Drebrin對(duì)突觸可塑性的影響以及相關(guān)認(rèn)知功能障礙的研究進(jìn)展

賈麗潔，羅 艷，張富軍，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，上海 200025)

在大腦皮層和海馬，幾乎所有的興奮性突觸都由樹突棘構(gòu)成。樹突棘的形態(tài)和功能可塑性是突觸發(fā)育，以及神經(jīng)通路重塑的先決條件，也是大腦行使高級(jí)功能(如學(xué)習(xí)記憶)的重要機(jī)制［1］。隨著分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，對(duì)調(diào)控樹突棘可塑性的蛋白質(zhì)分子有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，大腦發(fā)育調(diào)節(jié)蛋白(developmentally regulated brain protein，Drebrin)因其獨(dú)特的神經(jīng)元特異性、強(qiáng)效的細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)能力以及與認(rèn)知功能的密切聯(lián)系，引起了人們的廣泛關(guān)注。本文擬就Drebrin對(duì)樹突棘和突觸形態(tài)及功能可塑性的影響、調(diào)控Drebrin的分子機(jī)制以及相關(guān)認(rèn)知功能障礙等方面的最新研究進(jìn)展作一綜述。

1 Drebrin概述

Drebrin有胚胎型(embryonic type，Drebrin E)和成人型(adult type，Drebrin A)兩個(gè)亞型，兩者可能由同一基因經(jīng)轉(zhuǎn)錄水平的選擇性剪接而分別表達(dá)。Drebrin E除普遍存在于發(fā)育期腦部神經(jīng)元的整個(gè)細(xì)胞內(nèi)，還有腦外表達(dá);成熟腦組織中只有Drebrin A，其分布具有神經(jīng)元特異性，主要聚集在大約70%的興奮性突觸樹突棘中［2］。作為唯一的神經(jīng)元特異性的肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白(actin-binding proteins，ABPs)，Drebrin除直接與纖維型肌動(dòng)蛋白(fibrous actin，F(xiàn)-actin)結(jié)合外，還與其他ABPs(如原肌球蛋白、肌球蛋白II等)競(jìng)爭(zhēng)F-actin，從而調(diào)節(jié)ABPs與F-actin的相互作用，更有力的調(diào)控細(xì)胞骨架，因此Sekino等［3］認(rèn)為Drebrin是多種 ABPs上游的調(diào)控分子。

2 Drebrin對(duì)樹突棘及神經(jīng)突形態(tài)可塑性的影響

2.1 Drebrin對(duì)發(fā)育期樹突棘、神經(jīng)突的作用樹突棘的組分主要是突觸后膜致密物質(zhì)(post synaptic density，PSD)和肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，其發(fā)育在形態(tài)學(xué)上表現(xiàn)為從細(xì)長(zhǎng)的絲狀偽足(幼稚樹突棘)到蘑菇狀的突起(成熟樹突棘)［3－4］，該過程中Drebrin首先成簇聚集在絲狀偽足上，隨后出現(xiàn)F-actin與PSD-95(PSD的一種構(gòu)架蛋白)的聚集;通過反義寡核苷酸技術(shù)(antisense oligonucleotides，AO)下調(diào) Drebrin可減少PSD-95的錨定，并明顯減小樹突棘的寬度和密度，這些形態(tài)改變可因Drebrin表達(dá)的增加而恢復(fù)［5－6］。通過抑制神經(jīng)興奮性使Drebrin聚集減少也會(huì)導(dǎo)致樹突棘的形態(tài)幼稚、畸形［7］。上述研究都表明突觸后膜Drebrin的聚集是樹突棘形成過程中的重要步驟，抑制Drebrin則損害正常樹突棘的形成。然而，上調(diào)發(fā)育早期海馬神經(jīng)元的Drebrin水平，使樹突內(nèi)F-actin和PSD-95聚集增加，卻沒有促進(jìn)絲狀偽足到成熟樹突棘的形態(tài)轉(zhuǎn)變，形成異常的巨大絲狀偽足［8］。這提示至少在發(fā)育期的海馬神經(jīng)元中，維持Drebrin的生理水平對(duì)形成形態(tài)正常的樹突棘具有重要意義。

