全麻藥物作用機(jī)制的新解——蛋白質(zhì)翻譯后修飾

陸菡 于布為

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院麻醉科

從乙醚首次應(yīng)用于臨床麻醉以來(lái)，有關(guān)麻醉藥物及麻醉相關(guān)領(lǐng)域分子機(jī)制的研究已經(jīng)進(jìn)行了百余年，雖然也取得了一定的進(jìn)步，提出了許多假說(shuō)，但是其確切的機(jī)制仍然尚不明確。目前蛋白質(zhì)學(xué)說(shuō)和基因?qū)W說(shuō)是為人們所廣泛認(rèn)可的兩種基本學(xué)說(shuō)，大多數(shù)研究均圍繞這兩個(gè)學(xué)說(shuō)，并局限于受體、細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路及基因轉(zhuǎn)錄這三個(gè)水平的研究。但麻醉藥物的作用機(jī)制究竟是什么？目前仍存在許多疑問(wèn)，這一切向我們麻醉醫(yī)生提出了挑戰(zhàn)，也使我們對(duì)傳統(tǒng)的研究思路產(chǎn)生了疑惑，是否還有新的理論機(jī)制參與其中呢？我們迫切的需要跳出以往研究的思維定勢(shì)，尋找新的機(jī)制和理論來(lái)解決麻醉研究中的重重困難和疑團(tuán)。

隨著蛋白質(zhì)組學(xué)的快速發(fā)展，人們深刻地認(rèn)識(shí)到，最終決定一個(gè)基因作用的是其蛋白質(zhì)水平和活性。人類蛋白質(zhì)組與基因組是不可分割的，但蛋白質(zhì)組研究面臨更大的挑戰(zhàn)。一方面是由于蛋白質(zhì)的種類遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基因的數(shù)量，尤其是蛋白質(zhì)的表達(dá)和活性是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、高度調(diào)控的過(guò)程，且與其他蛋白質(zhì)之間相互作用；另一方面，大多數(shù)蛋白質(zhì)會(huì)發(fā)生某些形式的翻譯后修飾，使得蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜, 功能更為多樣, 調(diào)節(jié)更為精細(xì), 作用更為專一。實(shí)際上，蛋白質(zhì)翻譯后修飾是蛋白質(zhì)動(dòng)態(tài)反應(yīng)和相互作用的一個(gè)重要分子基礎(chǔ)。同時(shí)，它也是細(xì)胞信號(hào)網(wǎng)絡(luò)調(diào)控的重要靶點(diǎn)。正如《國(guó)家科學(xué)和技術(shù)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃（2006～2020年）》所指出的那樣，蛋白質(zhì)科學(xué)研究成果將催生一系列新的生物技術(shù)，帶動(dòng)醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)和綠色產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，從而引領(lǐng)未來(lái)生物經(jīng)濟(jì)。因此，蛋白質(zhì)科學(xué)是目前各個(gè)國(guó)家激烈爭(zhēng)奪的生命科學(xué)制高點(diǎn)，蛋白質(zhì)翻譯后修飾已經(jīng)成為國(guó)際上蛋白質(zhì)研究的一個(gè)極其重要的領(lǐng)域。

最近十多年來(lái)，國(guó)際上對(duì)蛋白質(zhì)修飾的發(fā)生、動(dòng)態(tài)調(diào)控機(jī)制、功能和在生理和病理過(guò)程中的意義給予了高度的關(guān)注。迄今已發(fā)現(xiàn)有200多種蛋白質(zhì)修飾。 這些共價(jià)修飾是瞬時(shí)并可逆的，在調(diào)控蛋白質(zhì)的功能中起重要作用。其中，磷酸化是發(fā)現(xiàn)最早也是目前研究較多的蛋白質(zhì)翻譯后修飾，其在全麻機(jī)制中的作用已經(jīng)得到了較為深入的研究。而另一方面，影響蛋白質(zhì)穩(wěn)定性的化學(xué)修飾是極為經(jīng)濟(jì)、快速而有效的修飾。過(guò)去已知泛素化通過(guò)蛋白質(zhì)降解參與調(diào)控體內(nèi)大多數(shù)蛋白質(zhì)的濃度；而非降解性泛素化和類泛素化則是一個(gè)正在興起，前景極為廣闊的研究領(lǐng)域。更為重要的是，不同的翻譯后修飾方式并不是單獨(dú)發(fā)生的，它們往往組合在一起，或相繼或同時(shí)發(fā)生，從而增強(qiáng)蛋白質(zhì)的生物學(xué)活性，大大擴(kuò)展它們?cè)谛盘?hào)通路中的功能。

有鑒于此, 本文將主要側(cè)重于從蛋白質(zhì)的磷酸化、泛素化、類泛素化修飾角度出發(fā)來(lái)探討全麻藥物的作用機(jī)制，重點(diǎn)是結(jié)合本實(shí)驗(yàn)室近年來(lái)在這三種形式蛋白質(zhì)翻譯后修飾方面取得的研究成果及國(guó)際最新研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行討論。

1 蛋白質(zhì)磷酸化、泛素化和類泛素化修飾

1.1 簡(jiǎn)介

磷酸化是在蛋白激酶催化下將磷酸基團(tuán)轉(zhuǎn)移到底物蛋白質(zhì)氨基酸殘基上的過(guò)程。其逆向反應(yīng)由磷酸酶所介導(dǎo)發(fā)生去磷酸化。細(xì)胞內(nèi)蛋白激酶可以分為二大類，一類是絲氨酸蘇氨酸蛋白激酶，參與多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)過(guò)程；另一類是酪氨酸蛋白激酶，在細(xì)胞生長(zhǎng)，分化和轉(zhuǎn)化中起重要作用。不同的蛋白激酶可識(shí)別和修飾不同蛋白質(zhì)的不同位點(diǎn)。蛋白激酶可以通過(guò)磷酸化調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的活性，還可以通過(guò)蛋白質(zhì)磷酸化的級(jí)聯(lián)反應(yīng)逐級(jí)放大信號(hào)。

