D型絲氨酸與精神分裂癥關(guān)系的研究進(jìn)展

曹宏偉 朱 克 高麗霞 張俊玲

D型絲氨酸與精神分裂癥關(guān)系的研究進(jìn)展

曹宏偉 朱 克 高麗霞 張俊玲

（山東醫(yī)藥技師學(xué)院生物工程系，泰安271016）

D型絲氨酸是近年來新發(fā)現(xiàn)的一種神經(jīng)遞質(zhì)，可能通過調(diào)節(jié)N-甲基D-天冬氨酸受體的活性參與精神分裂癥的發(fā)病。對D型絲氨酸在中樞神經(jīng)的產(chǎn)生、代謝及其與精神分裂癥的關(guān)系進(jìn)行了簡要介紹。

D型絲氨酸；NMDA受體；精神分裂癥

自然界存在的氨基酸絕大多數(shù)是D型氨基酸和L型氨基酸，以往認(rèn)為組成蛋白質(zhì)的氨基酸都是L型氨基酸，D型氨基酸只有細(xì)菌和無脊椎動物才能在體內(nèi)合成，在高等動物體內(nèi)存在這種氨基酸是根本不可能的，然而在上個世紀(jì)90年代以來的研究發(fā)現(xiàn)在包括人類在內(nèi)的哺乳動物體內(nèi)存在大量的D型絲氨酸，最近幾年，以D型絲氨酸為中心的研究已經(jīng)成為目前神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[1]。

1 D型絲氨酸的合成與代謝

近年來隨著高效液相色譜技術(shù)、活體內(nèi)微滲析技術(shù)手段的提高和免疫組化技術(shù)中立體選擇性抗體的出現(xiàn)和使用，1992年Hashimoto等[2]首次報道了在大鼠腦內(nèi)存在D型絲氨酸，后來的研究發(fā)現(xiàn)包括人類在內(nèi)的哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)都存在區(qū)域性的高濃度D型絲氨酸[1-17]。最初的研究認(rèn)為D型絲氨酸主要在神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)合成，最近研究表明神經(jīng)元[17-18]、小膠質(zhì)細(xì)胞[7]、施萬細(xì)胞和神經(jīng)弓上的成纖維細(xì)胞[8]、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞、無長突細(xì)胞、視網(wǎng)膜的雙極細(xì)胞及水平細(xì)胞內(nèi)均能夠合成[9]。D型絲氨酸由絲氨酸消旋酶（serine racemase，SRR）催化L絲氨酸生成，1999年Wolosker等[3]首次從大鼠腦內(nèi)分離純化出此酶，它是一種分子量為37 KD的可溶性蛋白。它專一催化L型絲氨酸轉(zhuǎn)化為D型絲氨酸，遂將其命名為絲氨酸消旋酶，絲氨酸消旋酶的發(fā)現(xiàn)為D構(gòu)象絲氨酸的體內(nèi)合成提供了合理的解釋。爾后Snyder等[10]通過分析絲氨酸消旋酶的結(jié)構(gòu)和檢索基因庫后，得出這一酶的cDNA，并在體外進(jìn)行了表達(dá)，而且成功的在培養(yǎng)細(xì)胞內(nèi)合成了D型絲氨酸。絲氨酸消旋酶是主要存在于膠質(zhì)細(xì)胞中的一種新的吡哆醛5′磷酸依賴酶，它在組織中的表達(dá)與D構(gòu)象絲氨酸的區(qū)域性高表達(dá)一致。在輔助因子的Mg2+、ATP和合適PH值條件下，絲氨酸消旋酶將4分子的L絲氨酸消旋成為1分子D型絲氨酸和3分子的丙酮酸鹽[1]。在大鼠絲氨酸消旋酶有339個氨基酸殘基組成，分子量為36.3KD，編碼該酶的基因位于大鼠10q24，共17.4 kb，含9個外顯子，8個內(nèi)含子。2000年Miranda[11]等首次克隆出人類絲氨酸消旋酶基因，它位于人類17q13.3，含7個外顯子，6個內(nèi)含子，編碼的氨基酸含340個氨基酸，與鼠類同源性為88%。D構(gòu)象氨基酸氧化酶（DAO）在哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)和周圍組織中，發(fā)揮著促進(jìn)中性D構(gòu)象氨基酸氧化去氨基的作用，普遍認(rèn)為這種氧化酶在D構(gòu)象絲氨酸的代謝過程中發(fā)揮著重要作用[1,7]。肝臟合成的D型絲氨酸釋放入血，D型絲氨酸隨血液循環(huán)到腎臟，在腎近斷小管直部重吸收，這種重吸收的主要是通過Na+梯度形成的不同滲透壓來實(shí)現(xiàn)的，這也是它不同與L型絲氨酸重吸收的方式。重吸收D型絲氨酸的細(xì)胞含有大量的催化其代謝的D型絲氨酸氧化酶，這種酶催化D型絲氨酸生成羥基丙酮酸，羥基丙酮酸可以重新進(jìn)入糖酵解或糖異生途徑用于正常的新陳代謝。雖然在腎臟有重吸收和酶的催化代謝，但是大量的D型絲氨酸還是通過腎臟隨尿液排出體外[4]。

