肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白在神經(jīng)元樹突棘重塑中的作用

張賽圣 程麗霞 呂 誠

(南昌大學(xué)醫(yī)學(xué)院人體解剖學(xué)教研室，江西 南昌 330006)

樹突棘是存在于哺乳動(dòng)物大腦神經(jīng)元樹突上的小突起，通常作為突觸后成分與投射來的軸突共同構(gòu)成完整的突觸連接。樹突棘最顯著的一個(gè)特征是形態(tài)的多樣性，在形態(tài)、大小和數(shù)量上的動(dòng)態(tài)變化與突觸的效能密切相關(guān)，是突觸結(jié)構(gòu)可塑性的主要形式〔1，2〕。樹突棘的主要細(xì)胞骨架成分是肌動(dòng)蛋白，肌動(dòng)蛋白與肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白相互作用，在樹突棘的形態(tài)學(xué)改變和重塑中發(fā)揮著重要作用。

1 樹突棘與學(xué)習(xí)記憶

樹突棘是約90%興奮性突觸的突觸后部分，構(gòu)成了哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性突觸傳遞的原始位點(diǎn)，是信息獲得與儲(chǔ)存的關(guān)鍵和結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)〔3，4〕。在發(fā)育過程中，樹突棘的形態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。在發(fā)育早期出現(xiàn)的絲狀偽足一般被認(rèn)為是樹突棘的前體，在成熟神經(jīng)元中樹突棘可分為細(xì)長型、粗短型、蘑菇型等〔3〕。電鏡下，在棘的頭部可觀察到與突觸后膜相連接的高電子密度的盤狀結(jié)構(gòu)突觸后致密物，其主要由神經(jīng)遞質(zhì)受體、離子通道、骨架蛋白和參與突觸傳導(dǎo)、耦聯(lián)的信號系統(tǒng)組成，約占棘頭表面積的10%。研究〔5〕表明，棘頭的體積與突觸后致密物的面積、突觸后受體的數(shù)目、突觸前囊泡和待釋放神經(jīng)遞質(zhì)的數(shù)量呈正比，棘頸的形態(tài)(長度和直徑)決定了活化的突觸中內(nèi)流Ca2+的濃度和維持的時(shí)間〔5〕。用高頻刺激誘導(dǎo)長時(shí)程增強(qiáng)，會(huì)引起突觸后致密物與棘頭增大，同時(shí)突觸反應(yīng)性及微型興奮性突觸后電流(mEPSCs)增加，而低頻刺激誘導(dǎo)長時(shí)程抑制則伴隨著樹突棘萎縮〔5，6〕。Kolb等〔7〕研究發(fā)現(xiàn)，Morris水迷宮訓(xùn)練可增加大鼠枕葉皮質(zhì)Ⅲ層錐體細(xì)胞樹突長度、分支及樹突棘密度，T-迷宮訓(xùn)練可增加內(nèi)側(cè)額葉和眶額葉皮質(zhì)Ⅲ層錐體細(xì)胞樹突棘密度；Beltrán-Campos等〔8〕研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)水迷宮訓(xùn)練過的大鼠海馬CA1區(qū)錐體細(xì)胞內(nèi)與記憶特異性相關(guān)的蘑菇型棘數(shù)量顯著增加；張曉光等〔9〕研究也發(fā)現(xiàn)，Morris水迷宮的記憶回想測試可以增加海馬CA1區(qū)錐體細(xì)胞樹突棘的密度，提示記憶提取過程可能伴有興奮性突觸的數(shù)量增加。

2 肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白對樹突棘形態(tài)的調(diào)節(jié)

