大腦皮層中γ-氨基丁酸系統(tǒng)增齡性變化的研究現(xiàn)狀

王倩倩 趙晨陽(yáng) 常彥忠 (河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院鐵代謝分子實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050016)

大腦皮層中γ-氨基丁酸系統(tǒng)增齡性變化的研究現(xiàn)狀

王倩倩 趙晨陽(yáng) 常彥忠 (河北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院鐵代謝分子實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050016)

γ-氨基丁酸;衰老;大腦皮層;鐵代謝

γ-氨基丁酸(GABA)是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，約50%的中樞神經(jīng)突觸部位以GABA為遞質(zhì)。在人體大腦皮質(zhì)、海馬、丘腦、基底神經(jīng)節(jié)和小腦的神經(jīng)興奮性與信息加工、神經(jīng)可塑性等方面都起到了相當(dāng)重要的作用〔1〕。

GABA在大腦的不同部位都起到抑制性作用。在衰老過(guò)程中，大腦皮層會(huì)發(fā)生功能退化;同時(shí)，GABA系統(tǒng)在衰老過(guò)程中也相應(yīng)發(fā)生一系列變化?？梢酝茰y(cè)，大腦皮層的功能退化很可能是由皮層內(nèi) GABA抑制作用的減弱引起的〔2〕。Schmolesky〔3〕通過(guò)對(duì)老齡獼猴皮層的研究表明：衰老會(huì)導(dǎo)致GABA抑制作用的減弱，而且這種減弱會(huì)引起很多視覺(jué)功能的衰退。Leventhal〔2〕在老齡猴中的實(shí)驗(yàn)表明，GABA以及GABAA受體的激動(dòng)劑-蠅蕈醇可以顯著改善初級(jí)視覺(jué)皮層V1區(qū)神經(jīng)元的功能，而GABAA受體的拮抗劑-荷包牡丹堿對(duì)低齡猴子的作用比對(duì)老齡猴子的作用更加明顯。Sillito〔4〕、Eysel〔5〕的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明低齡貓視皮層神經(jīng)元的方位選擇性經(jīng)荷包牡丹堿處理后出現(xiàn)了顯著降低，這進(jìn)一步表明GABA抑制作用的阻斷確實(shí)可以導(dǎo)致皮層功能的減弱。而GABA抑制作用的減弱可能是由于GABA受體表達(dá)量的降低，或者由皮層中GABA合成量的降低所導(dǎo)致的，或者是由二者共同作用〔6〕。

1 GABA與神經(jīng)傳導(dǎo)

GABA由谷氨酸經(jīng)谷氨酸脫羧酶(glutamic acid decarboxylase，GAD)催化脫羧基產(chǎn)生。GABA合成后主要儲(chǔ)存于突觸囊泡中，在GABA轉(zhuǎn)運(yùn)體(GABA transportor，GAT)參與下釋放至突觸間隙。突觸間隙內(nèi)GABA作用于突觸后膜上相應(yīng)的受體使神經(jīng)元產(chǎn)生突觸前或突觸后抑制，其結(jié)果均引起抑制效應(yīng)。突觸前抑制主要是指通過(guò)某種生理機(jī)制，減少了興奮性遞質(zhì)的釋放所引起的抑制;而突觸后抑制是指受體激動(dòng)時(shí)打開Cl-或K+通道，使突觸后膜超極化，從而產(chǎn)生抑制效應(yīng)〔7〕。在脊髓，GABA作用于突觸前神經(jīng)末梢，減少興奮性遞質(zhì)的釋放，從而引起突觸前抑制，而在腦則引起突觸后抑制。游離的GABA可通過(guò)依賴于Na+、Cl-的高親和力攝取系統(tǒng)被轉(zhuǎn)運(yùn)至GABA能神經(jīng)元和膠質(zhì)細(xì)胞中，維持胞外GABA微摩爾級(jí)的低濃度，或經(jīng)酶促降解而失活，終止GABA對(duì)神經(jīng)元的抑制〔8〕。