2 D型絲氨酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的分布

中樞神經(jīng)系統(tǒng)中D構(gòu)象絲氨酸的區(qū)域性分布與N甲基D天門冬氨酸（N-methyl-d-aspartate，NMDA）受體相一致：在大腦皮層灰質(zhì)、海馬、胼胝體。其次是黑質(zhì)、尾狀核，而在杏仁核、丘腦、下丘腦中則很低，SRR的分布與D型絲氨酸相一致，DAO與之相反[1]。對這些區(qū)域進(jìn)行免疫組化分析發(fā)現(xiàn)D構(gòu)象絲氨酸主要存在于原生質(zhì)性星型膠質(zhì)細(xì)胞之中，這種細(xì)胞在腦富含NMDA受體的區(qū)域中包繞神經(jīng)末梢形成鞘。而2007年日本學(xué)者Yoshikawa[12]和Kartvelishvily[13]等人的研究發(fā)現(xiàn)神經(jīng)元內(nèi)絲氨酸消旋酶及編碼該酶的mRNA水平明顯高于膠質(zhì)細(xì)胞。該研究結(jié)果提示D型絲氨酸不僅是膠質(zhì)細(xì)胞來源的神經(jīng)遞質(zhì)，而且神經(jīng)細(xì)胞來源的D型絲氨酸可能通過與NMDA受體結(jié)合進(jìn)而調(diào)節(jié)神經(jīng)傳遞。

3 D型絲氨酸的存儲釋放機(jī)制

D型絲氨酸的合成代謝已經(jīng)研究的較為清楚，但存儲釋放機(jī)制還有待進(jìn)一步的研究。體外試驗研究表明，α-氨基羥甲基異惡唑丙酸（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate，AMPA）受體激活誘導(dǎo)D型絲氨酸的釋放，體內(nèi)試驗表明，AMPA受體觸發(fā)的D型絲氨酸釋放與谷氨酸受體相互作用蛋白（glutamate receptor interacting protein，GIRP）、蛋白激酶C相互作用蛋白（protein interacting with protein kinase C，PICK1）及增加的細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度等因素有關(guān)[17-18]，Baumgan等[19]研究發(fā)現(xiàn)谷氨酸與膠質(zhì)細(xì)胞表面的AMPA受體結(jié)合后，AMPA受體激活并與GRIP分離，GRIP的突觸前密度蛋白（presynaptic density protein，PDZ）的第6個結(jié)構(gòu)域與SRR結(jié)合，并激活絲氨酸消旋酶，促進(jìn)D型絲氨酸的合成。同時PICK1與AMPA受體結(jié)合填補(bǔ)GRIP的空缺，促使AMPA受體共同內(nèi)化并下調(diào)AMPA受體的功能，PICK1還可以運(yùn)送蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）至絲氨酸消旋酶表面，使之磷酸化而激活，進(jìn)一步促進(jìn)D型絲氨酸的合成。研究發(fā)現(xiàn)PICK1基因敲除小鼠前腦內(nèi)D型絲氨酸水平明顯下降。合成的D型絲氨酸一部分以胞吐的方式釋放到突觸間隙，突觸間隙內(nèi)的D型絲氨酸可以與神經(jīng)元表面NMDA受體的甘氨酸位點(diǎn)結(jié)合，與谷氨酸共同激活NMDA受體，剩余的D型絲氨酸部分在突觸間隙內(nèi)被稀釋，部分經(jīng)氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)體重新攝取入膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi)，主要在D型氨基酸氧化酶的催化下代謝生成丙酮酸和氨（圖1）。