研究表明，樹突棘的主要細(xì)胞骨架成分是肌動(dòng)蛋白，它以可溶性的球形肌動(dòng)蛋白單體(G-actin)和聚合態(tài)的絲狀肌動(dòng)蛋白多聚體(F-actin)兩種形式存在，F(xiàn)-actin是G-actin以雙螺旋形式構(gòu)成的肌動(dòng)蛋白聚合體，而只有這種多聚體才能發(fā)揮其生物學(xué)作用，賦予樹突棘特征性的形態(tài)?，F(xiàn)在普遍認(rèn)為可調(diào)節(jié)的肌動(dòng)蛋白的聚合和(或)解聚是樹突棘運(yùn)動(dòng)、生長和塑形的基礎(chǔ)，樹突棘形態(tài)的改變是通過樹突棘內(nèi)肌動(dòng)蛋白的重排而實(shí)現(xiàn)的，而肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白在肌動(dòng)蛋白的重排中起著重要的調(diào)節(jié)作用〔10，11〕。此類蛋白主要有：(1)發(fā)育調(diào)節(jié)腦蛋白(drebrin)。drebrin最初是從10 d的雞胚通過二維凝膠電泳分離出來，分為drebrin A和drebrin E兩大類。drebrin A主要定位于大腦皮層和海馬成熟神經(jīng)元的樹突棘內(nèi)。將drebrin A的cDNA轉(zhuǎn)染到成纖維細(xì)胞內(nèi)，發(fā)現(xiàn)有樹突樣結(jié)構(gòu)形成；在培養(yǎng)的皮層成熟神經(jīng)元過表達(dá)drebrin A時(shí)，神經(jīng)元樹突棘的長度明顯增加；而抑制drebrin A在海馬神經(jīng)元中的表達(dá)則導(dǎo)致樹突棘密度減少。這些研究表明drebrin A能促進(jìn)樹突棘的生長發(fā)育，其作用機(jī)制有：① drebrin能夠抑制肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白的相互作用，減少F-actin的收縮力和樹突棘的回縮；② drebrin能募集profilin(肌動(dòng)蛋白聚合的啟動(dòng)子)進(jìn)入纖絲引起棘的延長；③ drebrin還可以抑制原肌球蛋白和α-輔肌動(dòng)蛋白，并競爭性與F-actin結(jié)合，調(diào)節(jié)actin骨架網(wǎng)的動(dòng)力學(xué)，進(jìn)而引起樹突棘形態(tài)改變〔10～14〕。(2)cofilin。cofilin是分子量21 kD的肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白，一般存在于與肌動(dòng)蛋白快速重組相關(guān)的移動(dòng)性位點(diǎn)，在樹突棘中主要定位于棘的邊緣和突觸后致密物。cofilin能切割F-actin并加速亞基從F-actin末端分離，提高F-actin翻轉(zhuǎn)和扭曲。在扭曲過程中，肌動(dòng)蛋白分子之間的縱向和橫向接觸面減小，修正了蛋白螺旋之間的間距，影響了亞基之間的相互作用，從而導(dǎo)致F-actin的快速解聚。cofilin的磷酸化與否是肌動(dòng)蛋白解聚的開關(guān)，cofilin的磷酸化酶有LIM激酶，cofilin是目前已知唯一的LIM激酶作用靶點(diǎn)，LIM激酶能通過增加Ser3位點(diǎn)磷酸化使cofilin蛋白失活〔10，11，15〕。(3)肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白2/3(Arp2/3)復(fù)合體。Arp2/3復(fù)合體由7條保守的多肽鏈組成，其中2個(gè)亞基分別是Arp2和Arp3。Arp2/3復(fù)合體在介導(dǎo)肌動(dòng)蛋白核化和微絲分支中具有關(guān)鍵作用，但其本身沒有生化活性，它需要核化促進(jìn)因子的激活。這些核化促進(jìn)因子中，神經(jīng)型Wiskott-Aldrich綜合征蛋白(N-WASP)和WASP家族Verprolin同源蛋白(WAVE)尤為重要。這兩種蛋白均含有VCA結(jié)構(gòu)域，此結(jié)構(gòu)域是Arp2/3復(fù)合體誘導(dǎo)F-actin聚合的關(guān)鍵區(qū)域。激活的Arp2/3復(fù)合體通過“樹突狀核化”模式或“正端分支”模式介導(dǎo)肌動(dòng)蛋白核化及微絲分支〔10，16〕。(4)樹突棘相關(guān)的Rap特異性GTP酶活化蛋白(SPAR)。SPAR位于突觸后NMDA受體-PSD-95復(fù)合體中，是調(diào)節(jié)活動(dòng)依賴性突觸重構(gòu)的重要蛋白之一。SPAR包含兩個(gè)獨(dú)立的F-actin結(jié)合區(qū)(Act1和Act2)、一個(gè)鳥苷酸激酶結(jié)合區(qū)和一個(gè)GTP酶活化區(qū)。在海馬神經(jīng)元中，SPAR定位于樹突棘上，在較大的棘內(nèi)含量豐富。SPAR過表達(dá)能誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白重組，導(dǎo)致棘頭增大，形態(tài)不規(guī)則。神經(jīng)元樹突棘內(nèi)SPAR水平受突觸活化的調(diào)節(jié)。突觸活化誘導(dǎo)產(chǎn)生的血清誘導(dǎo)激酶(SNK)能靶向性地與樹突棘內(nèi)SPAR的Act2結(jié)構(gòu)域相結(jié)合，使SPAR磷酸化，磷酸化的SPAR經(jīng)泛素化-蛋白酶體途徑發(fā)生降解，此即突觸活化過程中的SNK-SPAR信號途徑。SPAR降解導(dǎo)致成熟樹突棘減少和絲狀偽足生成，突觸后致密物和突觸丟失，最終使突觸聯(lián)系減少〔10，17～19〕。(5)cortactin，cortactin富含于神經(jīng)元樹突棘中并與F-actin共定位。過表達(dá)cortactin促進(jìn)樹突棘的延長，而敲除內(nèi)源性cortactin則導(dǎo)致樹突棘密度下降。此外，NMDA受體的活化可以觸發(fā)cortactin從樹突棘到樹突柄的再分配，表明cortactin參與神經(jīng)元活性依賴性的樹突棘重塑。cortactin通過中央的串聯(lián)重復(fù)序列區(qū)域與F-actin相互作用，通過N-末端酸性區(qū)和Arp2/3復(fù)合體相互作用。這些相互作用促進(jìn)了肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架的聚合、分支和穩(wěn)定〔20～22〕。(6)spinophilin，電鏡觀察顯示spinophilin特異性定位于樹突棘的頭部，常作為突觸后樹突標(biāo)志來分析和定量光鏡下樹突棘密度的變化。除了作為樹突棘的標(biāo)志外，spinophilin還可通過對樹突棘興奮性突觸傳遞和樹突棘形態(tài)的調(diào)節(jié)在突觸可塑性中扮演重要角色。體外實(shí)驗(yàn)顯示，spinophilin能夠綁定和交聯(lián)肌動(dòng)蛋白絲，使其聚集成束。而spinophilin基因敲除的小鼠可影響長時(shí)程抑制并且損害學(xué)習(xí)能力。Spinophilin能被蛋白激酶A和鈣離子/鈣調(diào)蛋白依賴的蛋白激酶等磷酸化。Spinophilin和肌動(dòng)蛋白的結(jié)合能力與Spinophilin的磷酸化水平呈負(fù)相關(guān)。Spinophilin磷酸化后，與肌動(dòng)蛋白的結(jié)合能力減弱，使其從突觸后膜上脫離，破壞樹突形態(tài)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致樹突棘結(jié)構(gòu)丟失〔23～26〕。

