有機陽離子轉運體3 (OCT3)的生物學特點及其在相關神經精神疾病中的作用

韓思達(綜述) 崔 梅(審校)

(復旦大學附屬華山醫(yī)院神經內科 上海 200040)

有機陽離子轉運體3(organic cation transporter 3,OCT3)和OCT1、OCT2共同構成 OCTs亞家族,該亞家族是SLC22蛋白家族的一員。OCT3長度為551個氨基酸殘基,共有12個跨膜區(qū)(transmembrane domain,TMD),其中TMD1和TMD2之間有1個胞外環(huán),TMD6和TMD7之間有1個胞內環(huán)。2個環(huán)中具有多個磷酸化和糖基化位點,與該轉運體功能調節(jié)有關。TMD4和TMD10是OCT3底物識別的關鍵區(qū)域[1-2]。在這12個跨膜區(qū)中,TMD1、2、4、5、7、10和11共同組成了一個疏水腔隙,是各種底物的結合位點[3]。人OCT3由定位于6q26-q27的SLC22A3基因編碼,基因包含11個外顯子和10個內含子,相鄰的外顯子和內含子之間以高度保守的GT/AG間接位點相連[2]。該轉運體多表達于腦內單胺能神經末梢投射區(qū),在腦內分布廣泛,如大鼠大小腦皮層、上丘和下丘、海馬回、后隔膜、嗅球顆粒細胞層、下丘腦背內側核、基底神經節(jié)、中縫大核、藍斑和結節(jié)乳頭體核等[4-6]。另外,在室周器內可觀察到OCT3陽性的神經細胞及纖維投射,腦室內的室管膜細胞也表達OCT3[5]。

OCT3的轉運及活性調節(jié)OCT3轉運的底物包括一些生理性化合物(如單胺類神經遞質)以及一些陽離子型藥物毒物,如1-甲基-4-苯基吡啶(1-methyl-4-phenyl-pyridine,MPP+)、百草枯(paraquat,PQ)等。首先,OCT3是一種低親和力單胺類神經遞質轉運體(又稱為uptake2),在多巴胺轉運體(dopamine transporter,DAT)、去甲腎上腺素轉運體(norepinephrine transporter,NET)和五羥色胺轉運體(serotonin transporter,SERT)等高親和力單胺轉運體(又稱為uptake 1)飽和或活性下降時,OCT3可作為一種代償機制發(fā)揮清除突觸間隙內單胺類神經遞質的功能[4,7]。另外,OCT3可以轉運很多重要的陽離子型藥物或毒物,如MPP+、PQ、胍丁胺、環(huán)(組氨酸-脯氨酸)二肽、利多卡因、奎尼丁、二甲雙胍等[1]。OCT3抑制劑包括二亞甲基雙氧苯丙胺(3,4- methylene two oxygen methamphetamine,MDMA)、苯環(huán)己哌啶(piperidine,PCP)、可卡因、安非他命、decynium-22(D-22)以及生理水平的糖皮質激素(glucocorticoid,GC)等[8]。

OCT3活性的調節(jié)主要依靠兩種方式:一種是在翻譯后水平的磷酸化-去磷酸化調節(jié),包括酪氨酸蛋白激酶、絲/蘇氨酸蛋白激酶、堿性磷酸酶等;另一種是在轉錄水平通過Ca2+/CaM 途徑調節(jié)OCT3活性[1,9]。有研究表明,酪氨酸激酶抑制劑(tyrosine kinase inhibitor,TKI)可以通過抑制src家族的蛋白激酶Yes1,使OCT2酪氨酸磷酸化水平下降,抑制其轉運功能。而在OCTs的成員之間具有相同的酪氨酸磷酸化區(qū)域和多脯氨酸的SH3結合序列,因此TKIs可以調節(jié)包括OCT3在內的所有OCTs蛋白[9]。轉錄因子Pet-1是OCT3基因表達所必需的協(xié)同因子[10]。