泛素是一個(gè)由76個(gè)氨基酸組成的小分子蛋白，在活化酶E1、共軛酶E2和連接酶E3的共同作用下，共價(jià)結(jié)合到底物靶蛋白分子。這同時(shí)也是一個(gè)可逆過(guò)程，其去泛素化修飾是由一個(gè)去泛素化蛋白酶（Deubiquitinating Enzymes，DUB）家族來(lái)介導(dǎo)。泛素化修飾可分為多聚泛素化修飾（polyubiquitination）和單泛素化修飾 （monoubiquitination）。通過(guò)泛素賴氨酸殘基48（K48）形成的多泛素化（長(zhǎng)于4個(gè)泛素）的蛋白底物被26S蛋白酶體迅速降解進(jìn)而調(diào)控細(xì)胞內(nèi)底物蛋白濃度，而單泛素化或其他賴氨酸殘基形成的多泛素化修飾則參與蛋白質(zhì)活性調(diào)控。泛素化修飾是一種非常普遍的蛋白質(zhì)修飾。在酵母中，有高達(dá)20%的蛋白質(zhì)被泛素所修飾。雖然蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解過(guò)程已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了三十多年，但是其在神經(jīng)系統(tǒng)中的作用還是近十年來(lái)才逐漸展開(kāi)。在神經(jīng)系統(tǒng)中，多聚泛素化通過(guò)蛋白質(zhì)降解參與調(diào)控體內(nèi)大多數(shù)蛋白質(zhì)濃度, 而單泛素化主要參與膜受體的內(nèi)吞和囊泡的運(yùn)輸，它可以作為信號(hào)引導(dǎo)膜蛋白質(zhì)進(jìn)入小囊泡，最終受體被傳送至類溶酶體空泡內(nèi)降解。目前的研究顯示，泛素化修飾在神經(jīng)系統(tǒng)的很多個(gè)方面發(fā)揮重要作用，如反饋調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)錄，協(xié)調(diào)突觸的發(fā)育和消失，維持神經(jīng)傳遞水平，介導(dǎo)活動(dòng)依賴調(diào)節(jié)的突觸前和突觸后功能等。

除泛素化修飾外，細(xì)胞內(nèi)還存在包括SUMO（Small Ubiquitin-Related Modifier）, Rub1（Relatedto ubiquitin，或稱NEDD8）等十余種類泛素化（Ubiquitin-like，UBLs）修飾形式。其中，以SUMO為代表的修飾參與了對(duì)許多重要生命活動(dòng)過(guò)程的調(diào)節(jié)， 從而引起了較多的關(guān)注。SUMO是分子量約為11KD的小分子多肽，在脊椎動(dòng)物中有SUMO1、SUMO2、SUMO3三個(gè)成員[1-3]。與K48多泛素修飾所不同的是，類泛素化修飾通常并不直接介導(dǎo)靶底物降解，而是通過(guò)影響靶底物與其他蛋白的相互作用、細(xì)胞內(nèi)定位來(lái)調(diào)控其功能。以SUMO修飾為例, 其共價(jià)過(guò)程與泛素化相似，需要SUMO特有的E1（SAE1/SAE2）、E2（UBC9）和E3，也可被去SUMO蛋白酶SENP介導(dǎo)其可逆過(guò)程。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)類泛素化修飾在神經(jīng)系統(tǒng)功能中也發(fā)揮重要作用。最早發(fā)現(xiàn)的SUMO化修飾參與膜受體功能的蛋白質(zhì)——葡萄糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白GLUT1、GLUT4[4]及谷氨酸6受體[5]等均為神經(jīng)系統(tǒng)高表達(dá)蛋白。隨后又發(fā)現(xiàn)一些神經(jīng)系統(tǒng)特異性表達(dá)蛋白也能夠被SUMO化修飾，從而發(fā)揮不同的功能，在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[6-8]。

1.2 蛋白質(zhì)修飾的動(dòng)態(tài)過(guò)程與細(xì)胞信號(hào)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)

蛋白質(zhì)修飾的一個(gè)重要特點(diǎn)是可逆性。這種特性使得靶蛋白依修飾與去修飾出現(xiàn)一個(gè)動(dòng)態(tài)的活化過(guò)程。本文所涉及的這三種蛋白質(zhì)修飾形式均具有這種可逆性特點(diǎn)。一些信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路亦正是通過(guò)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)修飾的可逆過(guò)程而調(diào)控靶蛋白質(zhì)的活性。例如，缺氧可通過(guò)調(diào)節(jié)SUMO蛋白酶SENP1的表達(dá)，使低氧誘導(dǎo)因子（HIF）-1α去SUMO修飾，從而穩(wěn)定和激活HIF-1α的活性，參與對(duì)缺氧的反應(yīng)。