3 樹突棘內(nèi)肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)異常與神經(jīng)退行性疾病

來自細(xì)胞模型、動(dòng)物模型和患者尸檢實(shí)驗(yàn)資料表明許多神經(jīng)退行性疾病出現(xiàn)樹突棘的病理性改變、樹突棘內(nèi)肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)機(jī)制受損。Perez-Cruz等〔27〕發(fā)現(xiàn)Tg2576和 APP/Lo轉(zhuǎn)基因阿爾茨海默病(AD)模型小鼠海馬CA1區(qū)錐體細(xì)胞內(nèi)蘑菇型樹突棘密度明顯下降。Julien等〔28〕發(fā)現(xiàn)AD患者腦內(nèi)drebrin mRNA表達(dá)下降與AD病程進(jìn)展密切相關(guān)。Yao等〔29〕的Western印跡檢測顯示Tg19959轉(zhuǎn)基因AD模型小鼠腦內(nèi)和原代培養(yǎng)的神經(jīng)元內(nèi)cofilin表達(dá)明顯升高。在帕金森病(PD)動(dòng)物模型和患者腦內(nèi)，中型多棘紋狀體投射神經(jīng)元樹突棘密度減少是繼黑質(zhì)多巴胺能神經(jīng)元丟失之后的另一個(gè)主要病理改變〔30～32〕。PINK1基因是與早發(fā)性常染色體隱性遺傳性PD相關(guān)的致病基因，PINK1基因抑制可導(dǎo)致磷酸化的cofilin表達(dá)增加〔33〕。Golgi染色顯示亨廷頓病轉(zhuǎn)基因小鼠中型多棘紋狀體神經(jīng)元和皮質(zhì)錐體神經(jīng)元樹突棘密度和長度下降〔34，35〕。突變的亨廷頓蛋白能導(dǎo)致細(xì)胞核內(nèi)cofilin-肌動(dòng)蛋白棒狀結(jié)構(gòu)的持續(xù)存在〔36〕。Irwin等〔37〕研究顯示，脆性X綜合征患者顳葉和視覺區(qū)第Ⅴ層錐體神經(jīng)元樹突棘呈現(xiàn)出細(xì)長扭曲的不成熟狀態(tài)。徐琴等〔38〕研究顯示，Drebrin A和Drebrin E在樹突棘和突觸發(fā)育成熟關(guān)鍵期的表達(dá)交替延遲是脆性X綜合征樹突棘形態(tài)和功能異常的原因之一。