神經(jīng)突的形成需要絲狀偽足、actin和微管。Geraldo等［9］的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)元生長(zhǎng)錐上，當(dāng)絲狀偽足附近的F-actin與Drebrin結(jié)合，同時(shí)伸入絲狀偽足的微管正極端與微管末端結(jié)合蛋白3(microtubule end-binding protein 3，EB3)結(jié)合時(shí)，Drebrin可直接與EB3相連接，使得微管末端沿F-actin線形分布，有助于形成神經(jīng)突;經(jīng)RNA干擾技術(shù)下調(diào)Drebrin則使神經(jīng)突明顯縮短。該研究表明［9］Drebrin對(duì)介導(dǎo)F-actin與微管的連接以及神經(jīng)突的形成起重要作用。

2.2 Drebrin對(duì)成熟樹突棘的作用在成熟小鼠腦部，Drebrin A免疫陽性樹突棘的頭部體積大、PSD長(zhǎng)，并可能形成較多的穿孔突觸［10］，減少 Drebrin可減低樹突棘的密度［11］。Biou等［12］在大鼠海馬神經(jīng)元中上調(diào)Drebrin后發(fā)現(xiàn)，在成熟樹突上出現(xiàn)絲狀偽足等幼稚樹突棘具有的形態(tài)特征，破壞樹突棘的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，增強(qiáng)可塑性;而阻滯Drebrin可增加其穩(wěn)定性。另外，Drebrin也是成熟樹突棘的形態(tài)在細(xì)長(zhǎng)形、蘑菇形和短粗形之間動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換的重要調(diào)控分子［3］。由此推測(cè)基礎(chǔ)水平的Drebrin可能參與維持成熟樹突棘的形態(tài)穩(wěn)定性，其表達(dá)上調(diào)則促進(jìn)樹突棘的形態(tài)可塑性。

3 Drebrin對(duì)樹突棘及突觸功能可塑性的影響及機(jī)制

3.1 Drebrin在長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation，LTP)中的作用樹突棘的可塑性對(duì)實(shí)現(xiàn)神經(jīng)功能具有重要意義，在神經(jīng)受刺激(如學(xué)習(xí))時(shí)，樹突棘活躍的功能可塑性具有接受信息的能力，有助于學(xué)習(xí)新的知識(shí)［13］。在大鼠海馬齒狀回，LTP的誘導(dǎo)伴隨有興奮樹突棘內(nèi)Drebrin的聚集［14］，最近對(duì)體外培養(yǎng)海馬神經(jīng)元的研究［15］或可解釋聚集的Drebrin對(duì)LTP的作用:Drebrin A水平增加使谷氨酸受體介導(dǎo)的興奮性突觸后微電流的幅度和頻率增加，電荷轉(zhuǎn)移也明顯增加，而使 γ-氨基丁酸(γ-aminobutyric acid，GABA)受體介導(dǎo)的抑制性突觸后微電流雖然幅度減小，頻率增大，但電荷轉(zhuǎn)移與對(duì)照組相比較卻無明顯差異。Drebrin A含量增加后，增強(qiáng)谷氨酸能突觸，而幾乎不影響GABA能突觸的效應(yīng)，將使神經(jīng)元的興奮-抑制平衡轉(zhuǎn)向興奮性，有利于LTP的誘導(dǎo)。