蛋白質(zhì)修飾還為蛋白質(zhì)間的相互作用提供了一個(gè)平臺(tái)。修飾往往會(huì)改變靶蛋白的結(jié)構(gòu)和細(xì)胞內(nèi)的位置，而使靶蛋白與其他蛋白質(zhì)間發(fā)生相互作用。例如，PML-NBs（Promyelocytic Leukemia nuclear bodies）能夠SUMO化修飾，而SUMO-1修飾的PMLNBs能夠進(jìn)一步招募其他蛋白質(zhì)，從而調(diào)節(jié)其蛋白質(zhì)活性與功能。以轉(zhuǎn)錄輔助抑制因子Daxx和p53為例，SUMO-1修飾的PML-NB與Daxx結(jié)合后可抑制其活性，而與p53結(jié)合后則發(fā)揮相反作用，即激活p53，增強(qiáng)依賴于p53的轉(zhuǎn)錄[9、10]。不僅如此，不同的修飾形式間亦可通過(guò)這種相互作用而發(fā)生相互關(guān)聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)不同蛋白質(zhì)修飾間的“對(duì)話”（crosstalk）。例如HIF1α在缺氧條件下發(fā)生SUMO修飾，這種修飾可使HIF1α與VHL E3 泛素連接酶結(jié)合而使其再發(fā)生泛素化修飾，從而降解SUMO修飾的HIF1α。此外，在同一蛋白發(fā)生的不同修飾之間存在相互影響。例如，轉(zhuǎn)錄因子肌細(xì)胞增強(qiáng)因子2A（MEF2A）在Lys403可發(fā)生SUMO或乙酰化修飾。當(dāng)MEF2A SUMO修飾后因占位效應(yīng)可抑制MEF2A的乙酰化發(fā)生。鈣調(diào)磷酸酶（Calcineurin）可首先調(diào)節(jié)MEF2A的Ser-408去磷酸化，進(jìn)而通過(guò)調(diào)節(jié)MEF2A去SUMO化修飾而促進(jìn)其乙?；揎椀陌l(fā)生，因此激活MEF2A的轉(zhuǎn)錄活性，發(fā)揮抑制神經(jīng)元突觸可塑性的作用。

這種蛋白質(zhì)修飾的動(dòng)態(tài)調(diào)控及與其他蛋白質(zhì)之間的相互作用，形成了細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的重要分子基礎(chǔ)。深入研究蛋白質(zhì)翻譯后修飾在麻醉領(lǐng)域中的作用，有助于我們能夠更好地理解麻醉機(jī)制，對(duì)于進(jìn)一步繪制麻醉藥物作用的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)也具有重要意義。

2 磷酸化與全麻機(jī)制

目前已經(jīng)有大量關(guān)于磷酸化在全麻作用機(jī)制中的研究，其中最為經(jīng)典的是cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP Responsive Element Binding Protein，CREB），它是最早證實(shí)由磷酸化調(diào)控其活性的轉(zhuǎn)錄因子之一，在腦內(nèi)所有細(xì)胞中均有表達(dá)，定位于核內(nèi)并在多種信號(hào)分子誘導(dǎo)下調(diào)控大量下游靶基因的表達(dá)。在多種細(xì)胞及動(dòng)物模型中均證實(shí)，CREB磷酸化在學(xué)習(xí)記憶過(guò)程中發(fā)揮重要的作用。臨床劑量的異丙酚能夠抑制NMDA受體激活的下游轉(zhuǎn)錄因子CREB及Elk的磷酸化激活，從而使CREB/Elk下游轉(zhuǎn)錄因子c-Fos的表達(dá)受限。而在這一過(guò)程中，異丙酚能夠抑制NMDA受體的NR1亞基磷酸化及下游ERK的磷酸化，從而最終抑制了CREB及Elk的磷酸化激活[11]。該研究充分說(shuō)明了磷酸化級(jí)聯(lián)反應(yīng)的逐級(jí)放大信號(hào)效應(yīng)。另外在細(xì)胞水平，異氟醚能夠降低CREB磷酸化水平，推測(cè)這可能是異氟醚影響記憶的機(jī)制之一[12]。我們實(shí)驗(yàn)室在磷酸化修飾領(lǐng)域也取得了一些成果。GSK-3β是一種絲/蘇氨酸蛋白激酶，廣泛的表達(dá)于神經(jīng)細(xì)胞，參與多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路，劉學(xué)勝等發(fā)現(xiàn)七氟醚通過(guò)抑制海馬內(nèi)GSK-3β磷酸化水平從而抑制記憶的鞏固過(guò)程[13]。

圖1 HIF1α在缺氧條件下發(fā)生SUMO修飾的示意圖

圖2 SUMO及乙酰化修飾調(diào)節(jié)MEF2A功能的示意圖

3 泛素化修飾與全麻機(jī)制

早在1999年，即有研究發(fā)現(xiàn)在釀酒酵母中，泛素化代謝參與了細(xì)胞對(duì)吸入麻醉藥物的反應(yīng)過(guò)程。吸入麻醉藥能夠阻滯釀酒酵母的分裂，雖然與哺乳動(dòng)物相比，酵母對(duì)麻醉藥物有著較低的敏感性，但是作為酵母生長(zhǎng)抑制劑和哺乳動(dòng)物麻醉藥，這些化合物的作用機(jī)制是非常相似的。酵母中的ZZZ1和MDP1/RSP5分別發(fā)揮與泛素鏈接酶鏈接（binds ubiquitin ligase）及泛素鏈接酶（ubiquitin ligase）的作用。研究發(fā)現(xiàn)，ZZZ1和MDP1/RSP5基因在麻醉藥物抑制酵母生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，增加這兩個(gè)基因能夠上調(diào)異氟醚的敏感性（即減少異氟醚的有效劑量），而減少這兩個(gè)基因的表達(dá)則降低了異氟醚的敏感性。以上結(jié)果提示泛素化修飾過(guò)程在麻醉藥物影響酵母細(xì)胞的反應(yīng)過(guò)程中發(fā)揮了作用。并且ZZZ1基因突變對(duì)其他吸入麻醉藥如甲氧氟烷、氟烷、安氟醚、七氟醚等，均有和異氟醚相類似的耐受作用，提示在酵母中這些吸入麻醉藥物的作用機(jī)制有某些相似之處[14]。隨后 2002年該研究小組又再次驗(yàn)證了此觀點(diǎn)[15]。但遺憾的是，此后（尤其是在哺乳動(dòng)物的研究中）一直沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。

