N-甲基-D-天冬氨酸受體分布與功能研究進(jìn)展*

畢 翻 綜述，魏 娜 審校

(貴州醫(yī)科大學(xué)病理學(xué)教研室，貴陽 550004)

興奮性氨基酸受體是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)受體，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)神經(jīng)系統(tǒng)功能，其中谷氨酸(Glu)含量最為豐富。Glu受體分為離子型和代謝型。離子型Glu受體又分為N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受體和非NMDA受體(α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體、代謝性谷氨酸受體、L-2-氨基-4-磷丁酸受體、海人藻酸受體)[1]。其中,NMDA受體是Glu受體的主要亞型。NMDA受體參與學(xué)習(xí)記憶、樹突和軸突結(jié)構(gòu)發(fā)育、突觸可塑性、神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病等生理病理過程。NMDA受體的分布及表達(dá)異常，影響突觸信息的傳遞和處理，進(jìn)而導(dǎo)致神經(jīng)功能異常。本文對(duì)NMDA受體的結(jié)構(gòu)分布、生理功能和介導(dǎo)的興奮性神經(jīng)毒性進(jìn)行闡述。

1 NMDA受體的結(jié)構(gòu)及分布

NMDA受體是由不同亞基構(gòu)成的異四聚體。其基本組成亞基有3種，即NR1、NR2(NR2A-2D)、NR3(NR3A、NR3B)[2]。其中，NR1亞基是基本功能亞單位，是NMDA受體擁有細(xì)胞膜受體功能的必需成分[3]。NR1亞基的缺失，將嚴(yán)重影響NMDA受體的功能。NR1亞基通過與NR2亞基結(jié)合，才能形成高度活性功能的NMDA受體通道,調(diào)節(jié)Ca2+的內(nèi)流[2,4]。此外，NR1亞基上存在NMDA受體激動(dòng)劑之一的甘氨酸(Gly)結(jié)合位點(diǎn)。NMDA受體的激活需要激動(dòng)劑Gly的輔助。而NR2亞基是NMDA受體的調(diào)節(jié)亞單位。NR2亞基分為NR2A、NR2B、NR2C和NR2D 4種。NR2亞基在很大程度上決定NMDA 受體激動(dòng)劑親和力、單通道電導(dǎo)、Ca2+滲透性和Mg2+敏感度的敏感性等生理功能[5]。除此之外，NR2亞基上有Glu結(jié)合位點(diǎn)。Glu儲(chǔ)存在突觸囊泡內(nèi)，當(dāng)神經(jīng)元去極化，囊泡內(nèi)的Glu以Ca2+的依賴方式釋放至突觸間隙，與突觸后的NMDA受體結(jié)合發(fā)揮功能,因而NDMA受體的功能受NR2亞基與興奮性氨基酸結(jié)合量的影響。NR2A和NR2B與Glu的親和力普遍比NR2C和NR2D 2種亞基強(qiáng)，因此臨床研究相對(duì)集中于NR2A和NR2B 2種亞基。而NR3亞基是較晚發(fā)現(xiàn)的亞單位，主要發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)的功能。NR3亞基同NR1亞基形成的二聚體，對(duì)Mg2+敏感性高，通過降低NMDA受體的單通道電導(dǎo)和Ca2+滲透性，抑制NMDA受體的活性，從而減少NMDA受體過度活化引起的興奮性神經(jīng)毒性[6]。一般觀點(diǎn)認(rèn)為,一個(gè)功能性的NMDA受體通常是1個(gè)四聚體離子通道，由2個(gè)必需亞基NR1和2個(gè)調(diào)節(jié)亞基NR2(A-D)組成[7]。在靜息電位狀態(tài)下,NMDA通道被Mg2+阻滯，功能受到抑制。當(dāng)突觸后膜去極化伴Glu和Gly激動(dòng)劑與NMDA受體相應(yīng)位點(diǎn)結(jié)合，NMDA通道開放，Ca2+、K+等陽離子進(jìn)出細(xì)胞內(nèi)，維持神經(jīng)元功能。

