突觸后致密區(qū)與突觸可塑性

馮 波 胡 鵬 王 蓉

(1.首都醫(yī)科大學(xué)宣武醫(yī)院中心實驗室,神經(jīng)變性病教育部重點實驗室;2.濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科; 3.濱州醫(yī)學(xué)院附屬醫(yī)院骨科)

突觸是神經(jīng)元之間的連接部位,生物信號從突觸前膜經(jīng)突觸傳遞到突觸后膜。突觸的數(shù)量和功效發(fā)生改變可引起突觸可塑性的改變[1]。神經(jīng)遞質(zhì)擴散通過突觸間隙,進而和突觸的相應(yīng)受體結(jié)合。廣義的突觸可塑性包括突觸傳遞可塑性、突觸發(fā)育可塑性和突觸形態(tài)的可塑性,其主要表現(xiàn)形式——長時程增強(long term potentiation,LTP)和長時程抑制現(xiàn)象已被公認為是某些學(xué)習(xí)記憶活動的細胞水平的生物學(xué)基礎(chǔ)。神經(jīng)遞質(zhì)受體的一個重要功能是引起在突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生放大效應(yīng)的電信號[2],突觸前和突觸后積聚了許多參與突觸可塑性調(diào)節(jié)的信號分子,這些分子在突觸部位有機的組合對于有效的神經(jīng)傳遞是非常必要的,突觸傳遞也可以通過蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)-脂類相互作用而實現(xiàn)[3]。

1 突觸后致密區(qū)的發(fā)現(xiàn)及主要組成成分

突觸后致密區(qū)由第 1位觀測腦組織的電鏡學(xué)家于 20世紀(jì) 50年代命名[4]。突觸后致密區(qū)是突觸后膜細胞骨架纖維特化區(qū)域,后膜的細胞骨架和定位與突觸前膜末端的活性區(qū)域相對應(yīng)。這種結(jié)構(gòu)的功能為細胞黏附性的調(diào)節(jié)、受體聚集的控制和受體功能的調(diào)節(jié)[5]。

首先通過 cDNA技術(shù)鑒定的突觸后蛋白是 PSD-95(postsynaptic density-95)和 SAP-90(synapse-associated protein-90)。PSD-95是相對分子質(zhì)量 90 000～95 000的蛋白,首先在 PSD-95/SAP90中發(fā)現(xiàn) PDZ區(qū)域,PDZ區(qū)域又稱為 DHR(Dlg homologous region)或GLGF重復(fù)序列,這是因為在大部分 PDZ區(qū)域中含有Gly-Leu-Gly-Phe氨基酸序列,PDZ的命名來源于最初發(fā)現(xiàn)含有該區(qū)域的 3個蛋白：P SD-95,DLG和ZO-1。大部分 PDZ區(qū)域的主要作用是識別配體蛋白的 C末端結(jié)構(gòu)。X線衍射晶體分析法表明,PSD-95/SAP90的第 3個 PDZ區(qū)域由 6個β片層和 2個α螺旋結(jié)構(gòu)組成,并且C末端肽結(jié)合于第2個β片層和 2個α螺旋結(jié)構(gòu)的凹槽中[6]。PDZ區(qū)域作為蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互識別的模塊,在不同的細胞信號整合中起了非常重要的作用,這個區(qū)域既可以特異性識別 C末端短肽序列,也可以識別結(jié)構(gòu)上與末端類似的內(nèi)部序列。包含PDZ區(qū)域的的蛋白在超分子信號復(fù)合物的運輸、定位和組合中起了重要作用。

