Arc／Arg3.1的突觸可塑性作用與耳鳴的關(guān)系

魏婷婷 綜述 趙德安 審校

Arc／Arg3.1的突觸可塑性作用與耳鳴的關(guān)系

魏婷婷1綜述 趙德安1審校

在過去的二十年，研究學(xué)習(xí)與記憶中突觸強(qiáng)度的引發(fā)和維持的分子機(jī)制已經(jīng)成為了神經(jīng)細(xì)胞學(xué)的一個(gè)焦點(diǎn)。任何長時(shí)程改變都可能依賴于基因的迅速轉(zhuǎn)錄及其隨后的蛋白質(zhì)合成。有學(xué)者［1］從海馬中分離出一些即刻早期基因（immediate－early genes，IEG），也稱為效應(yīng)即刻早期基因（effector IEGs）?；钚哉{(diào)節(jié)的細(xì)胞骨架蛋白（activity－regulated cytoskeletal protein，Arc），是一種可被不同形式的神經(jīng)活性迅速誘導(dǎo)的即刻早期基因，在1995年，Worley研究組在海馬中發(fā)現(xiàn)了Arc，同年，Dietmar Kuhl用相似的克隆方法也從海馬中分離出Arc，并命名為Arg3.1。目前研究認(rèn)為它可作為一種活性神經(jīng)元的標(biāo)記，并參與了突觸可塑性的維持［2］。

1 Arc／Arg3.1的表達(dá)特點(diǎn)

在神經(jīng)元接受刺激后5分鐘即可發(fā)現(xiàn)Arc／Arg 3.1mRNA的增加，并且可持續(xù)8小時(shí)以上［3］。Arc／Arg3.1可選擇性的表達(dá)于前腦鈣調(diào)素依賴性蛋白激酶Ⅱ陽性的谷氨酸能神經(jīng)元（CaMKII－positive glutamatergic neurons）［4］和突觸后致密區(qū)（postsynaptic density，PSD）［5］。而Holstege 2003年的研究顯示脊髓背側(cè)角的傷害性刺激會(huì)引發(fā)Arg3.1的表達(dá)，說明Arg3.1表達(dá)不只限于前腦中。Arc／Arg3.1的翻譯發(fā)生在突觸后致密區(qū)的多核糖體復(fù)合物內(nèi)，其編碼的蛋白對樹突構(gòu)型及突觸功能有一定的作用。新合成的Arc／Arg3.1mRNA迅速移至樹突，并會(huì)選擇性積聚在被激活的突觸部位，這種機(jī)制確保Arc／Arg3.1蛋白定位的樹突區(qū)域有強(qiáng)的可塑性活性［6］。在誘導(dǎo)和mRNA定位后，就能在樹突棘中發(fā)現(xiàn)Arc／Arg3.1蛋白，而樹突棘中的Arc／Arg3.1蛋白可以和涉及AMPA受體運(yùn)輸?shù)膬?nèi)吞機(jī)制成份相互作用［7］。Arc／Arg3.1作為即刻早期基因被神經(jīng)活性動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，并在神經(jīng)回路中與信息的行為學(xué)編碼緊密聯(lián)系。而且，暴露于相同的空間和記憶鞏固中時(shí)，Arc／Arg3.1可以在同樣的網(wǎng)絡(luò)中被反復(fù)激活，說明Arc／Arg3.1在活體的特殊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)表達(dá)可以維持較高的穩(wěn)態(tài)水平［8］。

Arc／Arg3.1轉(zhuǎn)錄及m RNA定位都取決于谷氨酸的NMDA受體。NMDA受體也能使之前已經(jīng)誘導(dǎo)的Arc／Arg3.1 mRNA重新定位［9］。不過Arc／Arg3.1的定位是在轉(zhuǎn)錄和mRNA定位水平接受活性調(diào)節(jié)的，所以在Arc／Arg3.1蛋白定位以后，活性并不能調(diào)節(jié)它的效應(yīng)。