3.1 泛素化和學(xué)習(xí)記憶

從學(xué)習(xí)到能夠回憶至少需要3個(gè)過(guò)程：信息的獲取、保存及提取。信息獲取需要有感知、有注意力并且能把信息編碼并轉(zhuǎn)化為一種能夠保存在記憶中的形式，即短時(shí)記憶的儲(chǔ)存（Short-Term Storage）。信息保存是把信息儲(chǔ)存在記憶里不讓其消失、被其他信息取代或被破壞，即從短時(shí)記憶轉(zhuǎn)化為長(zhǎng)時(shí)記憶（Long-Term Memory，LTM），也稱為記憶的鞏固（consolidation）。信息的提取則是把信息從存儲(chǔ)庫(kù)中調(diào)出并為意識(shí)所察覺(jué)的過(guò)程。研究發(fā)現(xiàn)，在外界刺激下，長(zhǎng)時(shí)記憶也可轉(zhuǎn)化為不穩(wěn)定的短時(shí)記憶，這一過(guò)程稱為記憶的重現(xiàn)（Memory Retrieval），在記憶重現(xiàn)后如果需要維持記憶則需要記憶的再鞏固（reconsolidation）。由此可以看出麻醉藥物對(duì)記憶的影響可以發(fā)生在多個(gè)不同的環(huán)節(jié)上。到目前為止，泛素蛋白酶體系統(tǒng)（Ubiquitin–Proteasome System，UPS）在學(xué)習(xí)記憶的各個(gè)過(guò)程中有發(fā)揮作用的。

圖3 記憶的各個(gè)階段示意圖

在海馬CA1區(qū)給予蛋白酶體抑制劑能夠引起抑制性逃避學(xué)習(xí)的逆行性遺忘（Retrograde Amnesia），抑制回避訓(xùn)練（Inhibitory Avoidance Task，IAT）能夠引起泛素化修飾和26S蛋白酶水解活性的增加和泛素蛋白酶體級(jí)聯(lián)反應(yīng)中一個(gè)亞基IκB水平降低。這些結(jié)果說(shuō)明泛素蛋白酶體系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)記憶的建立中發(fā)揮重要作用[16]。UPS抑制劑干擾了crab Chasmagnathus學(xué)習(xí)過(guò)程中的LTM的鞏固，但是并不影響短時(shí)記憶，通過(guò)影響NF-κB抑制分子IκB的降解過(guò)程，而抑制NF-κB的激活（其在crab Chasmagnathus學(xué)習(xí)過(guò)程中發(fā)揮重要作用）[17]。大鼠水迷宮實(shí)驗(yàn)證實(shí)，蛋白質(zhì)降解過(guò)程在記憶的鞏固和再鞏固過(guò)程中均發(fā)揮了重要作用，UPS在信息的獲取和再激活即刻立即發(fā)揮作用[18]。抑制UPS則損害了LTF的早期鞏固階段，影響了某些抑制性蛋白的降解，其中一個(gè)重要的抑制性蛋白為cAMP依賴蛋白激酶（cAMP-Dependent Protein Kinase，PKA）調(diào)節(jié)的（R）亞基，R亞基通過(guò)UPS降解，在長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定記憶的初始階段發(fā)揮重要作用[19]?？謶钟洃洠–ontextual Fear Memory）再提取后，海馬區(qū)突觸后蛋白通過(guò)多聚泛素化修飾迅速降解，記憶提取即刻向海馬CA1區(qū)給予蛋白酶體抑制劑來(lái)阻止蛋白合成抑制劑引起的記憶損害，也會(huì)阻止恐懼記憶的消失[20]。這提示UPS依賴的蛋白降解過(guò)程參與了恐懼記憶再提取后不穩(wěn)定的過(guò)程。這也說(shuō)明在記憶重現(xiàn)過(guò)程中，蛋白降解過(guò)程介導(dǎo)了已經(jīng)存在的記憶的中斷，而蛋白合成過(guò)程參加了新的記憶的鞏固[20-21]。

記憶的各個(gè)過(guò)程過(guò)程都需要突觸可塑性的參與。學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)則為中樞神經(jīng)系統(tǒng)的可塑性，能夠誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)的改變。這些改變包括氨基酸類神經(jīng)遞質(zhì)和受體，它們最終影響細(xì)胞內(nèi)信號(hào)通路及基因表達(dá)的變化，反過(guò)來(lái)會(huì)重塑神經(jīng)的反應(yīng)和信息的處理。其表現(xiàn)形式為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（Long-Term Synaptic Potentiation，LTP）和長(zhǎng)時(shí)程抑制（Long-Term Synaptic Depression，LTD）。

近年的研究發(fā)現(xiàn)，突觸可塑性依賴于蛋白質(zhì)的降解，尤其是通過(guò)UPS[16，22-24]。海生動(dòng)物Aplysia中增加蛋白酶體活性能夠引起蛋白酶體降解依賴的長(zhǎng)時(shí)程易化（Long-Term Facilitation，LTF）[24]，UPS在LTD中發(fā)揮了重要作用[25]。在大鼠模型中，被動(dòng)回避學(xué)習(xí)（Passive Avoidance Learning）與UPS有著密切的聯(lián)系[26]，敲除泛素C-末端水解酶（Ubiquitin C-Terminal Hydrolase，UCL）L1基因后，大鼠被動(dòng)回避學(xué)習(xí)，探索行為及海馬CA1區(qū)LTP均發(fā)生改變[27-28]。研究證實(shí)，泛素蛋白酶體途徑在成熟的神經(jīng)元中發(fā)揮著抑制突觸加強(qiáng)的作用[29]。

3.2 目前關(guān)于泛素化修飾在全麻機(jī)制中的研究與展望

泛素化修飾通過(guò)多種機(jī)制調(diào)節(jié)突觸后神經(jīng)傳遞，包括受體的運(yùn)輸，突觸后密度蛋白（Postsynaptic Density，PSD）的數(shù)目，胞吞作用，再循環(huán)的運(yùn)輸和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)途徑等。雖然目前關(guān)于泛素化修飾在全麻機(jī)制中的研究非常之少，但是關(guān)于泛素化修飾在神經(jīng)系統(tǒng)突觸可塑性中的作用已經(jīng)非常明確。在這里我們僅僅就我們目前的研究成果給予分析和展望。