PDZ區(qū)域和與之結(jié)合的配體肽的親和力目前尚不清楚。PDZ區(qū)域可以識別特定的 C末端序列,這種C末端序列通常有 5個氨基酸殘基。PDZ結(jié)合序列的命名如下：C末端被稱為 P0殘基,N末端依次被命名為 P-1、P-2、P-3等。多肽實驗室的先驅(qū) Songyang Z等[7]揭示了 PDZ區(qū)域的特性,這些研究表明 P0和P-2殘基對識別起了最重要的作用。根據(jù)識別參數(shù)選擇的不同,PDZ區(qū)域可被分為至少 3個等級：Ⅰ級PDZ識別序列 S/T-X-φ-COOH,Ⅱ級 PDZ識別序列φ-X-φ-COOH,Ⅲ級 PDZ區(qū)域識別序列 X-X-C-COOH,還有一些不能歸為這 3類的 PDZ區(qū)域[7]。

為什么 PDZ區(qū)域只識別配體 C末端的序列? PDZ肽復(fù)合物的結(jié)構(gòu)表明在肽結(jié)合槽的末端是一個羧化物環(huán),這個環(huán)包含一個相當(dāng)保守的序列 R/K-XX-X-G-L-G-F,在這個復(fù)合物中,配體的羧基端由主鏈氫鍵維持環(huán)的酰胺基來調(diào)節(jié)[8]。包含 PDZ區(qū)域的蛋白在體內(nèi)的功能是組織多種信號蛋白復(fù)合物的形成和維持細胞極性,在細胞與細胞相互作用中,細胞的類型功能和極性結(jié)構(gòu)非常重要,神經(jīng)細胞之間的聯(lián)系需要維持這種極性,包含 PDZ區(qū)域的蛋白對于維持細胞與細胞通信的極性位置起著非常重要的作用[9]。許多包含 PDZ區(qū)域的蛋白參與了突觸和神經(jīng)肌肉接頭的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)機制,在神經(jīng)突觸的樹突側(cè),存在一個致密的蛋白復(fù)合物即突觸后致密區(qū),其中包含很多對輸入信號應(yīng)答特別重要的信號元件,在突觸后致密區(qū)存在的幾種多 PDZ區(qū)域蛋白是形成和維持這種突觸后致密區(qū)的骨架蛋白[10]。

現(xiàn)在已經(jīng)證明,除微管蛋白外,大約有 30種蛋白質(zhì),如肌動蛋白 (actin)、神經(jīng)絲蛋白、伏襯蛋白 (fodrin)、磷酸二酯酶、蛋白激酶以及一些高分子蛋白質(zhì)等[11]。研究[12]發(fā)現(xiàn),在興奮性突觸的突觸后膜上,還聚集有離子型N-甲基-D-天冬氨酸(N-methyl-D-asparic acid,NMDA)受體、α-氨基-3羥基-5-甲基異惡唑-4-丙酸 (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid,AMPA)型 Glu受體和代謝型 Glu受體,它們都與PSD相連。在 PSD中,還含有多種調(diào)節(jié)分子,如鈣調(diào)蛋白、蛋白激酶 A、蛋白激酶 C、酪氨酸激酶等等。CaMKⅡ分布廣泛,神經(jīng)細胞的各個部位都含有這種酶,尤其在 PSD中含量特別高,約占 PSD蛋白總量的30%～50%,推測這種高濃度的存在及其自身磷酸化特性可能在突觸部位起記憶的分子開關(guān)作用[13]。

2 突觸可塑性

突觸功效的提高是通過促進突觸前膜釋放神經(jīng)遞質(zhì)和提高突觸后膜的反應(yīng)性實現(xiàn)。突觸傳遞的長時程增強一直被認為是學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)之一,是突觸可塑性的功能指標(biāo),也是研究學(xué)習(xí)記憶的理想模型。LTP(long-term potentiation)與學(xué)習(xí)記憶的關(guān)系主要表現(xiàn)在 3個方面：(1)影響LTP的因素可以影響學(xué)習(xí)記憶的過程;(2)影響學(xué)習(xí)的因素也可影響 LTP的產(chǎn)生;(3)學(xué)習(xí)過程中可產(chǎn)生LTP,在動物條件反射的訓(xùn)練過程中常伴隨著LTP現(xiàn)象產(chǎn)生[14]。