2 Arc／Arg3.1的生理作用

2.1 Arc／Arg3.1對活性神經(jīng)元的作用 神經(jīng)元活化之后，很容易在神經(jīng)元樹突上發(fā)現(xiàn)Arc／Arg3.1m RNA表達(dá)的升高，Arc／Arg3.1的表達(dá)已經(jīng)成為了整個(gè)大腦神經(jīng)元活性的一種標(biāo)記。1999年，Guzowski等闡述了將Arc／Arg 3.1作為一種標(biāo)記來研究神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新方法。很多近期的研究都使用Arc／Arg3.1原位雜交或是catFISH技術(shù)來展示Arc／Arg3.1作為一種活性神經(jīng)標(biāo)記的作用。在活體內(nèi)，如海馬的位置細(xì)胞，頂葉的行為特殊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，視皮質(zhì)及嗅皮質(zhì)，在這些介導(dǎo)學(xué)習(xí)的神經(jīng)核團(tuán)中，Arc／Arg3.1均可被激活。例如，Bruce等［10］利用cat FISH技術(shù)，通過Arc／Arg3.1陽性細(xì)胞的分布情況檢測了海馬CA1區(qū)、后頂葉及味覺深淺皮質(zhì)的細(xì)胞活性，發(fā)現(xiàn)在可被海馬明顯區(qū)分空間及行為學(xué)背景的環(huán)境中，深層頂葉及味覺皮質(zhì)并不能區(qū)分空間背景，而淺層皮質(zhì)能夠很好的區(qū)分。Tagawa等［11］以全長Arc cDNA作為探針，觀察視覺的正常發(fā)育及損傷過程中視皮質(zhì)的變化情況，發(fā)現(xiàn)單眼損傷后視皮質(zhì)的Arc活性變化可以反映出雙眼的眼優(yōu)勢發(fā)生了移動(dòng)。Zou［12］用Arc cDNA作為探針來研究嗅覺皮層對混合氣味的識(shí)別，發(fā)現(xiàn)雖然一種氣味受體能識(shí)別混合氣味，并且一種氣味也可被復(fù)合氣味受體所識(shí)別，但是不同的氣味卻是由不同的氣味受體組合所識(shí)別的。因此，嗅覺系統(tǒng)是利用一種復(fù)合受體編碼框架來編碼特定的氣味。Temple［13］使用原位雜交技術(shù)獲得了大腦損傷后ARC在不同時(shí)間段的表達(dá)情況，發(fā)現(xiàn)ARC表達(dá)的恢復(fù)時(shí)間與齒狀回?fù)p傷后神經(jīng)再接的時(shí)間段相仿，從而提出了通過即刻早期基因來評估大腦損傷后循環(huán)功能的新方法。

2.2 Arc／Arg3.1對AMPA受體運(yùn)輸?shù)挠绊?AMPA受體是一類重要的興奮性氨基酸特異性受體，屬于谷氨酸受體的亞家簇之一，是由GluR1、GluR2、Glu R3和Glu R4組成的4聚體。AMPA受體磷酸化以后，可影響神經(jīng)細(xì)胞突觸可塑性。

最近發(fā)現(xiàn)Arc／Arg3.1有調(diào)節(jié)AMPA受體運(yùn)輸?shù)墓δ?，對AMPA受體的內(nèi)吞作用和胞吐作用的調(diào)節(jié)是很多大腦區(qū)域突觸可塑性的基礎(chǔ)［14］。Chowdhury等［7］通過生化分析闡述了涉及囊膜內(nèi)吞的兩種蛋白，即發(fā)動(dòng)蛋白2（dynamin 2）和鈣離子通道相關(guān)蛋白3（endophilin 3），Arc／Arg3.1就是通過與這兩種蛋白的聯(lián)系而調(diào)節(jié)AMPA受體運(yùn)輸?shù)摹howdhury通過Arc／Arg3.1基因敲除小鼠的海馬神經(jīng)元培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，AMPA受體的表面表達(dá)增加了2倍，微興奮性突觸后電流增加（mEPSC），而它的內(nèi)吞減少。而且，Rial Verde等［6］通過分析引發(fā)的突觸刺激或mEPSC，認(rèn)為在海馬切片培養(yǎng)中的Arc／Arg3.1過度表達(dá)會(huì)減少AMPA受體表面表達(dá)及其介導(dǎo)的突觸運(yùn)輸。Rial Verde還發(fā)現(xiàn)，Arc／Arg3.1的這種效應(yīng)是通過含有GluR2而不是含有GluR1亞基的AMPA受體內(nèi)吞發(fā)生的。

2.3 Arc／Arg3.1在突觸可塑性中的作用 突觸是神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行信息傳遞的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。突觸在其結(jié)構(gòu)以及功能方面的可變性被稱為突觸可塑性［15］。突觸可塑性與神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育、損傷后的修復(fù)以及學(xué)習(xí)記憶等重要腦功能的完成密切相關(guān)，而在條件刺激下誘發(fā)的突觸傳遞功能的長時(shí)程改變，即長時(shí)程增強(qiáng)（long－term potentiation，LTP）和長時(shí)程抑制（long－term depression，LTD），是突觸可塑性的主要表現(xiàn)形式［16］。