我們研究小組任瑜等發(fā)現(xiàn)抑制雙側(cè)杏仁核GABAA受體功能能夠阻斷異丙酚引起的遺忘效應(yīng)和上調(diào)海馬區(qū)活動(dòng)依賴調(diào)節(jié)細(xì)胞骨架蛋白（Activity-Regulated Cytoskeleton–Associated Protein，Arc）的表達(dá)。該研究發(fā)現(xiàn)Arc的這種表達(dá)變化并沒(méi)有發(fā)生在基因水平，而僅僅是蛋白水平的變化。如何理解異丙酚引起的這種變化呢？我們認(rèn)為有兩種可能的解釋：第一，根據(jù)Alkire為該研究寫的述評(píng)所述，異丙酚引起的遺忘效應(yīng)可能發(fā)生在蛋白翻譯水平，如mRNA到蛋白質(zhì)合成這一步驟。并且列舉了蛋白質(zhì)翻譯過(guò)程中復(fù)雜的分子機(jī)制，提示eIF4E，mTOR，Akt等蛋白均是異丙酚作用的潛在靶點(diǎn)；第二，根據(jù)蛋白質(zhì)最終需要通過(guò)UPS降解，我們推測(cè)異丙酚引起的遺忘效應(yīng)也可能發(fā)生在蛋白降解水平，但是具體影響到該過(guò)程的那個(gè)環(huán)節(jié)，還需要進(jìn)一步研究。最新的研究發(fā)現(xiàn)Angelman綜合征中，E3泛素鏈接酶Ube3A通過(guò)影響Arc蛋白的泛素化降解，從而最終影響AMPA受體的內(nèi)吞。提示我們UPS系統(tǒng)在Arc蛋白的降解過(guò)程中確實(shí)發(fā)揮了作用，并且該過(guò)程的某些重要環(huán)節(jié)的調(diào)控異常也是某些病理性疾病的發(fā)病機(jī)制之一。

今后我們將從整體和細(xì)胞等多個(gè)水平，采用行為學(xué)和分子生物學(xué)等技術(shù)，深入探討泛素化修飾在全麻藥物作用中的機(jī)制。

4 SUMO化修飾與全麻機(jī)制

4.1 SUMO化修飾蛋白

神經(jīng)鉀離子通道K2P1和Kv1.5均能夠發(fā)生SUMO化修飾。K2P1是選擇性細(xì)胞膜通道，以往研究發(fā)現(xiàn)并不能記錄到該通道的電流信號(hào)[7]。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)該通道在K274位發(fā)生SUMO化修飾封閉了通道的孔隙。當(dāng)突變了該位點(diǎn)后，也即不能夠發(fā)生SUMO化修飾后，電記錄K2P1通道為一個(gè)活動(dòng)的，pH敏感性的，開(kāi)放的K+通道。電壓門控鉀通道Kv1.5在體內(nèi)可以為SUMO的三個(gè)亞型所修飾。最近的一項(xiàng)研究中，通過(guò)突變結(jié)合位點(diǎn)或者過(guò)表達(dá)SUMO蛋白酶 SENP2，從而抑制Kv1.5的SUMO化修飾后，引起了選擇性超極化的電壓年齡依賴性穩(wěn)態(tài)失活的轉(zhuǎn)變，表明SUMO化修飾在精細(xì)調(diào)節(jié)通道功能中發(fā)揮著作用[30]。

又有研究發(fā)現(xiàn)，紅藻氨酸受體（Kainate Receptors，KARs）能夠被SUMO化修飾。紅藻氨酸受體是四聚谷氨酸門控離子通道，突觸前膜的紅藻氨酸受體可以調(diào)節(jié)突觸前神經(jīng)遞質(zhì)釋放，而突觸后膜的紅藻氨酸受體的突觸后興奮有助于傳輸[31]。GluR6受體是KAR的亞型之一，活動(dòng)依賴能夠激活GluR6受體的SUMO化修飾[5]。GluR6在激活后有選擇性地迅速發(fā)生SUMO化修飾，引起受體內(nèi)吞。在海馬神經(jīng)元高表達(dá)SENP抑制了紅藻氨酸誘發(fā)的KAR內(nèi)吞。此外，SUMO結(jié)合位點(diǎn)突變（K886R）在紅藻氨酸刺激后并不內(nèi)吞，與這些研究結(jié)果相一致的是，在海馬腦片，當(dāng)SUMO化修飾時(shí)，KAR介導(dǎo)的興奮性突觸后電流減少，而去SUMO化修飾時(shí)增加。因此，SUMO化修飾的GluR6參與了激動(dòng)劑誘導(dǎo)的KAR內(nèi)吞作用的具體信號(hào)[5]。這些結(jié)果提示，SUMO結(jié)合可能是調(diào)節(jié)離子通道功能的普遍機(jī)制。

除了受體以外，一些重要的轉(zhuǎn)錄因子也能夠發(fā)生SUMO化修飾。轉(zhuǎn)錄因子MEF2A能夠被SUMO化修飾，該反應(yīng)是由E3連接酶PIASx所催化[32]。SUMO化的MEF2A是功能抑制的?；顒?dòng)依賴性刺激能夠激活MEF2的上游通路，使MEF2A的408位絲氨酸去磷酸化，并促進(jìn)MEF2A 403位的賴氨酸位點(diǎn)由類泛素化（SUMO）修飾轉(zhuǎn)變?yōu)橐阴；╝cetylation）修飾，乙?；腗EF2A轉(zhuǎn)錄活性增強(qiáng)，從而促進(jìn)下游基因的表達(dá)，最終抑制樹(shù)突爪的分化[6]。因?yàn)楹芏噢D(zhuǎn)錄因子存在這樣的SUMO乙?；幕?，故冠名統(tǒng)稱為SAS（Sumoylation-Acetylation Switch），并認(rèn)為這一開(kāi)關(guān)控制著轉(zhuǎn)錄因子的活性[33]。