在正常突觸傳遞時,海馬 CA1區(qū)錐體細胞的傳入末梢釋放的 Glu遞質(zhì)只能使非NMDA受體激活,當(dāng)一定頻率和強度的刺激使突觸后膜去極化到一定程度時,堵塞NMDA受體通道的Mg2+被移開,Glu遞質(zhì)與NMDA(N-methyl-D-aspartate)受體結(jié)合,Ca2+通道開放,使突觸后膜內(nèi) Ca2+水平升高,繼而促發(fā)一系列生化反應(yīng),改變膜的性質(zhì),導(dǎo)致 LTP產(chǎn)生。LTP反映了突觸水平上的信息儲存過程,是記憶鞏固過程神經(jīng)元生理活動的客觀指標(biāo)[15]。LTP的形成包括誘導(dǎo)與維持 2個階段。LTP的形成必須滿足 3個條件：(1)突觸后膜較強的去極化去除Mg2+對NMDA受體耦連通道的阻滯;(2)突觸前神經(jīng)末梢釋放興奮遞質(zhì)(主要是谷氨酸);(3)在突觸后膜,遞質(zhì)與 NMDA受體結(jié)合,離子通道打開,Ca2+內(nèi)流。LTP的維持需要滿足 4個條件：(1)突觸前釋放遞質(zhì)增加;(2)突觸后受體有效性增加;(3)突觸后樹突棘形態(tài)改變;(4)新的蛋白質(zhì)合成。即突觸前不斷釋放遞質(zhì),突觸后膜受體、通道、酶類產(chǎn)生改變而形成 NO、CO、花生四烯酸等逆行信使不斷向突觸前擴散而維持遞質(zhì)釋放[16-17]。

在長期記憶的形成中,活性依賴性的棘突數(shù)目和形態(tài)的改變被認為參與了突觸可塑性。定位于樹突棘的大部分興奮性突觸以谷氨酸作為神經(jīng)遞質(zhì),在樹突棘有幾種谷氨酸受體：NMDA、AMPA、紅藻氨酸受體和代謝性谷氨酸受體[18]。不同類型的受體存在不同的表達和調(diào)節(jié)方式,但是它們都可以提高細胞內(nèi)鈣離子水平,NMDA受體和一部分AMPA受體亞型介導(dǎo)細胞外間隙的鈣離子內(nèi)流。通常興奮性突觸后電位由AMPA受體介導(dǎo),NMDA受體對谷氨酸有更強的親和力,但是更傾向于小分子和長時間持續(xù)的信號。

長時程增強的主要機制是突觸后通過AMPA受體對谷氨酸的反應(yīng)性增強。條件刺激可引起釋放少量與NMDA受體有高親和力的谷氨酸,而非條件刺激可引起更多的谷氨酸的釋放,足以激活A(yù)MPA受體和觸發(fā)使神經(jīng)細胞去極化的動作電位。長時程增強的持續(xù)時間依賴于刺激的條件,長時程增強可能在1～3 h內(nèi)衰退,也可能持續(xù)幾個小時或幾個月,在后者的情況下,長時程增強得到了鞏固,這相當(dāng)于記憶鞏固的過程[19]。

此外,刺激AMPA受體發(fā)生去極化,激活電壓依賴性的鈣離子通道引起鈣離子內(nèi)流。代謝性谷氨酸受體激活第二信使信號級聯(lián)反應(yīng),激活內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的離子通道,從而誘發(fā)細胞內(nèi)儲存鈣的釋放[20]。樹突棘的形成依賴于功能性谷氨酸受體在突觸的聚集和傳入神經(jīng)元持續(xù)性的信號輸入。樹突棘的穩(wěn)定和維持需要AMPA受體介導(dǎo)的電流,完全抑制海馬突觸傳遞可以引起樹突棘的丟失和萎縮,但是低活性的AMPA受體足夠維持樹突棘形態(tài)。此外,AMPA受體激活可以通過電壓依賴性的鈣離子通道提高鈣離子濃度,也可以使不規(guī)則的樹突棘形態(tài)轉(zhuǎn)化為規(guī)則的樹突棘形態(tài)[21]。