在人群中由于單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP)差異,不同個體OCT3的轉運效能也不同。有研究發(fā)現(xiàn),在甲基安非他命(methamphetamine,MAP)依賴伴多種藥物濫用的患者中,SNP2(rs509707)的基因型頻率和等位基因頻率以及SNP3(rs4709426)的等位基因頻率顯著高于僅對MAP依賴者[11];rs8187717、rs12212246以及rs8187725對OCT3轉運組胺和MPP+的能力均有不同程度的影響[12]。這些基因多態(tài)性可能決定了不同個體對神經毒物和成癮藥物敏感性的差異。

OCT3在抑郁癥中的作用五羥色胺(5-hydroxy tryptamine,5-HT)和去甲腎上腺素(norepinephrine,NE)均為重要的單胺類神經遞質,在腦內含量豐富。5-HT能調節(jié)情緒和情感,參與抑郁癥的發(fā)病[13]。NE可以通過改變前額葉皮質和其他腦區(qū)的神經活動模式,增強腦對外界刺激的反應性[14],增加腦內NE水平具有抗抑郁作用[15]。這兩種神經遞質均為OCT3的底物,OCT3對抑郁癥患者腦內神經遞質傳遞具有獨特的影響。

SERT和OCT3都可以轉運5-HT。有研究顯示,SERT缺陷小鼠的海馬區(qū)域內OCT3 mRNA和蛋白質表達水平均升高,這說明OCT3在SERT功能下降時發(fā)揮重要的代償作用。在應用OCT3抑制劑D-22后,SERT缺陷小鼠不僅腦內5-HT轉運效率明顯下降,抑郁行為也明顯好轉,而WT小鼠腦內遞質轉運效率和抑郁行為學方面未見明顯變化。這進一步證明了OCT3在SERT功能下降時才發(fā)揮作用,也提示OCT3的代償性活化、加速5-HT再攝取可能是選擇性5-HT再攝取抑制劑(selective serotonin reuptake inhibitor,SSRI)對部分抑郁癥患者不敏感的原因[16-17],抑制OCT3可能是未來抑郁癥治療的新靶點[18-20]。也有體外實驗發(fā)現(xiàn),三環(huán)類抗抑郁藥(tricyclic antidepressant,TCA)、SSRI等廣泛應用于臨床的抗抑郁藥物除了可抑制NET、SERT 等轉運體外,還可以非競爭性地抑制OCT3活性,影響單胺類遞質轉運[21],但是否可因此產生抗抑郁效應尚待進一步研究。

OCT3還影響了一些抗抑郁藥物的療效。去甲丙咪酯是一種TCAs,通常需要應用4～6周后才可發(fā)揮臨床抗抑郁作用。Mooney等[22]通過測量患者在開始治療后1、4和6周血漿及尿液中NE及其代謝產物的水平揭示了這一現(xiàn)象的原因。即:當NE轉運體被去甲丙咪酯抑制時,OCT3對NE的轉運作用代償性增強,將NE轉運至膠質細胞、神經元等細胞中,進一步代謝為甲氧基去甲腎上腺素(methoxy norepinephrine,NMN),NMN可再回到細胞外,抑制OCT3的功能,從而使NE在突觸間隙內富集,產生抗抑郁的療效;人為抑制OCT3可以減少NE向NMN的轉化,增強去甲丙咪酯的抗抑郁療效[22]。我國學者發(fā)現(xiàn),小檗堿具有抑制OCT3和OCT2的作用,阻礙單胺類神經遞質的再攝取,可能具有抗抑郁作用[23]。