圖1 D型絲氨酸的合成存儲釋放機(jī)制[38]

4 D型絲氨酸與精神分裂癥的關(guān)系

1993年Hashimoto等[20]用生物化學(xué)的方法研究發(fā)現(xiàn)D型絲氨酸與NMDA受體平行分布，這引起了科學(xué)家的關(guān)注，因為這種分布提示D型絲氨酸可能和NMDA受體之間存在某種關(guān)系。1995年Matsu等[21]比較了D型型絲氨酸和甘氨酸對NMDA受體的激活效應(yīng)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)D型絲氨酸對NMDA受體的激活效應(yīng)是甘氨酸的3～4倍，Priestley等[22]用細(xì)胞電生理的技術(shù)研究D型絲氨酸和甘氨酸對NMDA受體誘發(fā)細(xì)胞電位的影響，得出了相近的結(jié)論，1997年Schell等[15]采用免疫組織化學(xué)的研究方法發(fā)現(xiàn)D型絲氨酸與NMDA受體的分布一致，這些研究均提示D型絲氨酸與NMDA受體的作用有關(guān)。

后來研究表明D型絲氨酸具有與甘氨酸同樣的共激活作用，且比具有比甘氨酸更強(qiáng)的激活效能。用DAO預(yù)先處理的海馬切片和培養(yǎng)神經(jīng)元，NMDA受體介導(dǎo)的神經(jīng)傳遞顯著減少[6]；丘腦視上核是D型絲氨酸和SRR含量較高的區(qū)域，用DAO預(yù)處理后，該區(qū)域NMDA受體活性顯著下降[23]；在培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元中，如果減少或去除膠質(zhì)細(xì)胞，NMDA受體介導(dǎo)的興奮性突觸后電位也會發(fā)生改變，主要由于浮于液體上層的D型絲氨酸濃度顯著下降所致，添加外源性D型絲氨酸可以逆轉(zhuǎn)NMDA受體活性[24]，這些證據(jù)提示D型絲氨酸可能與NMDA受體相互作用，改變NMDA受體活性。由于NMDA受體機(jī)能障礙被認(rèn)為是精神分裂癥發(fā)生的病理生理因素，所以最近有學(xué)者將對精神分裂癥的研究轉(zhuǎn)移到D型絲氨酸方面，結(jié)果發(fā)現(xiàn)D型絲氨酸的水平異?；蛘邊⑴cD型絲氨酸合成代謝的酶基因異常均與的精神分裂癥有關(guān)[1,25-27]。

D型絲氨酸不僅對神經(jīng)遞質(zhì)的傳統(tǒng)觀念提出了挑戰(zhàn)，而且為NMDA受體過度興奮和下調(diào)所致的急慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病提供了一種新的治療途徑。因此D型絲氨酸與精神分裂癥的關(guān)系也受到越來越多的關(guān)注。2007年Bendikov等人[27]研究發(fā)現(xiàn)精神分裂癥患者腦脊液中D型絲基酸的水平降低了25%，D型絲氨酸與L型絲氨酸的比值減小了23%，而頂葉皮層卻沒有變化，他們還分別對15例正常人和15例精神分裂癥、重度抑郁癥和雙相精神障礙的患者的額葉皮質(zhì)和海馬區(qū)域的絲氨酸消旋酶和D型氨基酸氧化酶蛋白表達(dá)情況進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，與正常人相比精神分裂癥、重度抑郁癥和雙相型精神障礙患者的額葉皮質(zhì)和海馬區(qū)域絲氨酸消旋酶蛋白分別減少39%和21%，在額葉皮質(zhì)D型氨基酸氧化酶無變化，而在海馬D型氨基酸氧化酶蛋白明顯增加。他們的研究結(jié)果進(jìn)一步說明了精神分裂癥患者腦脊液D型絲氨酸水平是降低的。其原因可能是精神分裂癥患者腦內(nèi)特定區(qū)域絲氨酸消旋酶活性降低合成量減少而D型絲氨酸氧化酶合成增加活性升高。這些結(jié)果均提示D型絲氨酸及其代謝相關(guān)的酶基因與精神分裂癥的病理生理過程密切相關(guān)。

