cAMP/PKA/CREB信號通路及相關(guān)調(diào)控蛋白PDE-4和ERK對學(xué)習(xí)記憶的影響

楊 夏（綜述），彭 生，劉功儉（審校）

（1.徐州醫(yī)學(xué)院，江蘇 徐州 221002;2.蘇州大學(xué)附屬第四醫(yī)院麻醉科，江蘇 無錫 214000）

cAMP/PKA/CREB信號通路與學(xué)習(xí)記憶有著重要的關(guān)系。而對這條通路起調(diào)節(jié)作用的磷酸二酯酶4（phosphodiesterase 4，PDE-4）和細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶（extracellular signal regulating kinase，ERK），也越來越受到人們的關(guān)注。環(huán)磷酸腺苷（cyclic AMP，cAMP）的產(chǎn)生可激活蛋白激酶A（protein kinase A，PKA）和PKC亞基進(jìn)入核內(nèi)，使cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）轉(zhuǎn)錄因子特異的絲氨酸殘端磷酸化而活化，磷酸化的CREB可以與DNA分子上cAMP調(diào)節(jié)靶基因附近的 cAMP反應(yīng)元件（cAMP response element，CRE）結(jié)合，從而調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄，合成與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的蛋白。認(rèn)識cAMP/PKA/CREB信號通路，并從其調(diào)節(jié)蛋白PDE-4和ERK著手探討cAMP/PKA/CREB信號通路與學(xué)習(xí)記憶中樞神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系，有助于進(jìn)一步明確大腦學(xué)習(xí)記憶反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制。

1 cAMP/PKA/CREB信號通路對學(xué)習(xí)記憶的影響

1.1 cAMP/PKA蛋白 cAMP是細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的第二信使，是激素和神經(jīng)遞質(zhì)作用于特定靶細(xì)胞后，通過激活腺苷酸環(huán)化酶催化ATP水解生成的。cAMP主要通過激活PKA使靶酶磷酸化，然后開啟基因表達(dá)，在細(xì)胞生命活動(dòng)中有著重要的意義，參與調(diào)節(jié)許多細(xì)胞的代謝、基因表達(dá)、細(xì)胞生長和分裂等。

PKA在哺乳類體內(nèi)可表達(dá)4種調(diào)節(jié)亞基（RⅠα、RⅠβ、RⅡα、RⅡβ）和 3種 催 化 亞 基 （Cα、Cβ、Cγ），每個(gè)亞基在神經(jīng)元內(nèi)均有表達(dá)，其中PKA-Cβ亞基在神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)豐富，且為突觸可塑性所必需。已有研究證實(shí)，有催化活性的PKA在長時(shí)程突觸可塑性和長時(shí)記憶中具有重要作用［1］。

cAMP/PKA通路對CREB的磷酸化，膜上的G蛋白耦聯(lián)受體與胞外遞質(zhì)等配體結(jié)合后活化，刺激腺苷酸環(huán)化酶增加胞內(nèi)cAMP濃度，4分子cAMP與PKA結(jié)構(gòu)亞基上的位點(diǎn)結(jié)合，具有催化活性的PKA調(diào)節(jié)亞基解離并進(jìn)入核內(nèi)，磷酸化CREB從而啟動(dòng)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。最近研究發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)基因小鼠可產(chǎn)生一種抑制形式的PKA亞基，使海馬中PKA的活性降低，L-LTP在CA1區(qū)也明顯減少［2］，進(jìn)一步證實(shí)cAMP/PKA在海馬長時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）表達(dá)中的重要作用。

1.2 CREB蛋白 CREB是細(xì)胞內(nèi)cAMP變化的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)導(dǎo)因子，調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成。CREB是一種細(xì)胞核內(nèi)調(diào)控因子，它通過自身磷酸化實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的功能。CREB能整合鈣離子、生長因子和cAMP誘導(dǎo)的信號，是多條細(xì)胞內(nèi)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的作用點(diǎn)，對學(xué)習(xí)記憶及各種情緒的正常調(diào)節(jié)和維持具有重要的作用［3］。

在神經(jīng)系統(tǒng)中，CREB作為細(xì)胞內(nèi)多種信號通路的一個(gè)重要組成部分，其下游效應(yīng)包括影響神經(jīng)元的存活與生長、突觸的可塑性和長期記憶的形成［4］。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，CREB活性的降低可抑制長時(shí)程記憶的形成，其數(shù)量的增加或活性的增強(qiáng)可促進(jìn)長時(shí)程記憶的形成［5］。研究已證實(shí)，受cAMP調(diào)節(jié)的下游蛋白CREB參與了氯胺酮導(dǎo)致未成年大鼠學(xué)習(xí)記憶障礙的形成［6］，CREB直接參與了水迷宮空間學(xué)習(xí)記憶的形成［7］。而另一研究證實(shí)大鼠紋狀體邊緣區(qū)及海馬等腦區(qū)的CREB在空間學(xué)習(xí)記憶的早期就開始參與長時(shí)記憶的形成［8］。