NMDA受體主要分布在神經(jīng)系統(tǒng)，但是各亞基在時(shí)間和空間上分布表達(dá)卻存在著特異性。NR1亞基在中樞神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達(dá)，在整個(gè)腦發(fā)育的過程中都發(fā)揮重要作用。NR1在出生時(shí)各區(qū)表達(dá)較低，20～30 d達(dá)到成年水平,而成年后高水平分布在海馬。與NR1不同的是，NR2亞基會(huì)隨著腦發(fā)育不斷發(fā)生變化。在NR2家族中，NR2A主要分布在端腦、丘腦等部位。NR2A在出生后2周基本檢查不到任何變化，之后部分代替NR2B直至大腦成熟。NR2B主要分布在皮層和海馬、紋狀體等部位均有分布。在發(fā)育早期，NR2B在所有的NR2亞基中表達(dá)最強(qiáng)，出生后2周達(dá)到高峰，又穩(wěn)步下降[8]。由于其分布位置的特殊性，NR2B被認(rèn)為是與學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)的NMDA受體亞基類型，其表達(dá)下降往往伴隨記憶力的下降。NR2C出現(xiàn)較晚，主要在小腦表達(dá)。NR2D廣泛分布于成年哺乳動(dòng)物的前腦、腦干等部位,在出生后的18 d達(dá)到高峰[5]。在NR3家族中，NR3A較NR3B分布廣泛。NR3A在大腦皮質(zhì)、海馬、中腦的表達(dá)量較高，在出生后表達(dá)逐漸下調(diào)[9]；NR3B主要分布在運(yùn)動(dòng)神經(jīng)上,在前腦、海馬等部位也有所表達(dá)[10]。

突觸是Glu釋放的部位，也是神經(jīng)元信息傳遞的關(guān)鍵部位。在一些研究中表明，突觸內(nèi)外的NMDA受體失衡是某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的重要發(fā)病機(jī)制之一，因此NMDA受體在突觸表達(dá)成為研究熱點(diǎn)。起初，人們認(rèn)為NMDA受體僅存于突觸后致密部(PSD)。隨著研究的深入，學(xué)界發(fā)現(xiàn)NMDA受體還存在PSD以外的部位，于是稱前者為突觸上NMDA受體，后者為突觸外NMDA受體。突觸NMDA受體數(shù)量和部位并非一成不變。隨著大腦發(fā)育成熟，突觸NMDA受體亞單位發(fā)生遷移。在突觸上，NR2A分布較NR2B廣泛；而突觸外，NR2B分布較NR2A廣泛[7]。NR2B主要存在突觸外細(xì)胞膜，可以引起Ca2+持續(xù)緩慢內(nèi)流，Ca2+超載，活化突觸外的NMDA受體，導(dǎo)致鈣穩(wěn)態(tài)失衡及神經(jīng)元細(xì)胞損傷[11]。而突觸內(nèi)的NR2A可引起短暫快速的Ca2+內(nèi)流，提高細(xì)胞興奮性，因此，突觸內(nèi)NMDA受體具有神經(jīng)保護(hù)作用，而突觸外NMDA受體通過激活相應(yīng)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路誘導(dǎo)細(xì)胞變性甚至死亡[12]。對(duì)阿爾茲海默病等神經(jīng)退行性疾病機(jī)制的研究也證實(shí)了突觸內(nèi)外NMDA受體失衡參與神經(jīng)退行性疾病發(fā)病過程的觀點(diǎn)[13]。因此，研究NMDA受體在突觸內(nèi)外分布的改變可以為神經(jīng)退行性疾病治療提供新的思路。

2 NMDA受體生理功能

2.1突觸可塑性 突觸是神經(jīng)沖動(dòng)由一個(gè)神經(jīng)元傳遞到另一個(gè)神經(jīng)元的部位，是信息傳遞的橋梁。突觸前神經(jīng)元釋放Glu,通過突觸后的NMDA受體結(jié)合，將信號(hào)傳遞到突觸后膜，使突觸后電流(EPSC)增加，產(chǎn)生一系列生化聯(lián)級(jí)反應(yīng)，導(dǎo)致突觸可塑性。此外，一些實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，突觸出現(xiàn)輪廓改變和損傷可引起認(rèn)知功能下降。由此可見，突觸的形態(tài)和結(jié)構(gòu)對(duì)于維持突觸的功能有重要意義。