4 展 望

肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白對樹突棘的細(xì)胞骨架肌動(dòng)蛋白的重排起著重要的調(diào)節(jié)作用，在樹突棘的形態(tài)學(xué)改變和重塑中扮演重要角色。盡管肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)樹突棘重塑的研究已取得了一些重要進(jìn)展，但其具體機(jī)制尚需深入探討。特別是肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白與肌動(dòng)蛋白作用的方式以及細(xì)胞內(nèi)信號傳導(dǎo)的精細(xì)機(jī)制等都有待于進(jìn)一步闡明。另外，大量研究表明，許多神經(jīng)退行性疾病樹突棘內(nèi)肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白調(diào)節(jié)機(jī)制受損。對肌動(dòng)蛋白結(jié)合蛋白在神經(jīng)退行性疾病中作用的深入研究可能為其發(fā)病機(jī)制的闡明和尋找防治疾病的新靶點(diǎn)提供基礎(chǔ)。

5 參考文獻(xiàn)

1Martino A，Ettorre M，Musilli M，etal.Rho GTPase-dependent plasticity of dendritic spines in the adult brain〔J〕.Front Cell Neurosci，2013，doi：10.3389/fncel.2013.00062.

2O'Donnell C，Nolan MF，van Rossum MC.Dendritic spine dynamics regulate the long-term stability of synaptic plasticity〔J〕.J Neurosci，2011;31(45)：16142-56.

3Fortin DA，Srivastava T，Soderling TR.Structural modulation of dendritic spines during synaptic plasticity〔J〕.Neuroscientist，2012;18(4)：326-41.

4Spires-Jones T，Knafo S.Spines，plasticity，and cognition in Alzheimer's model mice〔J〕.Neural Plast，2012，doi：10.1155/2012/319836.

5Bosch M，Hayashi Y.Structural plasticity of dendritic spines〔J〕.Curr Opin Neurobiol，2012；22(3)：383-8.

6Tolias KF，Duman JG，Um K.Control of synapse development and plasticity by Rho GTPase regulatory proteins〔J〕.Prog Neurobiol，2011；94(2)：133-48.

7Kolb B，Cioe J，Comeau W.Contrasting effects of motor and visual spatial learning tasks on dendritic arborization and spine density in rats〔J〕.Neurobiol Learn Mem，2008；90(2)：295-300.

8Beltrán-Campos V，Prado-Alcalá RA，León-Jacinto U，etal.Increase of mushroom spine density in CA1 apical dendrites produced by water maze training is prevented by ovariectomy〔J〕.Brain Res，2011；1369：119-30.

9張曉光，薛張綱.記憶提取對小鼠樹突棘的形態(tài)學(xué)影響〔J〕.中國臨床科學(xué)，2012；19(2)：91-3.

10Penzes P，Rafalovich I.Regulation of the actin cytoskeleton in dendritic spines〔J〕.Adv Exp Med Biol，2012；970：81-95.

11Soria Fregozo C，Pérez Vega MI.Actin-binding proteins and signalling pathways associated with the formation and maintenance of dendritic spines〔J〕.Neurologia，2012；27(7)：421-31.

12賈麗潔，羅 艷，張富軍，等.Drebrin對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〔J〕.中國藥理學(xué)通報(bào)，2010；26(8)：989-92.

13Mikati MA，Grintsevich EE，Reisler E.Drebrin-induced stabilization of actin filaments〔J〕.J Biol Chem，2013；288(27)：19926-38.

14柴繼俠，李瑞錫，彭裕文.Drebrin在神經(jīng)元樹突棘形成和重塑中的作用〔J〕.神經(jīng)解剖學(xué)雜志，2009；25(2)：221-6.

15趙 微，蘇玉虹，巴彩鳳，等.Cofilin蛋白功能及活性調(diào)節(jié)〔J〕.中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)報(bào)，2007；23(9)：706-10.

16葉綻蕾，張 迪，苗一非，等.肌動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白(ARP2/3)在神經(jīng)樹突棘可塑性中的研究進(jìn)展〔J〕.神經(jīng)疾病與精神衛(wèi)生，2007；7(6)：411-5.

17Gong X，Lu X，Zhan L，etal.Role of the SNK-SPAR pathway in the development of Alzheimer’s disease〔J〕.IUBMB Life，2010；62(3)：214-21.

18戰(zhàn)麗彬，宮曉洋，劉 莉，等.脾陰虛癡呆大鼠不同腦區(qū)Snk-SPAR 路徑及滋補(bǔ)脾陰方藥調(diào)控作用研究〔J〕.世界科學(xué)技術(shù)——中醫(yī)藥現(xiàn)代化，2011；13(5)：836-41.