3.2 Drebrin介導(dǎo)的自身穩(wěn)態(tài)的突觸可塑性(homeostatic synaptic plasticity，HSP)突觸可塑性除了LTP外還包括近年來發(fā)現(xiàn)的HSP(又稱synaptic scaling)。HSP主要是將神經(jīng)元的興奮性維持在一定的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，避免過度興奮和突觸衰竭［16］，神經(jīng)興奮性依賴的N-甲基-D-門冬氨酸(N-methyl-D-aspartate，NMDA)受體遷移可能是其機(jī)制之一。早期研究 發(fā) 現(xiàn)［17－18］，NMDA受體拮抗劑D-APV(D-aminophosphovalericacid)使NMDA受體亞單位NR2A的水平迅速(＜30 min)增加，同時(shí)伴隨有F-actin以及Drebrin A的聚集。相反，激活NMDA受體后，Drebrin A從樹突棘轉(zhuǎn)移至樹突干和細(xì)胞體［19］，含有 NR2A 的 NMDA 受體被內(nèi)吞［20］。這些現(xiàn)象提示，Drebrin A可通過直接影響興奮性突觸HSP的雙向調(diào)控作用調(diào)節(jié)突觸可塑性。敲除［18］或通過AO下調(diào)［6］Drebrin A后，NMDA受體拮抗劑均不再引起NMDA受體的上調(diào)反應(yīng)，這說明阻滯NMDA受體后，樹突棘內(nèi)作為代償反應(yīng)的NMDA受體的遷移需要Drebrin A的參與，其表達(dá)水平可直接影響突觸的HSP。

4 調(diào)控Drebrin的分子機(jī)制

目前普遍認(rèn)為Drebrin在樹突棘的遷移與發(fā)育階段及神經(jīng)功能狀態(tài)有關(guān)，但對(duì)具體調(diào)控分子及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究尚在探索階段。最近發(fā)現(xiàn)［7］海馬神經(jīng)元興奮時(shí)，Drebrin的聚集與α-氨基羥甲基惡唑丙酸(α-amino-3-hydroxyl-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid，AMPA)受體活性有關(guān)，激活A(yù)MPA受體不影響Drebrin的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)換率，卻使樹突棘內(nèi)穩(wěn)定性Drebrin的比例增加，產(chǎn)生Drebrin聚集的總體效應(yīng);AMPA受體的活化可激活NMDA受體，在NMDA受體拮抗劑的作用下激活A(yù)MPA受體，樹突棘內(nèi)仍存在穩(wěn)定性Drebrin的比例增加效應(yīng)，卻使Drebrin遷移至樹突棘的流動(dòng)效率下降。這一研究提示，AMPA受體調(diào)控的Drebrin穩(wěn)定性以及NMDA受體調(diào)控的Drebrin流動(dòng)性可能是神經(jīng)興奮性調(diào)控Drebrin聚集的機(jī)制之一。除上述細(xì)胞膜受體外，Drebrin也受多種胞質(zhì)內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)分子的調(diào)控。Biou等［12］發(fā)現(xiàn)在樹突棘的可塑性中Drebrin受Ras調(diào)節(jié)，Ras是鈣依賴性信號(hào)通路下游的重要調(diào)控位點(diǎn)，因此推測(cè)，興奮性突觸后膜的鈣信號(hào)到突觸可塑性之間可能存在Drebrin參與的相關(guān)通路。在樹突廣泛分布的PAK(p21-activated kinase)是GTP酶下游的效應(yīng)蛋白，PAK抑制劑可直接抑制Drebrin活性［21］。另外，Drebrin還是天冬氨酸特異性的半胱氨酸蛋白水解酶-6(caspase-6)的底物，可被激活的caspase-6直接分解［22］。Homer2(又稱cupidin)是興奮性突觸PSD的一種構(gòu)架蛋白，其氮端的EVH-1(Ena/VASP homology 1)域可識(shí)別 Drebrin碳端的PPxxF(Pro-Pro-x-x-Phe)序列，過度表達(dá)突變型cupidin可減少樹突棘內(nèi)Drebrin的聚集，導(dǎo)致樹突棘形態(tài)改變［23］。因cupidin可與多種突觸信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白結(jié)合，故可作為神經(jīng)活性調(diào)節(jié)Drebrin的中間環(huán)節(jié)。另外，切除碳端的Drebrin因失去PPxxF序列而不能與cupidin結(jié)合，這可能是在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控Cupidin/Homer2與Drebrin相互作用的分子機(jī)制之一。

總之，在神經(jīng)活性與Drebrin之間可能存在AMPA受體、NMDA受體、Ras、PAK、caspase-6和cupidin等多種分子參與調(diào)節(jié)，使其功能與神經(jīng)活性保持一致。未來的研究將進(jìn)一步闡明各分子之間具體的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路。