突觸可塑性的幾種類型均涉及來自突觸的AMPA受體的插入或移動(dòng)，Arc／Arg3.1可能有助于LTP。2000年，Guzowski等［17］提供了關(guān)于Arc／Arg3.1調(diào)節(jié)LTP后期的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，他們在高頻刺激后以阻止短暫Arc／Arg 3.1m RNA或其蛋白質(zhì)增加的方式將Arc／Arg3.1反義寡核苷酸（AOD）注入大鼠的海馬體中，在第一個(gè)4小時(shí)內(nèi)對于LTP只有很少的影響，但之后LTP發(fā)生了衰變，到第五天時(shí)，LTP已經(jīng)回歸至基線。AMPA受體初級內(nèi)體的再循環(huán)有助于LTP的穩(wěn)定表達(dá)，而LTD需要網(wǎng)絡(luò)蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞。Plath［18］的研究表明，Arc／Arg3.1能夠調(diào)節(jié)AMPA受體的內(nèi)吞及初級內(nèi)體的再循環(huán)，Arc／Arg3.1遺傳切除會(huì)損傷LTP后期和LTD。

銜接蛋白2（AP2）的募集是網(wǎng)絡(luò)蛋白介導(dǎo)的內(nèi)吞與LTD發(fā)生所必需的。以前的研究已經(jīng)證實(shí)抑制GluR2與AP2間聯(lián)系的肽能抑制LTD［14］。與之相似的是，阻止GluR2與AP2間的聯(lián)系也會(huì)影響Arc／Arg3.1下調(diào)介導(dǎo)的突觸運(yùn)輸?shù)哪芰?，因Arc／Arg3.過度表達(dá)而選擇性下調(diào)含有GluR2或GluR3的AMPA受體也會(huì)抑制LTD，并且阻止LTD的磷酸酯酶抑制劑也會(huì)抑制Arc／Arg3.1調(diào)節(jié)AMPA介導(dǎo)突觸運(yùn)輸?shù)哪芰Γ?］。

2.4 Arc／Arg3.1對突觸縮放（synaptic scaling）的作用

Arc／Arg3.1的作用目前已經(jīng)擴(kuò)展到可塑性的一種新的類型上——自身穩(wěn)定的突觸可塑性（homeostatic synaptic plasticity）或稱為突觸縮放（synaptic scaling）［19］。細(xì)胞除了具有突觸可塑性，還具有突觸可塑性的自身穩(wěn)定功能，使突觸強(qiáng)度維持在一定范圍內(nèi)，允許突觸運(yùn)輸進(jìn)一步的增加或減少［20］。這種神經(jīng)元輸出與分布的突觸權(quán)重之間的精細(xì)平衡可能對維持能夠充分編碼經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的信息非常重要。如果沒有這種穩(wěn)定平衡機(jī)制，長時(shí)程增強(qiáng)或抑制將會(huì)使突觸趨于飽和或是沉默。因此有理由推測像Arc／Arg3.1這樣的活性誘導(dǎo)基因因其蛋白產(chǎn)物被定位于激活的樹突區(qū)，在被強(qiáng)突觸激活后，Arc／Arg3.1可能在突觸平衡上起著一定的作用［7］。

3 Arc／Arg3.1與耳鳴的關(guān)系

目前有關(guān)耳鳴形成機(jī)制的假說很多，但均不能解釋所有的耳鳴現(xiàn)象，大量證據(jù)表明，聽覺中樞特別是大腦皮層參與了耳鳴的產(chǎn)生與維持。腦功能成像研究也證明，耳鳴患者的顳葉聽皮層存在高代謝活動(dòng)或局部腦血流增加，提示大腦皮層可能有異常的改變。Brozoski［21］通過錳離子增強(qiáng)磁共振成像發(fā)現(xiàn)耳鳴大鼠的腦干活性增高而前腦活性降低。Mahlke［22］認(rèn)為在聽覺系統(tǒng)的丘腦皮層回路內(nèi)，耳鳴相關(guān)活動(dòng)增加，這是因?yàn)橹袠猩窠?jīng)系統(tǒng)試圖代償外周神經(jīng)輸入的減少，最終增加了聽皮層的自發(fā)放電活動(dòng)。聽皮層內(nèi)活性的持續(xù)增強(qiáng)可能需要正反饋回路的可塑性改變。人類在暴露于刺激噪聲后可出現(xiàn)耳鳴癥狀，聽皮質(zhì)神經(jīng)突觸的可塑性改變對于耳鳴的起始階段并不是必要的，然而，神經(jīng)元可塑性改變可能促進(jìn)了耳鳴的持續(xù)，并可能在急性耳鳴引發(fā)后立即發(fā)生。Mahlke等人通過水楊酸誘發(fā)的耳鳴動(dòng)物模型與鹽水腹腔注射的大鼠對比發(fā)現(xiàn)，在水楊酸注射大鼠的聽皮層Arc／Arg3.1陽性神經(jīng)元在高頻區(qū)域聚集，只有耳鳴引發(fā)后才能看到杏仁核的活性。而神經(jīng)元可塑性涉及耳鳴產(chǎn)生的一個(gè)指標(biāo)就是杏仁核的活性，因此Mahlke證實(shí)了在杏仁外核尤其是在杏仁中央核的Arc／Arg3.1表達(dá)上調(diào)，說明在注射水楊酸后這些細(xì)胞核可能經(jīng)過了可塑性改變。突觸的非限制性增強(qiáng)會(huì)引起神經(jīng)元編碼信息能力的飽和，所以這些突觸強(qiáng)度的劇烈改變需要自身穩(wěn)態(tài)代償來維持正常范圍內(nèi)神經(jīng)元輸出。用來維持這種自身穩(wěn)態(tài)的一個(gè)候選基因就是Arg 3.1［23］，因此Arg3.1的降低對于皮層可塑性具有不利的影響。Arg3.1的表達(dá)降低說明在耳鳴時(shí)，聽皮層神經(jīng)元不能再精確的處理來自外周的信號(hào)，其最終的結(jié)果就是改變了皮層基因的表達(dá)，改變了神經(jīng)元可塑性，并改變了聽覺感知。