19吳蘭香，孫長凱，張玉梅，等.銀杏葉提取物神經(jīng)保護(hù)作用中Snk-SPAR途徑機(jī)制探討〔J〕.神經(jīng)解剖學(xué)雜志，2007；23(2)：199-204.

20Ueda S，Negishi M，Katoh H.Rac GEF Dock4 interacts with cortactin to regulate dendritic spine formation〔J〕.Mol Biol Cell，2013；24(10)：1602-13.

21Chen YK，Hsueh YP.Cortactin-binding protein 2 modulates the mobility of cortactin and regulates dendritic spine formation and maintenance〔J〕.J Neurosci，2012；32(3)：1043-55.

22Ethell IM，Pasquale EB.Molecular mechanisms of dendritic spine development and remodeling〔J〕.Prog Neurobiol，2005；75(3)：161-205.

23周琳娜，劉 娟，楊朝輝，等.雌激素替代治療對大鼠小腦樹突棘素表達(dá)的影響〔J〕.中國組織化學(xué)與細(xì)胞化學(xué)雜志，2009；18(5)：530-5.

24Hu J，Vidovic M，Chen MM，etal.Activation of alpha 2A adrenoceptors alters dendritic spine development and the expression of spinophilin in cultured cortical neurones〔J〕.Brain Res，2008；1199：37-45.

25Hu XL，Bergstr?m SA，Brink M，etal.Enriched environment increases spinophilin mRNA expression and spinophilin immunoreactive dendritic spines in hippocampus and cortex〔J〕.Neurosci Lett，2010；476(2)：79-83.

26Hsieh-Wilson LC，Benfenati F，Snyder GL，etal.Phosphorylation of spinophilin modulates its interaction with actin filaments〔J〕.J Biol Chem，2003；278(2)：1186-94.

27Perez-Cruz C，Nolte MW，van Gaalen MM，etal.Reduced spine density in specific regions of CA1 pyramidal neurons in two transgenic mouse models of Alzheimer's disease〔J〕.J Neurosci，2011；31(10)：3926-34.

28Julien C，Tremblay C，Bendjelloul F，etal.Decreased drebrin mRNA expression in Alzheimer disease：correlation with tau pathology〔J〕.J Neurosci Res，2008；86(10)：2292-302.

29Yao J，Hennessey T，F(xiàn)lynt A，etal.MicroRNA-related cofilin abnormality in Alzheimer’s disease〔J〕.PLoS One，2010；5(12)：e15546.

30Pienaar IS，Burn D，Morris C，etal.Synaptic protein alterations in Parkinson's disease〔J〕.Mol Neurobiol,2012；45(1)：126-43.

31Villalba RM，Smith Y.Neuroglial plasticity at striatal glutamatergic synapses in Parkinson's disease〔J〕.Front Syst Neurosci，2011，doi：10.3389/fnsys.2011.00068.

32Villalba RM，Smith Y.Striatal spine plasticity in Parkinson's disease〔J〕.Front Neuroanat，2010，doi：10.3389/fnana.2010.00133.

33Cuadrado-Tejedor M，Sesma MT，Giménez-Amaya JM，etal.Changes in cytoskeletal gene expression linked to MPTP-treatment in Mice〔J〕.Neurobiol Dis，2005；20(3)：666-72.

34Spires TL，Grote HE，Garry S，etal.Dendritic spine pathology and deficits in experience-dependent dendritic plasticity in R6/1 Huntington's disease transgenic mice〔J〕.Eur J Neurosci，2004；19(10)：2799-807.

35Richards P，Didszun C，Campesan S，etal.Dendritic spine loss and neurodegeneration is rescued by Rab11 in models of Huntington's disease〔J〕.Cell Death Differ，2011；18(2)：191-200.

36Munsie L，Caron N，Atwal RS，etal.Mutant huntingtin causes defective actin remodeling during stress：defining a new role for transglutaminase 2 in neurodegenerative disease〔J〕.Hum Mol Genet，2011；20(10)：1937-51.

37Irwin SA，Patel B，Idupulapati M，etal.Abnormal dendritic spine characteristics in the temporal and visual cortices of patients with fragile-X syndrome：a quantitative examination〔J〕.Am J Med Genet，2001；98(2)：161-7.

38徐 琴，竺智偉，趙正言.Drebrins和Icam-5在Fmr-1基因敲除鼠大腦皮層的表達(dá)和意義〔J〕.中華神經(jīng)醫(yī)學(xué)雜志，2012；11(7)：658-62.