N-甲基-D-天門冬氨酸受體、腦缺血性損傷和運動訓練①

張安靜，白玉龍,2

N-甲基-D-天門冬氨酸(N-methyl-D-aspartate,NMDA)受體是一種離子型谷氨酸受體，廣泛分布于中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元突觸，不僅參與興奮性突觸傳遞、突觸可塑性、神經(jīng)元長時程增強(long-term potentiation,LTP)和長時程抑制(long-term depression,LTD)等神經(jīng)功能活動，而且在腦缺血、慢性疼痛、帕金森病、精神分裂癥等眾多神經(jīng)系統(tǒng)疾病中也起至關重要的作用。本文就NMDA受體在腦缺血中的作用以及運動訓練的影響進行綜述。

1 NMDA受體概述

1.1 組成 NMDA受體是由不同亞單位共同組成的異聚體，目前發(fā)現(xiàn)其共有7個亞單位，分別是NR1亞單位、4種NR2亞單位(NR2A、NR2B、NR2C、NR2D)以及2種NR3亞單位(NR3A、NR3B)。NR1是NMDA受體復合物的功能性亞單位，為實現(xiàn)該受體離子通道的功能所必須；NR2是調(diào)節(jié)亞單位，對整個受體通道的功能進行修飾調(diào)節(jié)；單純NR2對激動劑無反應，只有與NR1組合才能表現(xiàn)出活性。NR1和NR2兩個亞單位構(gòu)成的四聚體復合物共同圍繞成NMDA受體離子通道。NR3亞單位單獨也不能形成有功能的受體，必須與NR1/2的復合體相連接才能發(fā)揮作用[1]。

1.2 分布 NMDA受體是一種特殊的離子通道蛋白，主要分布于大腦皮層、海馬、丘腦、紋狀體、小腦及腦干的突觸后膜[2]。NR1亞單位在大鼠中樞神經(jīng)系統(tǒng)廣泛分布；而4種NR2亞基在各腦區(qū)的表達不一致，不同的NR2可與NR1組成不同的NMDA受體亞型，產(chǎn)生不同的生理學效應，其中NR2A和NR2B多分布在前腦；NR3主要存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育過程中，NR3A的蛋白表達在動物出生后2周內(nèi)明顯下降，NR3B可見于成年鼠，主要分布于脊髓、腦橋和延髓的運動神經(jīng)元[3]。

1.3 生理功能

1.3.1 中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育 在腦發(fā)育過程中，神經(jīng)元的發(fā)生、定位、分化以及神經(jīng)環(huán)路的形成均受到精細的調(diào)控，任何遺傳或環(huán)境因素都可能在這個時期對大腦的發(fā)育造成深遠影響。屬于離子型受體的NMDA受體對于腦發(fā)育過程中神經(jīng)元的存活發(fā)揮至關重要的作用：如果NMDA受體接受到適當程度的刺激，該神經(jīng)元就得以存活；如果去除對NMDA受體的刺激，只需幾個小時該神經(jīng)元就可發(fā)生凋亡。腦內(nèi)NMDA受體密度在動物發(fā)育不同時期有明顯的差異，且神經(jīng)元對NMDA受體活動的敏感性隨腦發(fā)育的階段不同而變化。大鼠NMDA受體表達在幼年期高于成年期，并出現(xiàn)一過性的高峰期，主要在生后2周內(nèi)出現(xiàn)。大鼠海馬CA區(qū)，NMDA受體對谷氨酸的結(jié)合力從出生后第4~l3天迅速上升，越過成年的兩倍，第28天下降至成年水平[4]。

1.3.2 對學習和記憶的調(diào)節(jié) NMDA受體通過調(diào)節(jié)Ca2+的內(nèi)流而保持神經(jīng)元正常的生理功能，在LTP誘導和維持過程中起重要作用。誘導LTP的兩個主要因素是強直刺激頻率和強度：一定強度的刺激可提高單個刺激引起的興奮性突觸后電位(excitatory postsynaptic potential,EPSP)的幅度；而一定頻率的刺激可使EPSP產(chǎn)生疊加效應，結(jié)果使突觸后膜的去極化達到一定強度，使位于NMDA受體通道內(nèi)阻止Ca2+內(nèi)流的Mg2+移開[5]。這樣，當神經(jīng)遞質(zhì)谷氨酸與NMDA受體結(jié)合后，受體通道打開，Ca2+內(nèi)流，激活鈣調(diào)蛋白激酶、環(huán)單磷酸腺苷依賴性蛋白激酶、絲裂原活化蛋白激酶(mitogen-activated protein kinase,MAPK)等激酶，它們進而活化環(huán)單磷酸腺苷反應結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)，啟動一系列生化反應和基因轉(zhuǎn)錄，誘導和維持LTP[6-7]。