2 皮層中GABA能神經(jīng)元增齡性變化

老年動(dòng)物視皮層神經(jīng)元的功能退化主要表現(xiàn)為神經(jīng)元的自發(fā)活化以及對(duì)刺激選擇性的降低〔6〕，而神經(jīng)元對(duì)刺激響應(yīng)性的增加可能是由皮層內(nèi)抑制作用尤其是GABA抑制作用的降低導(dǎo)致的〔2〕。有研究表明，與低齡貓相比，老齡貓V1區(qū)的GABA免疫反應(yīng)陽(yáng)性(GABA-IR)神經(jīng)元的密度及數(shù)量均顯著降低，GABA-IR神經(jīng)元的平均密度在Ⅰ、Ⅱ～Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ以及VI層分別下降了44.5%、56.8%、54.7%、60.7%、50.9%，GABA-IR神經(jīng)元占神經(jīng)元總數(shù)的比例分別下降了43.7%、56.8%、54.7%、59.9%、50.3%〔9〕。這些形態(tài)學(xué)上的現(xiàn)象直接表明GABA抑制作用的降低會(huì)伴隨出現(xiàn)老年動(dòng)物視皮層神經(jīng)元功能的下降。在SD大鼠視皮層的研究證實(shí)，衰老確實(shí)能夠?qū)е乱暺覩ABA表達(dá)量降低〔10〕。另外，在聽皮層中，與低齡貓相比，老齡貓初級(jí)聽覺(jué)皮層A1區(qū)的GABA-IR神經(jīng)元密度出現(xiàn)顯著降低，在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ層表現(xiàn)尤其突出，而且胞體較小，陽(yáng)性反應(yīng)的減弱較為明顯〔11〕。由此，可以推測(cè)，聽皮層內(nèi)抑制作用的減弱是由GABA含量的降低導(dǎo)致的。Fischer 344/Brown Norway雜交大鼠(FBN)感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層的超微結(jié)構(gòu)研究表明，老齡大鼠與低齡大鼠相比，皮層第Ⅱ?qū)拥囊种菩陨窠?jīng)突觸作用出現(xiàn)顯著下降〔12〕。然而，也有研究表明GABA能神經(jīng)元的數(shù)目以及細(xì)胞大小在感覺(jué)運(yùn)動(dòng)皮層中并沒(méi)有出現(xiàn)增齡性變化，免疫染色后，在光鏡下并沒(méi)有觀察到Ⅱ、Ⅲ層抑制性突觸數(shù)目的明顯降低。因此推測(cè)，Poe等〔13〕從電鏡觀測(cè)到的可能只是GABA能突觸的一個(gè)亞型，并非所有的抑制性突觸。

3 大腦皮層中GABA合成酶增齡性變化

GABA由兩種谷氨酸脫羧酶(GAD67和GAD65)催化生成，分別由Gad1和Gad2基因編碼。GABA的合成是GABA代謝過(guò)程中的關(guān)鍵步驟〔14〕，影響著GABA在細(xì)胞以及囊泡中的含量。其中，GAD67負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)95%以上的GABA的合成，并且其在腦中的含量有一定限制〔15〕。研究表明，在A1區(qū)的抑制性以及興奮性神經(jīng)元中都存在GAD67的mRNA。然而，GAD67的蛋白只在GABA能神經(jīng)元中表達(dá)。興奮性神經(jīng)元中GAD的mRNA可能是發(fā)育過(guò)程中剩余的RNA，RNA結(jié)合蛋白與其結(jié)合并阻止其翻譯〔16〕。Sloviter〔17〕認(rèn)為齒狀顆粒細(xì)胞具有兩種速效氨基酸類神經(jīng)遞質(zhì)，一種是興奮性的，一種是抑制性的，從而可以產(chǎn)生興奮和抑制效應(yīng)。GAD的顯著下降很可能會(huì)導(dǎo)致抑制性神經(jīng)遞質(zhì)GABA含量的下降以及對(duì)聲音信號(hào)的處理速度的下降。

Ling等〔18〕用原位雜交以及免疫細(xì)胞化學(xué)方法檢測(cè)了FBN的F1代雜交鼠A1區(qū)GAD含量的年齡相關(guān)性變化。對(duì)GAD65＆67的檢測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)在衰老大鼠 A1區(qū)的Ⅱ ～Ⅵ層中GAD65＆67的mRNA含量均出現(xiàn)了年齡依賴性下降，并且，在Ⅱ?qū)佣叩南陆底顬轱@著(GAD65：26.6%，GAD67：41.1%)。而在蛋白水平上，與低齡大鼠相比，免疫染色后中年和老年大鼠A1區(qū)的GAD67的相對(duì)光學(xué)密度(ROD)在Ⅱ～Ⅵ層均出現(xiàn)了顯著下降。雖然GAD67蛋白R(shí)OD的年齡相關(guān)性下降在各層中有所不同，但并沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)差異。