最近研究發(fā)現(xiàn)突觸前膜整體SUMO化修飾在鈣內(nèi)流和谷氨酸釋放中發(fā)揮作用[34]。該研究發(fā)現(xiàn)在突觸小體轉(zhuǎn)入重組SUMO1蛋白后減少了KCl刺激引起的谷氨酸釋放；而轉(zhuǎn)入SUMO特異性蛋白酶SENP1，即降低了突觸小體的SUMO1蛋白水平后，可以增加KCl刺激引起的谷氨酸釋放。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，突觸小體轉(zhuǎn)入重組SUMO1蛋白后增加了，SENP1減少了紅藻氨酸鹽刺激引起的谷氨酸釋放。提示SUMO化修飾在神經(jīng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用。同時(shí)還驗(yàn)證了SUMO化修飾在神經(jīng)遞質(zhì)釋放及Ca2+釋放中的重要功能。

4.2 SUMO化修飾與全麻機(jī)制及展望

目前，國(guó)際上麻醉學(xué)家關(guān)于SUMO化修飾在麻醉領(lǐng)域的研究屈指可數(shù)，除了本研究小組以外，最為活躍的為杜克大學(xué)的Wulf Paschen教授研究小組，僅2008～2009年即發(fā)表了4篇相關(guān)文獻(xiàn)，但是他們的研究均集中在缺血再灌注和器官保護(hù)方面[35-38]，而本研究小組主要在全麻機(jī)制方面進(jìn)行了深入探討。

本研究組滕士勇和張曉琴等分別在HEK293細(xì)胞和SHSY5Y細(xì)胞水平證明了異丙酚和氯胺酮抑制谷氨酸誘導(dǎo)的GluR6受體SUMO化修飾的增加。陸菡等發(fā)現(xiàn)氯化鉀刺激引起的去極化能夠上調(diào)SUMO化修飾水平和細(xì)胞定位，這一過(guò)程是由鈣內(nèi)流及細(xì)胞內(nèi)鈣信號(hào)所介導(dǎo)，并且該過(guò)程中三種形式的SUMO化修飾變化并不相同[39]，以往的研究顯示，只有瞬時(shí)過(guò)表達(dá)SUMO蛋白或者處于應(yīng)激狀態(tài)下才能上調(diào)SUMO化修飾。目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)SUMO化修飾通路的化學(xué)或者生物合成的激活劑，該研究是首次發(fā)現(xiàn)在生理狀態(tài)下整體SUMO化修飾受神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)活動(dòng)所調(diào)節(jié)。我們前期的預(yù)實(shí)驗(yàn)也顯示，異丙酚能夠上調(diào)SUMO1的表達(dá)，并且該反應(yīng)速度較快，初步結(jié)果顯示15分鐘內(nèi)即發(fā)生變化。結(jié)合前述的整體SUMO化修飾在鈣內(nèi)流和谷氨酸釋放中發(fā)揮作用，我們推測(cè)異丙酚通過(guò)影響整體SUMO化修飾調(diào)節(jié)鈣內(nèi)流和谷氨酸釋放，相關(guān)實(shí)驗(yàn)正在進(jìn)行中。如果我們的推測(cè)是正確的，那么是哪些重要蛋白的SUMO化修飾發(fā)生了改變，該過(guò)程中SUMO特有的E1、E2和E3，以及去SUMO蛋白酶SENP是如何變化從而最終影響整體SUMO化修飾水平的？全麻藥物作用與該過(guò)程的哪個(gè)環(huán)節(jié)？整體水平與細(xì)胞水平的變化是否一致？

由于SUMO化的發(fā)現(xiàn)僅僅十年余，在神經(jīng)領(lǐng)域的進(jìn)展相對(duì)較緩慢，尤其是目前并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)特異的SUMO通路的抑制劑或激活劑，并且生理狀態(tài)下某一個(gè)蛋白質(zhì)的SUMO化修飾非常微量，使得整體水平研究類泛素化修飾非常困難，大多數(shù)研究仍多集中在單個(gè)蛋白水平及體外水平。而關(guān)于泛素化修飾的研究之所以能夠發(fā)展得如此迅速，這與能夠特異性抑制泛素降解途徑的抑制劑（如MG132）的發(fā)現(xiàn)有關(guān)；雖然目前有關(guān)于SENP的基因敲除小鼠，但是這些小鼠在胚胎期即死亡了，這一方面說(shuō)明整體SUMO化修飾變化在發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用，另一方面使我們?cè)谡w水平的進(jìn)一步研究難以繼續(xù)。盡管如此，我們?nèi)匀粚?duì)進(jìn)一步研究SUMO化修飾在全麻機(jī)制中的作用充滿了期待和信心！

5 結(jié)語(yǔ)

為了從一個(gè)全新的角度探討麻醉及麻醉相關(guān)領(lǐng)域中的有關(guān)問(wèn)題，本文試圖從蛋白質(zhì)翻譯后修飾的角度出發(fā)探討全麻藥物作用的可能機(jī)制。由于目前關(guān)于蛋白質(zhì)翻譯后修飾，尤其是其在神經(jīng)系統(tǒng)中作用的相關(guān)研究并未完全闡明，本文也只是起到“拋磚引玉”的作用。目前我們已經(jīng)逐漸發(fā)現(xiàn)僅僅靠一元論來(lái)解釋全麻機(jī)制是不現(xiàn)實(shí)的，全麻藥物作用機(jī)制是多部位、多靶點(diǎn)共同作用的結(jié)果。希望更多的麻醉學(xué)研究者能夠關(guān)注蛋白質(zhì)翻譯后修飾這一領(lǐng)域，繪制其在全麻機(jī)制中作用的復(fù)雜信號(hào)網(wǎng)絡(luò)圖譜，為早日揭示全麻機(jī)制的神秘面紗做出不懈的努力。

[1]Ulrich HD. The SUMO system: an overview. Methods Mol Biol., 2009, 497:3-16.