2 NMDA受體與腦缺血的關系

在正常生理條件下，適量的谷氨酸激活NMDA受體，使Ca2+內(nèi)流入神經(jīng)細胞，并作為第二信使介導細胞內(nèi)信號的傳遞，促進CREB磷酸化，從而調(diào)控基因的表達和突觸可塑性。而在病理狀態(tài)下，如腦缺血時，谷氨酸大量釋放，使過量的Ca2+內(nèi)流，產(chǎn)生興奮性毒性：激活蛋白酶和核酸內(nèi)切酶，促進NO和自由基的產(chǎn)生，使線粒體膜滲透性發(fā)生改變，從而導致神經(jīng)元的損傷或死亡[8]。NMDA受體介導的神經(jīng)興奮性毒性在缺血性腦損傷中起重要作用，其中NR2A、NR2B受體亞單位是參與介導缺血性腦損傷的關鍵受體。有文獻報道，NR2A、NR2B在缺血神經(jīng)元死亡和缺血耐受方面扮演了不同的角色[9]。

2.1 NR2A 腦缺血后，通過激活突觸或突觸外的NR2A受體促進神經(jīng)元修復，可以起到腦保護作用[8]。缺血發(fā)作后4 h，注射甘氨酸激活NR2A受體介導的細胞存活通路，可顯著減輕缺血性腦損傷[10]；而給予它的拮抗劑NVP-AAM077后，神經(jīng)元死亡明顯增加，缺血耐受作用消失[8]。Wistar大鼠缺血再灌注3 h后，皮層NR2A受體mRNA表達上調(diào)，同時伴隨NR2A受體免疫活性增強；6 h后，在缺血半暗帶可以觀察到NR2A受體mRNA表達明顯增高；再灌注24 h后回到基線水平[10]。這表明NR2A受體的腦保護作用有一定時限性。

2.2 NR2B 腦缺血后，NR2B受體過度激活會產(chǎn)生興奮毒性作用，導致神經(jīng)元凋亡；而NR2B受體拮抗劑艾芬地爾(ifenprodil)則能明顯減少腦缺血引起的神經(jīng)元死亡，提高腦保護作用[9]，但僅在缺血發(fā)作前給予才能有效阻斷NR2B受體介導的神經(jīng)元死亡，減少梗死灶體積[11]。Montori等發(fā)現(xiàn)，短暫性全腦缺血大鼠海馬區(qū)NR2A、NR2B受體mRNA表達量明顯下降，以NR2B受體更為明顯[12]，這可能是神經(jīng)元通過下調(diào)NMDA受體數(shù)量來減輕谷氨酸對神經(jīng)元的興奮毒性作用。NR2B蛋白質(zhì)和mRNA在正常大鼠海馬CA1區(qū)、CA3區(qū)及齒狀回的免疫反應強度存在明顯差異，CA1區(qū)最強，CA3區(qū)次之，齒狀回著色較弱[13]。這種基礎性高表達可能是海馬CA1區(qū)對缺血損傷敏感的原因之一。

3 運動訓練對NMDA受體的影響

運動訓練作為一種行為干預手段可以促進腦部損傷修復，這已被人們廣泛接受。運動不僅可以促進突觸可塑性的發(fā)展，而且可以提供正確的感覺輸入，誘發(fā)正常的運動反應輸出。腦功能成像顯示，強制性運動訓練可以促進梗死灶周圍皮層功能重組[14]。從分子水平上，運動可能影響了腦部的谷氨酸體系。

經(jīng)過1周中低強度跑臺訓練，可觀察到大鼠海馬NMDA受體表達量顯著提高，且神經(jīng)再生現(xiàn)象明顯[15-16]；但對NMDA受體基因敲除的小鼠，即使經(jīng)過3周運動訓練，其海馬區(qū)域仍觀察不到神經(jīng)再生現(xiàn)象[17]。有學者發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過1個月隨意運動，正常小鼠腦部谷氨酸相關蛋白含量提高，其中磷酸化NMDA受體明顯升高：磷酸化NMDAR1(150%)、磷酸化NMDAR2B(183%)[18]。動態(tài)觀察顯示，至少2周的預運動訓練對隨后發(fā)生的腦缺血及再灌注期間腦區(qū)內(nèi)興奮性氨基酸遞質(zhì)的過度釋放有一定的抑制作用[19]。另外，預運動可以有效減少缺血后NR2B以及代謝性谷氨酸受體mRNA表達水平[20]。但缺血后給予運動訓練對腦組織中NMDA受體表達量會產(chǎn)生怎樣的影響，目前尚未見報道。

4 結(jié)語與展望

NMDA受體在腦缺血損傷中起重要作用：介導過量Ca2+內(nèi)流，激活蛋白酶和核酸內(nèi)切酶，促進NO和自由基的產(chǎn)生，使線粒體膜滲透性發(fā)生改變，從而誘導神經(jīng)元的損傷或死亡[21]。運動訓練對正常動物腦組織中NMDA受體的活化作用明顯；腦卒中前的運動訓練也可以影響到腦部NMDA受體及基因的表達水平，從而在缺血性腦損傷早期起到一定的保護作用。但缺血后運動訓練對腦組織中NMDA受體表達量會產(chǎn)生怎樣的影響還需要進一步的研究。

[1]Sugihara H,Moriyoshi K,Ishii T,et al.Structures and properties of seven isoforms of the NMDA receptor generated by alternative splicing[J].Biochem Biophys Res Commun,1992,185:826-832.