總之,在經典的遞質轉運體功能下降或飽和時,抑制OCT3可以上調腦內5-HT和NE水平,發(fā)揮抗抑郁作用。OCT3可以作為抑郁癥治療的新靶點。

OCT3在應激相關藥物成癮中的作用OCT3可以間接誘導實驗動物在應激條件下對成癮性藥物的復吸。同時,長期應用精神藥物也可以對動物腦內OCT3的表達產生影響。

有多項研究指出,OCT3在應激導致的可卡因復吸機制中有著重要作用。應激因子可以激活下丘腦-垂體-腎上腺皮質(hypothalamus-pituitary-adrenal cortex,HPA)軸導致動物體內GCs水平升高。Graf等[24]通過對“自身給藥消退恢復模型大鼠”的研究,發(fā)現(xiàn)GCs可以誘導模型大鼠在暴露于未達閾值劑量的可卡因時就產生藥物復吸行為[24]。McReynold等[25]通過構建“條件性位置偏愛模型小鼠”,也指出GCs可以使小鼠產生低于閾值劑量可卡因所致的藥物位置偏好[25]。伏隔核是經典的成癮相關腦區(qū),在伏隔核內存在著多巴胺能神經元末梢以及OCT3陽性的中型多棘神經元和神經膠質細胞。GC可以抑制OCT3對DA的再攝取和清除,上調局部DA水平,通過相關神經環(huán)路誘導了復吸行為的產生[26]。然而,應激條件下升高的GC不能直接誘導可卡因復吸行為,而是增加犒賞環(huán)路對藥物相關因子的敏感性,降低復吸所需的閾值劑量[24,26]。

對實驗動物反復應用可卡因、安非他命等成癮物質可以下調神經元、膠質細胞上OCT3表達,反饋性地影響上述物質在腦內的藥代動力學過程,使實驗動物產生相應的行為學變化。如:反復用安非他命處理Wistar大鼠,可以下調其腦內OCT3表達,使安非他命在腦內更易富集,進而導致動物出現(xiàn)快速移動等比較穩(wěn)定的行為學變化;而相同條件下Long-Evans 大鼠由于腦內OCT3并未下調,安非他命在腦內的藥代動力學變化不大,因而未產生類似于Wistar大鼠的行為學變化[27]。

除可卡因、安非他命外,尼古丁可通過有機陽離子轉運體透過血腦屏障,在腦內影響兒茶酚胺水平,誘導成癮[28];OCT3在酒精成癮中的作用類似于在誘導應激相關可卡因復吸中的作用[29-30]。

OCT3在帕金森病中的作用帕金森病(Parkinson’s disease,PD)是一種常見的神經退行性疾病,病因不明。其典型病理表現(xiàn)為黑質紋狀體多巴胺能神經元的進行性喪失,神經元內形成以突觸核蛋白為主要成分的 lewy小體。

目前已發(fā)現(xiàn)多個與PD相關的基因位點[31](如parkin、PINK1、DJ-1和SNCA、LRRK2等),但這不能完全解釋絕大多數(shù)散發(fā)性PD的病因。有研究表明,環(huán)境中某些特殊的神經毒物是散發(fā)性PD的重要病因,1-甲基-4-苯基-1,2,3,6-四氫吡啶(1-methyl-4-phenyl-1,2,3,6-tetrahydropyridine,MPTP)和PQ就是兩種具有代表性的神經毒物[32]。MPTP因吸毒者吸食不純毒品后表現(xiàn)出類似PD的表現(xiàn)而被發(fā)現(xiàn),現(xiàn)在已被廣泛用于構建PD動物模型;流行病學調查已顯示長期小劑量接觸農藥和除草劑(PQ是其中的有效成分)者罹患PD的風險升高[33-34];一些臨床研究顯示,PQ慢性中毒者腦磁共振成像可發(fā)現(xiàn)彌散張量成像(diffusion tension imaging,DTI)信號異常,提示黑質區(qū)域多巴胺能神經元丟失所致的腦微結構異常[35]。下面以這兩種毒物為例,闡述OCT3增強MPTP毒性而減弱PQ神經毒性的作用,體現(xiàn)了OCT3作用的復雜性。

MPTP可以自由通過血腦屏障,首先需要在星形膠質細胞內活化為具有毒性的陽離子產物MPP+,再被表達于該細胞表面的OCT3轉運至細胞外,最終被多巴胺能神經元攝取而發(fā)揮神經毒性[48],因此OCT3介導了MPP+的神經毒性。