1.3 磷酸化的 CREB蛋白（phosphorylated CREB，P-CREB）CREB磷酸化是許多信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的一個(gè)會聚點(diǎn)，在神經(jīng)元的生長、突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶功能、損傷和再生等方面起著重要作用。CREB的轉(zhuǎn)錄活性主要依賴于第133位絲氨酸殘基（Ser133）的磷酸化（即P-CREB）。CREB的Ser133位點(diǎn)被磷酸化后，它就成為活性狀態(tài)，可啟動(dòng)多種基因的轉(zhuǎn)錄，引起細(xì)胞內(nèi)多種長期生物學(xué)效應(yīng)。記憶的形成依賴P-CREB通路誘導(dǎo)下游基因的表達(dá)［9］。研究證實(shí)，中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)遞質(zhì)的合成、基因表達(dá)、細(xì)胞增殖等均被通過以P-CREB為第二信使系統(tǒng)起作用的神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)控。

學(xué)習(xí)記憶行為訓(xùn)練前向大鼠海馬內(nèi)注入CREB的反義寡核苷酸可導(dǎo)致其在Morris水迷宮中的空間學(xué)習(xí)缺陷，而訓(xùn)練前雙側(cè)穹隆海馬傘被切斷的大鼠，也可因海馬CREB磷酸化的水平不能升高而致逃避性記憶受損［10］。研究發(fā)現(xiàn)［11］CREB 磷酸化介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄，還可以促使新的突觸鏈接的生成，提高神經(jīng)元的存活率，緩解腦損傷后認(rèn)知障礙。

1.4 cAMP/PKA/CREB信號通路與LTP LTP是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)貯存信息的主要機(jī)制，是學(xué)習(xí)記憶的細(xì)胞基礎(chǔ)，已成為神經(jīng)元可塑性的一種有效模型。越來越多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明，cAMP/PKA/CREB在介導(dǎo)晚期的LTP及記憶過程中的不可替代的作用。不同的蛋白激酶，包括胞外信號調(diào)節(jié)激酶2（extracellular signal-regulated kinase 2，ERK2）、PKA、鈣-鈣調(diào)素激酶Ⅳ（CaMKⅣ）等，均可通過磷酸化CREB誘導(dǎo)或促進(jìn)L-LTP，并改善動(dòng)物的學(xué)習(xí)記憶功能［12-15］。

Montarolo等［16］發(fā)現(xiàn)軟體動(dòng)物海兔可顯示出一種稱為長時(shí)程易化的類似記憶的敏化行為，而且表明這種長時(shí)程易化需要cAMP/PKA/CREB信號通路的活動(dòng)，從而提出了首個(gè)關(guān)于學(xué)習(xí)記憶的活動(dòng)依賴性基因表達(dá)的機(jī)制。在脊椎動(dòng)物方面，F(xiàn)lorian等［17］在研究中發(fā)現(xiàn)，外界刺激引發(fā)的效應(yīng)可通過使CREB磷酸化，進(jìn)而激活細(xì)胞內(nèi)蛋白激酶級聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)靶細(xì)胞基因表達(dá)而引發(fā)LTP。CREB低轉(zhuǎn)錄小鼠可導(dǎo)致LTP及長期記憶都顯著受損［18］，CREB高表達(dá)則產(chǎn)生記憶力及LTP顯著增強(qiáng)，社會認(rèn)知功能顯著增加［19］。

2 cAMP/PKA/CREB信號通路與PDE-4

cAMP的調(diào)控主要由核苷酸環(huán)化酶的合成作用與PDE-4的水解作用來實(shí)現(xiàn)。磷酸二酯酶4（Phosphodiesterase 4，PDE-4）是cAMP特異性水解酶，PDE能催化環(huán)腺苷酸的3'，5'-磷酸二酯鍵的水解，生成無活性的5'-核苷單磷酸酯，使cAMP水平下降，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)cAMP/PKA/CREB等信號通路，影響細(xì)胞內(nèi)CREB調(diào)節(jié)的基因的表達(dá)，使得參與學(xué)習(xí)記憶的一些蛋白質(zhì)不能夠被合成，從而干擾長期記憶的形成。