頂葉皮層位于A1區(qū)的背側(cè)，在接收初級(jí)視皮層的空間感覺(jué)以及注意力的信號(hào)輸入中起作用。將A1區(qū)GAD67的mRNA以及蛋白的變化與頂葉皮層進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)在這兩個(gè)臨近的區(qū)域中GAD67的年齡相關(guān)性變化有著兩種不同的方式。在A1區(qū)，在低齡、中齡、老齡這3組大鼠中GAD的含量表現(xiàn)為逐步下降，但在頂葉皮層中，GAD67的mRNA只在老齡組中出現(xiàn)了顯著降低，而蛋白表達(dá)量的變化也只在老齡組的第Ⅳ層出現(xiàn)了顯著降低。頂葉皮層mRNA水平的延緩時(shí)效可以很好地解釋GAD67的蛋白表達(dá)量除了在第Ⅳ層出現(xiàn)了顯著降低而在其他層均沒(méi)有顯著變化的現(xiàn)象。上述結(jié)果也表明，GAD67的蛋白含量即使在兩個(gè)相鄰的區(qū)域也可以存在較大的差異。與此同時(shí)，Banay-Schwartz〔19〕發(fā)現(xiàn) Fischer 344(F344)大鼠視皮層 GAD67水平也具有顯著變化，而且在運(yùn)動(dòng)皮層也出現(xiàn)了變化，但是并沒(méi)有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

在衰老過(guò)程中，老年動(dòng)物的感覺(jué)信號(hào)輸入系統(tǒng)功能會(huì)發(fā)生一定程度的退化，而GAD的含量降低會(huì)直接導(dǎo)致GABA合成量下降，而這種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的降低可能是一種衰老過(guò)程中感覺(jué)信號(hào)輸入系統(tǒng)退化的補(bǔ)償機(jī)制。

4 大腦皮層中GABA受體的增齡性變化

GABA 受體可分為三類：GABAA、GABAB、GABAC。其中GABAA受體在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的分布最為廣泛。近年來(lái)應(yīng)用分子生物學(xué)方法，已克隆到19種GABAA受體的亞單位(如α1-6、β1-3、γ1-3、δ、ε、π、θ 等)，并且研究表明 GABAA受體與中樞系統(tǒng)的關(guān)系更為密切〔20〕。因此，對(duì)GABA受體的研究主要集中在GABAA受體亞型。

對(duì)大鼠大腦皮層的研究表明，主要的GABAA受體(α1、γ2和β2/3)的蛋白表達(dá)量在衰老過(guò)程中保持不變，但是相應(yīng)的mRNA卻表現(xiàn)出顯著的年齡依賴性變化〔21〕。還有研究表明GABAA受體的功能特性取決于受體亞基的成分〔22〕。在大鼠皮層中通過(guò)對(duì)GABAA受體各亞基的分析發(fā)現(xiàn)大腦皮層GABAA受體的亞基α1和α2的表達(dá)量與低齡動(dòng)物相比偏高，而α3、α5、γ2的表達(dá)量較青年動(dòng)物低。對(duì)腦不同區(qū)域中免疫反應(yīng)的相對(duì)光學(xué)密度的研究如下：與低齡大鼠相比老齡大鼠在枕葉皮層Ⅱ/Ⅲ層α1亞基的表達(dá)量顯著增加，而α2亞基的表達(dá)量在Ⅴ和Ⅵ層只是出現(xiàn)了輕微的上升;α5亞基主要是在聽覺(jué)皮層的Ⅱ/Ⅲ和Ⅳ層有顯著下降;γ2亞基的表達(dá)量的降低在深層皮層中較為明顯;α3亞基在深層皮層中有輕微的降低;其中，α1和α5亞基有顯著的變化，尤其是在大腦皮質(zhì)的外層〔23〕。這些亞基是突觸外GABA受體的主要成分，這就表明，GABA抑制作用的增齡性改變可能會(huì)與突觸外GABA受體的改變有關(guān)。

在低齡動(dòng)物中的實(shí)驗(yàn)表明，GABA受體依賴的抑制作用與學(xué)習(xí)等功能相關(guān)。因此，可以推測(cè)，執(zhí)行能力和學(xué)習(xí)能力的降低以及皮層代表性區(qū)域的改變等年齡相關(guān)性變化可能與GABA受體功能的改變有關(guān)。