5 與Drebrin相關(guān)的認(rèn)知功能障礙

樹突棘的形態(tài)和功能可塑性是突觸發(fā)育，以及神經(jīng)通路重塑的先決條件，是大腦行使高級(jí)功能(如學(xué)習(xí)記憶)的重要機(jī)制［1］。在細(xì)胞分子水平，Drebrin的異常表達(dá)可影響樹突棘的形態(tài)功能可塑性，而行為學(xué)的研究也表明Drebrin與認(rèn)知功能存在密切聯(lián)系，其中較深入的探討多以阿爾采末病(Alzheimer’s disease，AD)作為研究模型。

在AD小鼠模型中發(fā)現(xiàn)，與AD神經(jīng)病理學(xué)相關(guān)的腦區(qū)Drebrin減少［21］，該現(xiàn)象在AD早期即可見于海馬樹突棘內(nèi)［11］。在大鼠腦部經(jīng)AO減少Drebrin水平，也直接導(dǎo)致其認(rèn)知功能的損害［24］。在癥狀前AD的轉(zhuǎn)基因大鼠模型中，β-淀粉樣蛋白水平升高，但無AD的行為學(xué)表現(xiàn);此時(shí)若增加血糖濃度，則出現(xiàn)空間學(xué)習(xí)記憶能力的損害，該過程伴隨有突觸樹突棘內(nèi)Drebrin的減少［25］，表明高血糖在該模型中可通過影響Drebrin促進(jìn)AD癥狀的發(fā)生。另外，2009年Head等［26］發(fā)現(xiàn)新生大鼠暴露于1.4%的吸入麻醉劑異氟醚4 h后，其腦內(nèi)Drebrin的表達(dá)明顯下降，因此推測(cè)Drebrin可能與術(shù)后認(rèn)知功能障礙的發(fā)生機(jī)制有關(guān)。人體的研究發(fā)現(xiàn)，患有輕度認(rèn)知損傷(mild cognitive impairment，MCI)及AD的患者腦內(nèi)，與認(rèn)知功能相關(guān)的顳葉皮層均出現(xiàn)Drebrin的減少，其下降水平與認(rèn)知功能障礙的嚴(yán)重程度密切相關(guān);而上述患者的MCI癥狀伴隨有額葉皮層內(nèi)Drebrin水平的升高，這可能是早期認(rèn)知功能損害的代償性反應(yīng)，而隨著AD的發(fā)展，腦內(nèi)大部分區(qū)域Drebrin的水平都將減低［27－28］。AD患者腦內(nèi)Drebrin mRNA也有明顯減少，其水平與可溶性tau蛋白總量以及腦體積呈正相關(guān)，而與AD癥狀持續(xù)時(shí)間、雙螺旋絲狀tau蛋白和死亡年齡呈負(fù)相關(guān)［29］。表明Drebrin mRNA轉(zhuǎn)錄的下調(diào)可能與AD進(jìn)展相關(guān)，AD發(fā)病越久的病人，其mRNA水平越低，最終達(dá)到平臺(tái)期［27］。上述對(duì)動(dòng)物模型和人體的研究都說明Drebrin與認(rèn)知功能存在密切聯(lián)系，當(dāng)其表達(dá)水平下降或其mRNA水平下降時(shí)，均不同程度地影響認(rèn)知功能;而在細(xì)胞水平導(dǎo)致的樹突棘形態(tài)和功能可塑性的改變也是認(rèn)知功能障礙的分子生物學(xué)特征之一。

綜上所述，Drebrin對(duì)樹突棘和突觸的形態(tài)及功能可塑性產(chǎn)生一定的影響;機(jī)體可通過多種信號(hào)分子對(duì)Drebrin的表達(dá)水平及功能狀態(tài)在不同層面進(jìn)行調(diào)控，使其有利于神經(jīng)功能的實(shí)現(xiàn);在有認(rèn)知功能損害的疾病中可見Drebrin減少，其下降程度與認(rèn)知功能障礙的程度密切相關(guān)。深入探討Drebrin的作用及調(diào)控Drebrin的機(jī)制不僅有利于更加深刻的理解認(rèn)知功能，也為治療認(rèn)知功能障礙提供新的靶點(diǎn)及理論基礎(chǔ)。

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