[2]Anckar J, Sistonen L. SUMO: getting it on. Biochem Soc Trans., 2007,35(Pt 6): 1409-13.

[3]Johnson ES. Protein modi fi cation by SUMO. Annu Rev Biochem., 2004,73: 355-82.

[4]Giorgino F, de Robertis O, Laviola L, et al. The sentrin-conjugating enzyme mUbc9 interacts with GLUT4 and GLUT1 glucose transporters and regulates transporter levels in skeletal muscle cells. Proc Natl Acad Sci U S A., 2000, 97(3): 1125-30.

[5]Martin S, Nishimune A, Mellor JR, et al. SUMOylation regulates kainatereceptor-mediated synaptic transmission. Nature, 2007, 447(7142): 321-5.

[6]Flavell SW, Cowan CW, Kim TK, et al. Greenberg, Activity-dependent regulation of MEF2 transcription factors suppresses excitatory synapse number. Science, 2006, 311(5763): 1008-12.

[7]Plant LD, Rajan S, Goldstein SA. K2P channels and their protein partners.Curr Opin Neurobiol., 2005, 15(3): 326-33.

[8]Wilkinson KA, Nishimune A, Henley JM. Analysis of SUMO-1 modi fi cation of neuronal proteins containing consensus SUMOylation motifs. Neurosci Lett., 2008, 436 (2): 239-44.

[9]Komura N, Asakawa M, Umezawa K, et al. Tyrosine kinase inhibitor,methyl 2,5-dihydromethylcinnimate, induces PML nuclear body formation and apoptosis in tumor cells. Exp Cell Res., 2007, 313 (13): 2753-65.

[10]Muller S, Ledl A, Schmidt D. SUMO: a regulator of gene expression and genome integrity. Oncogene, 2004, 23 (11): 1998-2008.

[11]Kozinn J, Mao L, Arora A, et al. Inhibition of glutamatergic activation of extracellular signal-regulated protein kinases in hippocampal neurons by the intravenous anesthetic propofol. Anesthesiology, 2006, 105(6): 1182-91.

[12]Zhang J, Sutachan JJ, Montoya-Gacharna J, et al. Isoflurane inhibits cyclic adenosine monophosphate response element-binding protein phosphorylation and calmodulin translocation to the nucleus of SH-SY5Y cells. Anesth Analg.,2009, 109(4): 1127-34.

[13]Xuesheng Liu, Qingsheng Xue, Qingwen Zeng, et al. Sevo fl urane impairs memory consolidation in rats, possibly through inhibiting phosphorylation of glycogen synthase kinase-3-beta in the hippocampus. Neurobiol Learn Mem. 2010 Aug 28 (PMID: 20807582)

[14]Wolfe D, Reiner T, Keeley JL, et al. Ubiquitin metabolism affects cellular response to volatile anesthetics in yeast. Mol Cell Biol., 1999, 19 (12):8254-62.

[15]Palmer LK, Wolfe D, Keeley JL, et al. Volatile anesthetics affect nutrient availability in yeast. Genetics, 2002, 161: 563-74.

[16]Lopez-Salon M, Alonso M, Vianna MR, et al. The ubiquitin-proteasome cascade is required for mammalian long-term memory formation. Eur J Neurosci., 2001, 14 (11): 1820-6.

[17]Merlo E, Romano A. Long-term memory consolidation depends on proteasome activity in the crab Chasmagnathus. Neuroscience, 2007, 147(1): 46-52.

[18]Artinian J, McGauran AM, De Jaeger X, et al. Protein degradation, as with protein synthesis, is required during not only long-term spatial memory consolidation but also reconsolidation. Eur J Neurosci., 2008, 27 (11): 3009-19.

[19]Chain DG, Schwartz JH, Hegde AN. Ubiquitin-mediated proteolysis in learning and memory. Mol Neurobiol., 1999, 20 (2-3): 125-42.

[20]Lee SH, Choi JH, Lee N, et al. Synaptic protein degradation underlies destabilization of retrieved fear memory. Science, 2008, 319 (5867):1253-6.

[21]Kaang BK, Lee SH, Kim H. Synaptic protein degradation as a mechanism in memory reorganization. Neuroscientist, 2009, 15(5): 430-5.

[22]Fonseca R, Vabulas RM, Hartl FU, et al. A balance of protein synthesis and proteasome-dependent degradation determines the maintenance of LTP. Neuron, 2006, 52(2): 239-45.

[23]Bingol B, Schuman EM. Synaptic protein degradation by the ubiquitin proteasome system. Curr Opin Neurobiol., 2005, 15(5): 536-41.

[24]Hegde AN, Inokuchi K, Pei W, et al. Ubiquitin C-terminal hydrolase is an immediate-early gene essential for long-term facilitation in Aplysia. Cell,1997, 89(1): 115-26.

[25]Fioravante D, Liu RY, Byrne JH. The ubiquitin-proteasome system is necessary for long-term synaptic depression in Aplysia. J Neurosci., 2008,28(41): 10245-56.

[26]Foley AG, Hartz BP, Gallagher HC, et al. A synthetic peptide ligand of neural cell adhesion molecule (NCAM) IgI domain prevents NCAM internalization and disrupts passive avoidance learning. J Neurochem.,2000, 74(6): 2607-13.

[27]Sakurai M, Sekiguchi M, Zushida K, et al. Reduction in memory in passive avoidance learning, exploratory behaviour and synaptic plasticity in mice with a spontaneous deletion in the ubiquitin C-terminal hydrolase L1 gene.Eur J Neurosci., 2008, 27(3): 691-701.