[2]Watanabe M,Inoue Y,Sakimura K,et al.Distinct distributions of five N-methyl-D-aspartate receptor channel subunit mRNAs in the forebrain[J].J Comp Neurol,1993,338:377-390.

[3]伍國鋒,洪震.NMDA受體在突觸調(diào)控中的作用[J].臨床神經(jīng)電生理學雜志,2009,18(3):182-187.

[4]Sirear R.Developmental maturation of the N-methyl-D-aspartic acid receptor channel complex in postnatal rat brain[J].Int J Dev Neurosci,2000,8(1):121-131.

[5]Thoflas E,Bartlett NJ,Bannister VJ,et al.Differential roles of NR2A and NR2B-containing NMDA receptors in LTP and LTD in the CA1 region of two week old rat hippocampus[J].Neuropharmacology,2007,52(1):60-70.

[6]Clarke RJ,Johnson JW.Voltage-dependent gating of NR1/2B NMDAreceptors[J].Physiology,2008,586(23):5727-5741.

[7]Zhang XL，Sullivan JA，Bloskal JR,et al.A NMDA receptor glycine site partial agonist,GLYX-13,simultaneously enhances LTP and reduces LTD at Schaffer collateral-CA1 synapses in hippocampus [J].Neuropharmacology,2008,55(7):1238-1250.

[8]Lyden P,Wahlgren NG.Mechanisms of action of neuroprotectants in stroke[J].J Stroke Cerebrovasc Dis,2000,9(6,S2):9-14.

[9]Chen M,Lu TJ.Differential roles of NMDA receptor subtypes in ischemic neuronal cell death and ischemic tolerance[J].Stroke,2008,39:3042-3048.

[10]Liu TP,Wong M,Aarts A,et al.NMDA receptor subunits have differential roles in mediating excitotoxic neuronal death both in vitro and in vivo[J].J Neurosci,2007,27(11):2846-2857.

[11]Gappoeva MU,Izykenova GA,Granstrem OK,et al.Expression of NMDA neuroreceptors in experimental ischemia[J].Biochemistry(Moscow),2003,68(6):696-702.

[12]Dos AS,Martinez VB,Montori S,et al.Transient global ischemia in rat brain promotes different NMDA receptor regulation depending on the brain structure studied[J].Neurochem Int,2009,54(3-4):180-185.

[13]滕大才,徐鐵軍,張鳳真.正常大鼠海馬NMDA受體2B亞單位蛋白及其mRNA的平行分布規(guī)律[J].徐州醫(yī)學院學報,2006,26(1):13-16.

[14]Sutcliffe TL,Gaetz WC,Logan WJ,et al.Cortical reorganization after modified constraint-induced movement therapy in pediatric hemiplegic cerebral palsy[J].J Child Neurol,2007,22:1281-1287.

[15]Lou SJ,Liu JY,Chang H,et al.Hippocampal neurogenesis and gene expression depend on exercise intensity in juvenile rats[J].Brain Res,2008,1210:48-55.

[16]Kitamura T,Mishina M,Suqiyama H.Enhancement of neurogenesis by running wheel exercise is suppressed in mice lacking NMDA receptor epsilon 1 subunit[J].Neurosci Res,2003,47(1):55-63.

[17]Vaynman S,Ying Z,Gomez PF.Interplay between brainderived neurotrophic factor and signal transduction modulators in the regulation of the effects of exercise on synaptic-plasticity[J].Neuroscience,2003,122:647-657.

[18]Dietrich MO,Mantese CE,Porciuncula LO,et al.Exercise affects glutamate receptors in postsynaptic densities from cortical mice brain[J].Brain Res,2005,1065(1-2):20-25.

[19]胡永善,賈杰,吳毅,等.預運動訓練對腦梗死大鼠的腦保護作用的興奮性氨基酸遞質(zhì)效應[J].中國康復醫(yī)學雜志,2008,23(7):589-593.

[20]Zhang F,Jia J,Wu Y.The effect of treadmill training pre-exercise on glutamate receptor expression in rats after cerebral ischemia[J].Int J Mol Sci,2010,11:2658-2669.

[21]Paoletti P,Ascher P.Mechanosensitivity of NMDA receptors in cultured mouse central neurons[J].Neuron,1994,13:645-655.