PQ也是一種吡啶類化合物,一般狀況下處于氧化態(tài)(PQ2+),只有被還原劑(小膠質細胞上表達的NADPH 氧化酶)催化為還原態(tài)(PQ+)時才被DAT轉運至神經元內,發(fā)揮神經毒性。多巴胺能神經元周圍的非多巴胺能神經元及星形膠質細胞上分布的OCT3可以攝取細胞間隙內的PQ+,降低細胞間隙內PQ+的濃度,減少了它向多巴胺能神經元內的轉運,因此發(fā)揮了保護作用[36]。雖然PQ只特異性地對多巴胺能神經元產生殺傷作用,但它們在腦內能夠被多種細胞攝入,甚至可以導致線粒體膜電位異常,只是未在其他類型的細胞中產生殺傷作用。這和多巴胺能神經元內高水平的內源性DA、低水平抗氧化酶類有關[37-38]。

綜上所述,OCT3增強了MPP+的神經毒性,減弱了PQ的神經毒性。另外,紋狀體星形膠質細胞表面的OCT3可以緩沖神經興奮劑安非他命導致的DA水平驟升[47],這體現(xiàn)了表達于紋狀體的OCT3對多巴胺能神經元纖維投射的保護作用。

隨著PD病程的進展和左旋多巴(L-dopa)等替代治療的應用,患者黑質紋狀體通路中多巴胺能神經元胞體和投射大量喪失,首先清除DA的高親和力轉運體DAT數(shù)量和功能隨之下降,繼而低親和力轉運體如OCT3功能亢進,代償DAT清除DA的功能。這不僅削弱了L-dopa的療效[39],也造成了腦內DA轉運和代謝的異常[40]。這種DA水平異常是進展期PD患者腦內多巴胺環(huán)路相關結構“神經可塑性的非適應性改變(maladaptation plasticity)”的體現(xiàn),而這種病理性改變是左旋多巴誘發(fā)異動癥(L-dopa induced dyskinesia,LID)的重要機制[41-42]。OCT3是否通過調節(jié)DA水平參與了這兩種并發(fā)癥的發(fā)病尚待進一步研究。因此,拮抗OCT3等低親和力轉運體的功能是進展期PD治療的新方向。

OCT3的其他功能OCT3除了和上述3種中樞神經系統(tǒng)疾病相關外,在不同的生理病理狀態(tài)下尚有一些其他的功能。在細胞實驗和在體實驗中都發(fā)現(xiàn),應用GCs抑制正常細胞表面的OCT3可以增加放射性碘在瘤體細胞中的聚集,增加了治療的選擇性和有效性[43]。還有研究發(fā)現(xiàn),在急性腦缺血的實驗動物腦內,抑制OCT3可以顯著增加病灶內組胺濃度,還可激活輔助性T細胞,最終減少腦梗死面積[44]。當環(huán)境導致血漿滲透壓改變時,OCT3還具有調節(jié)水鹽攝入的功能,體現(xiàn)了OCT3在基本生命活動中的作用[45]。另外,研究者在杏仁核夾層細胞組織內的酪氨酸羥化酶陽性胞體以及軸突周圍細胞上發(fā)現(xiàn)了大量OCT3 的表達,說明OCT3可能通過調節(jié)杏仁核內多巴胺神經遞質的傳遞,改變恐懼、焦慮樣的行為[46]。

結語關于OCT3的研究將圍繞其轉運機制,在疾病的發(fā)病機制方面進一步探索其對神經遞質、細胞的亞顯微結構、信號轉導通路的“潛在”影響;在藥物治療方面,利用OCT3的作用特點對藥物代謝動力學的影響提高藥物療效,開發(fā)針對OCT3的新型藥物。

OCT3和HPA軸的聯(lián)系體現(xiàn)了OCT3在體內分布的廣泛性和作用的多樣性。HPA軸對OCT3的調節(jié)不僅體現(xiàn)在5-HT[49]和應激相關性成癮方面,可能還與各種單胺類遞質異常相關的神經精神性疾病、中樞神經系統(tǒng)藥物療效或不良反應、內分泌疾病相關神經系統(tǒng)病變和神經免疫等有關,值得進一步研究。