最新的研究發(fā)現(xiàn)，cAMP含量增加可以逆轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)記憶能力的減退，Vecsey等［20］采用睡眠剝奪導(dǎo)致大鼠出現(xiàn)記憶力減退后，再給予PDE-4抑制劑增加cAMP含量，則逆轉(zhuǎn)了這種記憶力減退。而另有研究發(fā)現(xiàn)，PDE4抑制劑（例如rolipram）能夠增加腦內(nèi)cAMP濃度，激活cAMP/PKA/CREB信號通路，促進(jìn)記憶形成［11，21］。之前也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)給予大鼠 N-甲基-D-天冬氨酸受體阻滯劑MK801后大鼠出現(xiàn)顯著遺忘，再注射PDE-4抑制劑則可逆轉(zhuǎn)這種遺忘效應(yīng)［22］;給予毒蕈堿M受體激動(dòng)劑東莨菪堿可以引起工作記憶和參照記憶的損害，應(yīng)用PDE-4抑制劑逆轉(zhuǎn)這兩種記憶的損害［23］，并推測這些作用可能與PDE-4抑制劑可以通過增加海馬cAMP含量，增加海馬神經(jīng)元LTP，增強(qiáng)海馬的突觸可塑性有關(guān)。

3 cAMP/PKA/CREB信號通路與調(diào)控蛋白ERK

3.1 ERK對學(xué)習(xí)記憶的影響 ERK是重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，它的底物包括轉(zhuǎn)錄因子、組蛋白、細(xì)胞內(nèi)其他重要的激酶以及K+通道等。這些物質(zhì)都是細(xì)胞內(nèi)的重要組成成分，是學(xué)習(xí)記憶形成過程中必不可少的。ERK信號通路與腦內(nèi)LTP的形成以及學(xué)習(xí)記憶功能有重要的聯(lián)系［18］。ERK信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活參與了短時(shí)記憶形成和短時(shí)記憶向長時(shí)記憶的轉(zhuǎn)化即記憶的鞏固過程［24］。

ERK信號的激活可以強(qiáng)化長時(shí)程突觸易化及LTP［25］。Silva 等［26］利用基因工程技術(shù)，在研究Ⅰ型神經(jīng)成纖維細(xì)胞瘤與精神發(fā)育遲緩的關(guān)系中發(fā)現(xiàn)，學(xué)習(xí)功能的降低與海馬Ras/ERK信號通路的缺損密切相關(guān)。Kelleher等［27］利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，ERK可直接參與調(diào)控樹突蛋白合成，且此蛋白合成為LTP形成及記憶功能所必需。此外，LTP的誘發(fā)需要N-甲基-D-天冬氨酸受體的激活，此過程主要由Kv4家族成員編碼的A型鉀離子通道調(diào)控，ERK的激活可以引起Kv4-2α亞基磷酸化，從而引起A型鉀離子電流下調(diào)，誘導(dǎo)動(dòng)作電位（AP）放大，增強(qiáng)樹突胞膜興奮性，從而誘發(fā)形成LTP。

3.2 ERK對cAMP/PKA/CREB信號通路的影響ERK被激活后可通過激活核糖體S6激酶來激活CREB，從而作用于CRE，啟動(dòng)CRE依賴性的轉(zhuǎn)錄。此外，ERK也可直接磷酸化轉(zhuǎn)錄因子CREB。

Kelly等［10］的研究證明，MAPK/ERK 信號通路參與了海馬內(nèi)學(xué)習(xí)記憶的鞏固，ERK介導(dǎo)的磷酸化CREB參與了海馬神經(jīng)元晚期LTP的維持和長時(shí)程記憶的形成。cAMP/PKA/CREB通路的中PKA誘導(dǎo)Rap 21和B 2Raf結(jié)合引發(fā)MAPK/ERK磷酸化，進(jìn)而導(dǎo)致CREB激活，參與PKA依賴型LTP形成及突觸可塑性變化［28］。另外，近期有實(shí)驗(yàn)證實(shí)，ERK參與了氯胺酮導(dǎo)致的學(xué)習(xí)記憶障礙形成的過程［29］，通過與PDE-4交叉對話（cross-talking）調(diào)節(jié)cAMP的含量，形成 cAMP/ERK 調(diào)節(jié)通路［30］。PDE4抑制劑（rolipram）能使N-甲基-D-天冬氨酸受體的激活，從而激活MAPK/ERK/CREB信號通路，在神經(jīng)保護(hù)及學(xué)習(xí)記憶過程中發(fā)揮重要作用［31］。

4 小結(jié)

在cAMP/PKA/CREB信號通路及相關(guān)調(diào)控蛋白PDE-4和ERK對學(xué)習(xí)記憶的影響及機(jī)制方面，人們已做了大量研究并取得顯著成果，但把三者之間聯(lián)系起來，是否能為臨床提供一條新的治療途徑及篩選新的有效藥物，預(yù)防麻醉引起的術(shù)后學(xué)習(xí)記憶障礙，還要進(jìn)一步探索。

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