有研究发现，抑郁症患者Brodmann第10分区的αCaMK Ⅱ表达水平明显高于正常人群[82-83]。研究结果之间的差异可能由于大脑分区不同，也可能是抗抑郁药物的种类及剂量差异导致的。研究发现，在抑郁症的发病过程中外侧缰核中的βCaMK Ⅱ分子的表达水平具有关键作用[84]，实验动物的抑郁症状与外侧缰核中的βCaMK Ⅱ含量呈正相关。通过抗抑郁药降低βCaMK Ⅱ活性，或通过敲除βCaMK Ⅱ基因可以逆转抑郁症状。CaMKⅡ导致抑郁症的机制可能是它与突触可塑性、谷氨酸部分受体及CREB 等抑郁症相关分子之间存在关系。

CaMK Ⅳ一方面是神经保护和神经可塑性等不同细胞内过程的关键调节剂之一[85]，更是疾病发展改变的最重要因素之一。研究表明，大鼠的社会压力降低了海马体内的CaMK Ⅳ水平，导致动物的蔗糖偏好实验评估结果反映出抑郁症状态[39]。在不可预测的慢性轻度手术和嗅球切除大鼠中可知，抑郁症状表型导致CaMK Ⅳ磷酸化表达降低[86]。药物、化合物或疗法可能通过CaMK Ⅳ通路的调制来激发其抗抑郁类活性。在CaMK Ⅳ敲除小鼠中，慢性尼古丁治疗通过烟碱乙酰胆碱受体（alfa7-nAChRs）和随后激活该信号通路来减少抑郁症状行为[87]。在不可预测的慢性应激引起的抑郁症大鼠模型中，电针和慢性氟西汀治疗导致CaMK Ⅳ的海马上调和抑郁症状症状的缓解[88]。此外，CaMK Ⅳ通过慢性氟西汀治疗参与海马细胞增殖[89]。Kong 等[90]证实了CaMK Ⅳ的表达与抑郁症病理生理学有关，CaMK Ⅳ的激活可以调节抑郁状态，可将CaMK Ⅳ视为新型抗抑郁疗法的潜在目标。

另一方面，CaMK Ⅳ不仅控制空间记忆，还调控情感记忆[91]。CaMK Ⅳ的遗传枯竭和转基因激酶抑制都会导致恐惧调节的学习缺失[92-94]。由此可见，CaMKⅣ是疾病发展改变的最重要因素之一。

3.2 CaMK Ⅱ/Ⅳ与抑郁性认知功能障碍

负性认知是抑郁性认知功能障碍的核心症状[95]，表现为对既往、现状和未来怀有消极的认知。认知功能障碍可出现于抑郁症发病前期、急性发作期及缓解期，其主要包括抑郁性认知障碍、神经认知功能障碍、社会认知障碍[96-97]。抑郁性认知的进展与其情感症状的消长并不完全一致，大多数抑郁症患者的认知功能（神经认知功能障碍、社会认知障碍）全面受损[98]，表现为执行功能力、注意力、记忆力和信息加工速度的损伤[99]。Clark[100]研究发现，在抑郁症中仅有30%～60%的患者存在着严重的认知障碍（即功能失调性认知），在抑郁症状减轻（药物治疗）后仍持续存在功能失调性认知[100]。

CaMK Ⅱ/Ⅳ是控制情绪和记忆功能的基本激酶。其功能障碍是各种神经退行性和神经精神疾病的基础。此外，CaMK Ⅱ/Ⅳ都介导了许多药物在分子水平上的治疗效果。CaMK Ⅱ/Ⅳ广泛参与蛋白、基因表达，神经递质合成和/或释放以及海马学习、记忆功能等细胞生理过程。在Wang等[101]的实验中证明亚阈值抽搐剂放电模型大鼠的认知功能障碍可能是由CaMK Ⅱ低表达和LTP 形成抑制等造成的。在Chen 等在胃肠道对永久性脑中动脉阻塞引起的血管性痴呆症大鼠认知功能障碍预防和治疗的影响中发现，胃肠道通过抑制Ca2+/CaMK Ⅱ信号通路来改善血管性痴呆症大鼠认知障碍，从而减轻自噬通量功能障碍。CaMK Ⅳ的活性对细胞内Ca2+水平的活性依赖性变化很敏感。当神经元受到刺激后，激活CaMK Ⅳ，触发突触修饰和转录反应，两者都与调节认知和情感行为有关。在Feng 等的研究中证明，奈非拉西坦是一种认知增强剂，可改善抑郁行认知障碍与嗅球切除术小鼠恢复CaMK II 与CaMK Ⅳ自磷酸化有关，可通过CREB 磷酸化来抵消OBX 小鼠的抑郁性认知障碍，增加嗅球切除术小鼠的杏仁核、前额叶皮层和海马CA1 区域的CaMK II 自磷酸化[86]，提高突触重塑机率。在稀土元素可能会损害儿童的认知功能实验的结果表明，接触氯化镧会损害大鼠的记忆，这种损害可能是海马p-CaMK Ⅳ等的表达水平较低以及突触超微结构的变化[102]。此外，神经退行性疾病（例如阿尔茨海默症）常常伴随抑郁性认知障碍，突触的改变是抑郁性认知功能障碍的一个关键节点[103]。CaM 依赖性激酶（CaMKs：CaMK I、CaMK Ⅱ、CaMKIV、CaMK K）在认知中具有关键功能，因为它们在神经元回路、神经元传输和突触可塑性发展中的有重要作用[104]。Yabuki 等[105]使用美曼汀和多培西尔一起治疗嗅球茎切除的小鼠，提高CaMK Ⅱ的自磷酸化可以显著改善社交互动和类似抑郁症状的行为，并略微改善认知表现。CaMK II 和PKC 通过认知增强剂ST101/ZSET1446 改善认知缺陷，并通过OBX 小鼠的海马神经发生改善抑郁性认知障碍[106]。

4 总结与展望

Kandel[107]将“记忆过程”描述为“基因与突触间的对话”。研究显示，突触可塑性是大多数抑郁症患者的认知功能障碍改善的关键。Giovanni A 等[108]研究认为抑郁性认知障碍的改善能减少抑郁症的复发率。抑郁性认知障碍患者在发病前就存在着特征性的认知模式，这一负性认知模式在促使病人发病及影响病人临床症状起伏过程中起着一定的作用，同时病人临床症状的变化也反过来影响病人的认知。CaMK Ⅱ/Ⅳ在海马区中的重要作用往往体现在突触可塑性和学习记忆上。由于不同脑区的生理病理的差异性，其表达水平、分子结构以及机制功能也不尽相同。调节CaMK Ⅱ/CaMK Ⅳ的磷酸化/去磷酸化，可改善突触重塑，降低抑郁性认知障碍。因此，揭示CaMK Ⅱ/Ⅳ在调节突触功能以及大脑功能及分子机制，是探究抑郁性认知障碍的核心焦点。