NMDA受體涉及樹突棘形態(tài)的調(diào)節(jié),NMDA受體的激活可以引起海馬的長時程增強,進而導(dǎo)致絲狀偽足和樹突棘的向外生長,與樹突棘的形狀改變相一致,海馬長時程增強同時伴有 actin的增加[22]。用生理濃度的 NMDA受體培養(yǎng)海馬神經(jīng)元,可以使棘突actin纖維蛋白絲的濃度從 5%上升到 60%,誘導(dǎo)長時程抑制效應(yīng)同樣可以增加 actin纖維蛋白絲濃度[23]。這些結(jié)果支持下述假說：鈣離子通過NMDA受體進入胞內(nèi),通過鈣離子敏感的 actin調(diào)節(jié)蛋白如 CaMKⅡ(calcium-calmodulin dependent protein kinaseⅡ)引起actin纖維蛋白絲的改變。

不同谷氨酸受體的激活劑和抑制劑可以引起突觸效能的改變,促進樹突棘發(fā)育和形態(tài)學(xué)改變,而激活A(yù)MPA受體可以穩(wěn)定已經(jīng)形成的突觸。盡管NMDA受體對棘突的形成有正性效應(yīng),NMDA受體同樣可以促進棘突的衰退,這對于神經(jīng)回路的維持是非常重要的。在經(jīng)過長時間的胞內(nèi)鈣離子濃度增加后, NMDA受體和谷氨酸的應(yīng)用可以引起棘突的收縮和瓦解,這是一個病理改變而非生理改變[24]。

3 突觸后致密區(qū)與突觸的形狀和可塑性

突觸后致密區(qū)的完整性對于正常棘突形態(tài)的維持是非常重要的,一方面因為形成樹突棘的 actin纖維蛋白絲附著于突觸后致密區(qū),另一方面因為突觸后致密區(qū)許多蛋白調(diào)節(jié)棘突的形狀,脂質(zhì)破壞導(dǎo)致突觸后致密區(qū)蛋白的消散,進而引起樹突棘的消失[25]。擾亂樹突棘骨架蛋白的功能同樣可以影響棘突的形狀,骨架蛋白促進了谷氨酸受體的聚集和穩(wěn)定。

突觸后致密區(qū)的信號蛋白通過交叉通路調(diào)節(jié)突觸可塑性和樹突棘形狀,例如,CaMKⅡ是普遍存在于谷氨酸能突觸的突觸后致密區(qū)的絲氨酸/蘇氨酸激酶,在突觸后致密區(qū)發(fā)現(xiàn)了很多 CaMKⅡ的底物,包括AMPA和NMDA受體以及 PSD-95家族的骨架蛋白。CaMKⅡ可以和 actin纖維蛋白絲結(jié)合,也可以和突觸后蛋白結(jié)合,促進樹突絲狀偽足、棘突和突觸的形成[23]。NMDA受體依賴的鈣離子內(nèi)流可以引起CaMKⅡ從 actin到突觸后致密區(qū)的可逆性易位。在突觸后致密區(qū),CaMKⅡ可以和NMDA受體的亞單位NR2B結(jié)合,從而延長了 CaMKⅡ的激酶活性;另一方面,CaMKⅡ的抑制物阻斷了長時程增強的誘導(dǎo)效應(yīng)和活性依賴性的樹突絲狀偽足的形成,表明 CaMKⅡ參與了突觸活性誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可塑性,CaMKⅡ和NMDA受體的激活可以增加突觸的連接[26]。

綜上所述,骨架蛋白把谷氨酸受體和信號轉(zhuǎn)導(dǎo)有關(guān)的多種調(diào)節(jié)蛋白集中于突觸后膜,形成了突觸后的特殊結(jié)構(gòu)-突觸后致密區(qū)。突觸后致密區(qū)對于谷氨酸受體功能的調(diào)節(jié)和突觸可塑性有重要意義,為學(xué)習(xí)記憶障礙相關(guān)的疾病的治療提供了藥物靶點。

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