Panford－Walsh［24］發(fā)現(xiàn)在水楊酸誘導(dǎo)的耳鳴動(dòng)物模型與噪聲誘發(fā)的耳鳴動(dòng)物中，聽皮層中Arg3.1的表達(dá)均發(fā)生了顯著的變化，認(rèn)為Arg3.1可作為聽皮層神經(jīng)元活性改變的一個(gè)指標(biāo)，因此聽皮層中Arg3.1水平的改變可能與耳鳴期間聽皮層中所觀察到的過度興奮性有關(guān)。Arg3.1水平降低的皮層神經(jīng)元可能與耳鳴患者的已損傷外周神經(jīng)元的頻域相對應(yīng)。另外，由于Arc／Arg3.1的水平反映了電反應(yīng)的變化，在Tan［25］的實(shí)驗(yàn)中，動(dòng)物聽覺損傷后，初級聽區(qū)中Arc／Arg3.1表達(dá)水平的下調(diào)說明對聽覺損傷的反應(yīng)引起了突觸效率的降低，說明Arc／Arg3.1不僅可用于觀察聽皮層神經(jīng)元興奮性的改變，也能用于觀察聽覺損傷后可塑性的改變。

4 結(jié)語

雖然目前在Arc／Arg3.1方面的研究進(jìn)展迅速，但仍有很多疑問有待解決［23］。例如，①為什么在Arc／Arg3.1基因敲除小鼠中LTP會(huì)缺失？②Arc／Arg3.1的調(diào)節(jié)作用具有選擇性，Arc／Arg3.1的表達(dá)上調(diào)可減少AMPA受體介導(dǎo)的突觸電流而不影響NMDA受體介導(dǎo)的電流幅度或是衰減時(shí)間常數(shù)［6］，Arc／Arg3.1是如何選擇性控制AMPA受體內(nèi)吞而沒有調(diào)節(jié)NMDA受體的？③LTP／LTD及突觸的自身穩(wěn)定這幾種類型的突觸可塑性中均發(fā)現(xiàn)有Arc／Arg3.1的參與，可是這幾種可塑性的機(jī)制過程不同，Arc／Arg3.1如何對這幾種不同類型的突觸可塑性均發(fā)揮作用；④Plath［18］在Arc／Arg3.1基因敲除的動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)興奮性突觸后電流（EPSPs）一過性的增加，也就是說在突觸接受刺激后起始的60分鐘內(nèi)早期LTP的幅度出現(xiàn)了明顯的提高，90分鐘之后晚期LTP才會(huì)迅速降低，這種現(xiàn)象尚無法解釋。Arc／Arg 3.1在聽皮層可塑性中的作用進(jìn)一步支持了耳鳴中樞源性學(xué)說。因此在制定耳鳴治療方案時(shí)，需要考慮外周神經(jīng)元的抑制輸出反饋的影響以及聽皮層可塑性，這有助于耳鳴治療藥物的選擇。有關(guān)神經(jīng)可塑性及耳鳴的關(guān)系還有待于今后的進(jìn)一步探索。

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（2009－04－20收稿）

（本文編輯 李翠娥）

10.3969／j.issn.1006－7299.2010.04.05

R764.45

A

1006－7299（2010）04－0326－03

1 福建醫(yī)科大學(xué)附屬廈門第一醫(yī)院耳鼻咽喉－頭頸外科（廈門361003）