[28]Cookson MR, Hardy J. The persistence of memory. N Engl J Med., 2006,355(25): 2697-8.

[29]Zhao Y, Hegde AN, Martin KC. The ubiquitin proteasome system functions as an inhibitory constraint on synaptic strengthening. Curr Biol., 2003,13(11): 887-98.

[30]Benson MD, Li QJ, Kieckhafer K, et al. SUMO modification regulates inactivation of the voltage-gated potassium channel Kv1.5. Proc Natl Acad Sci U S A., 2007, 104(6): 1805-10.

[31]Jaskolski F, Coussen F, Mulle C. Subcellular localization and traf fi cking of kainate receptors. Trends Pharmacol Sci., 2005, 26(1): 20-6.

[32]Shalizi A, Bilimoria PM, Stegmuller J, et al. PIASx is a MEF2 SUMO E3 ligase that promotes postsynaptic dendritic morphogenesis. J Neurosci.,2007, 27(37): 10037-46.

[33]Shalizi A, Gaudilliere B, Yuan Z, et al. A calcium-regulated MEF2 sumoylation switch controls postsynaptic differentiation. Science, 2006,311 (5763): 1012-7.

[34]Feligioni M, Nishimune A, Henley JM. Protein SUMOylation modulates calcium influx and glutamate release from presynaptic terminals. Eur J Neurosci., 2009, 29(7): 1348-56.

[35]Yang W, Sheng H, Homi HM, et al. Cerebral ischemia/stroke and small ubiquitin-like modi fi er (SUMO) conjugation--a new target for therapeutic intervention? J Neurochem., 2008, 106 (3): 989-99.

[36]Yang W, Sheng H, Warner DS, et al. Transient focal cerebral ischemia induces a dramatic activation of small ubiquitin-like modi fi er conjugation. J Cereb Blood Flow Metab., 2008, 28(5): 892-6.

[37]Yang W, Sheng H, Warner DS, et al. Transient global cerebral ischemia induces a massive increase in protein sumoylation. J Cereb Blood Flow Metab., 2008, 28 (2): 269-79.

[38]Yang W, Ma Q, Mackensen GB, et al. Deep hypothermia markedly activates the small ubiquitin-like modi fi er conjugation pathway; implications for the fate of cells exposed to transient deep hypothermic cardiopulmonary bypass. J Cereb Blood Flow Metab., 2009, 29 (5): 886-90.

[39]Lu H, Liu B, You S, et al. The activity-dependent stimuli increase SUMO modi fi cation in SHSY5Y cells. Biochem Biophys Res Commun., 2009, 390(3): 872-6.

陸菡，女，29歲，麻醉學(xué)博士。

1999～2004 年就讀于華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院獲臨床專業(yè)本科學(xué)位。2004～2007年就讀于華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院獲老年醫(yī)學(xué)碩士學(xué)位。2007～2010年就讀于上海交通醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院獲麻醉學(xué)博士學(xué)位，師從于布為教授。獲得2009年上海市麻醉學(xué)學(xué)術(shù)年會(huì)“恩華杯”“青年麻醉醫(yī)師論文競(jìng)賽”評(píng)比一等獎(jiǎng)。博士期間參與兩項(xiàng)國(guó)家自然基金（編號(hào)：30672020及30500479）的研究，熟練掌握各種實(shí)驗(yàn)技能，目前發(fā)表論文4篇（其中第一作者3篇）。主要研究方向：蛋白質(zhì)翻譯后修飾在麻醉領(lǐng)域中的作用機(jī)制。

電子郵件：luhan0301@163.com

于布為，男，55歲。醫(yī)學(xué)博士，教授，主任醫(yī)師，博士生導(dǎo)師。

上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬瑞金醫(yī)院麻醉科主任。中華醫(yī)學(xué)會(huì)麻醉學(xué)分會(huì)第十屆全國(guó)委員會(huì)主任委員?！堵樽砼c監(jiān)護(hù)論壇》主編，《醫(yī)學(xué)參考報(bào) · 麻醉學(xué)頻道》主編。

于布為教授創(chuàng)立了“理想麻醉狀態(tài)”理念和臨床實(shí)踐。擅長(zhǎng)心血管手術(shù)麻醉和危重病救治。從事麻醉與記憶的基礎(chǔ)和臨床研究。主持國(guó)家自然科學(xué)基金3項(xiàng)，上?？莆?項(xiàng)。發(fā)表論著一百八十余篇，SCI收錄十余篇。主編出版專著3部。

電子郵件：yubuwei@yahoo.com.cn

陳向東，男，40歲。出生于湖北省蘄春縣。1993年畢業(yè)于湖北醫(yī)科大學(xué)臨床醫(yī)療系，同年留校于湖北醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院麻醉科工作。2002年獲得日本札幌醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)博士學(xué)位，同年赴美國(guó)Virginia大學(xué)藥理系做博士后研究工作并于2010年被四川大學(xué)華西醫(yī)院以第一層次人才引進(jìn)回國(guó)?；貒?guó)前就職于美國(guó)Virginia大學(xué)藥理系助理教授。

目前作為特聘教授、博士生導(dǎo)師就職于四川大學(xué)華西醫(yī)院麻醉科。在過(guò)去的10余年留學(xué)期間一直致力于麻醉藥物分子作用機(jī)制研究，在麻醉藥物對(duì)呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用方面作了一些研究，并發(fā)表論文31篇，其中SCI論文23篇。以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文11篇，論文最高影響因子為9.6分。單一論文最高引用次數(shù)近50次。曾主持美國(guó)和日本研究基金各一項(xiàng)，已完成中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金一項(xiàng)，現(xiàn)主持中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目和美國(guó)NARSAD青年基金各一項(xiàng)。參與并共同主持美國(guó)NIH基金多項(xiàng)。

電子郵箱：xiangdong_chen@yahoo.com