最新的研究發(fā)現(xiàn)與DAO相互作用的G72基因與精神分裂癥的發(fā)生高度相關(guān)[28]，該基因是Chumakov等[14]研究精神分裂癥患者13q22-43連鎖區(qū)域圖是發(fā)現(xiàn)的，它定位于位于13q33，跨距5 Mb[15]，它編碼的G72蛋白能夠增強(qiáng)DAO的活性，代謝D絲氨酸，減少D絲氨酸含量，進(jìn)而影響NMDA受體活性[14,16,30]。DAO和G72被認(rèn)為是精神分裂癥的危險遺傳因素。

5 小結(jié)

綜上所述，D構(gòu)象絲氨酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中主要由絲氨酸消旋酶將絲氨酸直接消旋而來，最終被D構(gòu)象氨基酸氧化酶氧化。D構(gòu)象絲氨酸作為NMDA受體的內(nèi)源性配體，對經(jīng)典神經(jīng)遞質(zhì)的概念提出了新的補(bǔ)充，同時它為NMDA受體過度興奮或者功能抑制所導(dǎo)致的急慢性神經(jīng)系統(tǒng)疾病，提供了新的治療靶點(diǎn)。○Z

[1] Billard JM. D-serine signalling as a prominent determinant of neuronal-glial dialogue in the healthy and diseased brain[J]. J Cell Mol Med, 2008, 12(5B):1872-1884.

[2] Hashimoto A, Nishikawa T, Hayashi T, Fujii N, Harada K, Oka T, Takahashi, K.,. The presence of free d-serine in rat brain[J]. FEBS Lett, 1992, 296, 33-36.

[3] Wolosker H, Sheth KN, Takahashi M, et al. Purification of serine racemase: biosynthesis of the neuromodulator D-serine[J].Proc Natl Acad Sci U S A, 1999,96(2):721-725.

[4] Angulo MC, Kozlov AS, Charpak S, et al. Glutamate released from glial cells synchronizes neuronal activity in the hippocampus[J]. J Neurosci, 2004, 24(31):6920-6927.

[5] Schell MJ, Brady RO Jr, Molliver ME. D-serine as a neuromodulator: regional and developmental localizations in rat brain glia resemble NMDA receptors[J].J Neurosci, 1997,17(5):1604-1615.

[6] Mothet JP, Parent AT, Wolosker H, et al. D-serine is an endogenous ligand for the glycine site of the N-methyl-D-aspartate receptor[J]. Proc Natl Acad Sci U S A,2000,97(9):4926-4931.

[7] Wu SZ, Bodles AM, Porter MM, et al. Induction of serine racemase expression and D-serine release from microglia by amyloid beta-peptide[J].J Neuroinflammation,2004,1(1):1-11.

[8] Wu S, Barger SW, Sims TJ. Schwann cell and epineural fibroblast expression of serine racemase[J]. Brain Res, 2004, 020(1-2):161-166.

[9] Takayasu N, Yoshikawa M, Watanabe M, et al. The serine racemase mRNA is expressed in both neurons and glial cells of the rat retina[J]. Arch Histol Cytol, 2008,71(2):123-129.

[10] Fujitani Y, Nakajima N, Ishihara K, et al. Molecular and biochemical characterization of a serine racemase from Arabidopsis thaliana[J]. Phytochemistry, 2006, 67(7):668-674.

[11] 陽洪波,袁建月,彭小忠. D構(gòu)象絲氨酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的功能研究進(jìn)展[J].生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展, 2003, 30(6):852-854.

[12] 楊勝,周文霞,張永祥. D型絲氨酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的作用研究進(jìn)展[J].中國藥理學(xué)通報, 2005,21(8):910-913.