5 GABA與星形膠質(zhì)細(xì)胞的相互作用以及增齡性變化

星形膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)系統(tǒng)中起著重要作用，包括支持神經(jīng)元、構(gòu)成血-腦屏障、合成和分泌細(xì)胞因子等。其中對(duì)神經(jīng)遞質(zhì)的調(diào)節(jié)作用尤其重要，星形膠質(zhì)細(xì)胞可以攝取并儲(chǔ)藏鄰近突觸所釋放的神經(jīng)遞質(zhì)，來(lái)調(diào)節(jié)局部神經(jīng)遞質(zhì)的濃度。而當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞興奮時(shí)，其附近的星形膠質(zhì)細(xì)胞也去極化，并釋放其存儲(chǔ)的神經(jīng)遞質(zhì)，反作用于神經(jīng)元。由此可見，星形膠質(zhì)細(xì)胞在GABA等神經(jīng)遞質(zhì)的代謝途徑中也必然起著重要作用。羅勛等〔11〕的研究表明，與低齡貓相比較，老齡貓A1區(qū)GFAP-IR細(xì)胞的密度顯著升高，而且在形態(tài)上也出現(xiàn)了變化，其胞體膨大，突起也變得稠密粗大。有研究表明，谷氨酸在神經(jīng)元內(nèi)合成GABA并將其釋放后，GABA部分被星形膠質(zhì)細(xì)胞攝取，重新轉(zhuǎn)化成谷氨酸〔24〕。由于星形膠質(zhì)細(xì)胞可以攝取GABA并將其轉(zhuǎn)化為谷氨酸，進(jìn)而降低GABA的含量;而衰老動(dòng)物的腦中GABA抑制作用的減弱又伴有星形膠質(zhì)細(xì)胞的活化以及密度的增加，所以，衰老過(guò)程中星形膠質(zhì)細(xì)胞活動(dòng)的增強(qiáng)及密度的升高可能是GABA抑制作用減弱的一個(gè)原因。

6 GABA系統(tǒng)的增齡性變化與鐵代謝的關(guān)系

鐵是正常神經(jīng)代謝過(guò)程中必需的微量元素，但過(guò)量的鐵對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)具有毒性作用，因此腦鐵的生理平衡在腦的功能活動(dòng)中起著十分重要的作用。研究表明，腦鐵與腦內(nèi)GABA的代謝存在著一定的聯(lián)系，Li〔25〕通過(guò)對(duì)腦缺鐵大鼠的腦內(nèi)GABA含量的檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，腦內(nèi)GABA的濃度與正常大鼠相比并沒(méi)有出現(xiàn)明顯變化，但是GABA合成酶GAD以及降解酶GABA轉(zhuǎn)氨酶(GABA-T)的活性卻出現(xiàn)了顯著的下降。由此可見，腦鐵含量的變化會(huì)影響GABA在腦內(nèi)的代謝與利用。而腦內(nèi)GABA含量的變化同樣也會(huì)影響腦鐵含量。Hill〔26〕在蒼白球、新紋狀體和黑質(zhì)注射γ-乙烯基-GABA，該酶可活化GABA-T抑制劑，從而通過(guò)抑制GABA-T的活性來(lái)增加GABA的含量，2 d后發(fā)現(xiàn)黑質(zhì)網(wǎng)狀部鐵的含量明顯減少。該實(shí)驗(yàn)為GABA影響鐵代謝提供了一個(gè)免疫組織化學(xué)水平的證據(jù)。為了進(jìn)一步研究GABA與鐵代謝之間的相互作用，關(guān)鵬等〔27〕通過(guò)向SD大鼠的大腦黑質(zhì)注射GABA，來(lái)觀察大鼠尾殼核鐵含量。結(jié)果與對(duì)照組相比，大鼠尾殼核內(nèi)鐵的含量有輕微的下降，并且鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白〔DMT1(-IRE)〕表達(dá)有明顯降低，而HP表達(dá)顯著增高。DMT1和膜鐵轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白輔助蛋白(HP)是近幾年發(fā)現(xiàn)的與鐵轉(zhuǎn)運(yùn)相關(guān)的蛋白，DMT1參與游離鐵的攝取，而HP輔助游離鐵的釋放。這些結(jié)果表明，黑質(zhì)中的GABA可能是通過(guò)減少紋狀體尾殼核DMT1(-IRE)的表達(dá)以及增加HP的表達(dá)來(lái)降低尾殼核鐵含量的。

在衰老過(guò)程中，大腦皮層內(nèi)GABA表現(xiàn)為年齡依賴性下降，與此同時(shí)，腦鐵含量表現(xiàn)為年齡依賴性升高〔28〕，這兩者之間可能存在著相互作用?？梢酝茰y(cè)，GABA含量的下降通過(guò)引起DMT1(-IRE)蛋白表達(dá)的升高，來(lái)增加鐵攝取，HP的表達(dá)下降來(lái)減少鐵釋放，從而引起腦鐵的積累，導(dǎo)致腦鐵含量的增加。但其具體機(jī)制還有待進(jìn)一步探討。

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Q423

A

1005-9202(2011)12-2382-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(10979025);河北省杰出青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目(C2010002032)

常彥忠(1965-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事鐵代謝分子生物學(xué)研究。

王倩倩(1988-)，女，在讀本科生，主要從事鐵代謝分子生物學(xué)研究。

〔2010-08-23收稿 2010-11-26修回〕

(編輯 曲 莉)