[13] Burnet PW, Hutchinson L, von Hesling M, et al. Expression of D-serine and glycine transporters in the prefrontal cortex and cerebellum in schizophrenia[J].Schizophr Res, 2008,102(1-3):283-294.

[14] Morita Y, Ujike H, Tanaka Y, et al. A genetic variant of the serine racemase gene is associated with schizophrenia[J]. Biol Psychiatry, 2007,61(10): 1200-1203.

[15] Hikida T, Mustafa AK, Maeda K, et al. Modulation of D-serine levels in brains of mice lacking PICK1[J]. Biol Psychiatry, 2008,63(10):997-1000.

[16] Miranda DJ, Santoro A, Engelender S, et al. Human serine racemase:moleular cloning, genomic organization and functional analysis[J].Gene, 2000,256(1-2):183-188.

[17] Mustafa AK, Kumar M, Selvakumar B, et al. Nitric oxide S-nitrosylates serine racemase, mediating feedback inhibition of D-serine formation[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2007,104(8):2950-2955.

[18] Kartvelishvily E, Shleper M, Balan L, et al. Neuron-derived D-serine release provides a novel means to activate N-methyl-D-aspartate receptors[J]. J Biol Chem, 2006,281(20):14151-14162.

[19] Baumgart F, Mancheo JM, Rodrguez-Crespo I. Insights into the activation of brain serine racemase by the multi-PDZ domain glutamate receptor interacting protein, divalent cations and ATP[J]. FEBS J, 2007,274(17): 4561-4571

[20] Hashimoto A, Nishikawa T, Oka T, et al. Endogenous D-serine in rat brain:N-methyl-D-aspartate receptor-related distribution and aging [J]. Neurochem,1993,60(2):783-786.

[21] Matsui TA, Sekiguchi M, Hashimoto A, et al. Functional Comparison of D-Serine and Glycin the Effect on Cloned NMDA Receptorthe Extracellular Concentration[J].Toumat of Neurochemistry, 1995,65(1): 454-458.

[22] Priestley T, Laughton P, Myers J, et al. Pharmacological properties of recombinant human N-methyl-D-aspartate receptors comprising NR1a/NR2A and NR1a/NR2B subunit assemblies expressed in permanently transfected mouse fibroblast cells[J]. Mol Pharmacol, 1995, 48(5):841-848.

[23] Panatier A, Theodosis DT, Mothet JP, et al. Glia-derived D-serine controls NMDA receptor activity and synaptic memory[J]. Cell, 2006,125(4): 639-641.

[24] Yang Y, Ge W, Chen Y, et al. Contribution of astrocytes to hippocampal long-term potentiation through release of D-serine[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2003,100(25):15194-15199.

[25] Mustafa AK, Kim P, Snyder SH. D-Serine as a putative glial neurotransmitter[J]. Neuron Glia Biol, 2004,1(3):275-281.

[26] Hashimoto K, Fukushima T, Shimizu E, et al. Decreased serum levels of D-serine in patients with schizophrenia: evidence in support of the N-methyl-D-aspartate receptor hypofunction hypothesis of schizophrenia[J]. Arch Gen Psychiatry, 2003,60(6):572-576.

[27] Bendikov I, Nadri C, Amar S, et al. A CSF and postmortem brain study of D-serine metabolic parameters in schizophrenia[J]. Schizophr Res, 2007, 90(1-3):41-51.

[28] Chumakov I, Blumenfeld M, Guerassimenko O, et al. Genetic and physiological data implicating the new human gene G72 and the gene for D-amino acid oxidase in schizophrenia[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2002,99(21):13675-80.

[29] Kantrowitz JT. and Javitt DC. N-methyl-D-aspartate (NMDA) receptor dysfunction or dysregulation: the final common pathway on the road to schizophrenia? [J]. Brain Res Bull. 2010,83(3-4):108–121.

[30] Burnet L V, Betts,JF and Harrison PJ. The neurobiology of D-amino acid oxidase (DAO) and its involvement in schizophrenia[J]. Mol Psychiatry. 2010,15(2):122–137.

10.3969/j.issn.1672-2779.2012.18.113

1672-2779（2012）-18-0162-03

2012-07-15）