突觸可塑性是指突觸功能隨形態(tài)發(fā)生變化，長時(shí)程增強(qiáng)(LTP)和長時(shí)程抑制(LTD)是突觸可塑性的兩種表現(xiàn)形式。在海馬區(qū)，高頻的刺激引起突觸后膜的NMDA受體活化，提高信息傳遞效率，誘導(dǎo)LTP的形成，反之則引起LTD。LTP是學(xué)習(xí)記憶的基礎(chǔ)，更是被認(rèn)為是評(píng)價(jià)突觸可塑性的重要指標(biāo)，因此LTP一直是研究的焦點(diǎn)。LTP的誘導(dǎo)主要包括:(1)突觸后膜去極化；(2)NMDA受體激活；(3)Ca2+內(nèi)流。研究顯示，NMDA受體在介導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸興奮性傳遞中發(fā)揮重要作用[14]。NMDA受體激活，解除Mg2+對(duì)Ca2+的阻滯，Ca2+內(nèi)流入突觸后膜，從而誘導(dǎo)LTP。Ca2+大量內(nèi)流的同時(shí)，促進(jìn)CaMKⅡ的表達(dá)激活，從而通過CaMKⅡ的磷酸化使NMDA受體的磷酸化程度增加，提高突觸信號(hào)傳遞的有效性[15]。海馬區(qū)存在兩種形式LTP，即依賴于NMDA受體的LTP和不依賴于NMDA受體的LTP。與NMDA受體介導(dǎo)的LTP不同的是，不依賴于NMDA受體的LTP不需要高頻的刺激，而是經(jīng)電壓依賴的Ca2+通道(VDCC)增加Ca2+內(nèi)流發(fā)揮作用[16]。但是，海馬區(qū)主要以NMDA受體介導(dǎo)的LTP為主。

NR2亞基上有Glu結(jié)合位點(diǎn)和細(xì)胞內(nèi)C-末端結(jié)構(gòu)域，通過與突觸后蛋白相互作用，調(diào)節(jié)NMDA受體作用，其中NR2A和NR2B是NR2家族中重要的兩個(gè)亞型，在大腦皮層特征性發(fā)育中具有重要意義。然而目前的研究中，NR2A和NR2B在突觸可塑性的作用仍存在較大爭議。LI等[17]選擇性抑制NR2B沒有達(dá)到阻止LTP誘導(dǎo)的作用，然而選擇性抑制NR2A卻抑制了LTP的產(chǎn)生，結(jié)果表明NR2A有助于LTP的誘導(dǎo)。但BALLESTEROS等[18]卻認(rèn)為相比NR2A，NR2B更能促進(jìn)Ca2+內(nèi)流，通過與CaMKⅡ作用促進(jìn)LTP長時(shí)間維持，而NR2A只能促進(jìn)LTP短暫的維持。目前，對(duì)于哪種亞單位在LTP的誘導(dǎo)中發(fā)揮主要作用尚無定論，需進(jìn)一步研究證實(shí)。

2.2學(xué)習(xí)記憶 海馬是大腦邊緣系統(tǒng)重要組成部分,海馬結(jié)構(gòu)受損,動(dòng)物維持記憶的能力也將下降。海馬的神經(jīng)細(xì)胞突觸后膜存在大量的NMDA受體,因此NMDA受體被認(rèn)為是學(xué)習(xí)和維持記憶的重要物質(zhì)。研究人員發(fā)現(xiàn)，大腦的記憶力下降與大腦海馬區(qū)NMDA受體表達(dá)異常有關(guān)[19]。

Morris水迷宮是用于評(píng)價(jià)學(xué)習(xí)和記憶的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于研究動(dòng)物的空間學(xué)習(xí)記憶能力。其中，逃避潛伏期是判斷記憶能力的一個(gè)重要指標(biāo)。逃避潛伏期越長，動(dòng)物的記憶力受損程度越嚴(yán)重[20]。趙寶敏等[21]通過永久性結(jié)扎雙側(cè)頸總動(dòng)脈方法建立血管性癡呆大鼠模型進(jìn)行的研究發(fā)現(xiàn)，與正常大鼠相比，癡呆大鼠在Morris水迷宮試驗(yàn)中的逃避潛伏期明顯延長。此外，Western blot檢測結(jié)果顯示NR1、NR2A、NR2B蛋白表達(dá)明顯下降。反之，NMDA受體過度表達(dá)，Ca2+大量內(nèi)流超載，致使神經(jīng)元損傷，最終也會(huì)導(dǎo)致學(xué)習(xí)和記憶力水平下降[19]。這充分說明NMDA受體與學(xué)習(xí)記憶的密切聯(lián)系。

NR1亞基是NMDA受體的基本功能亞單位。NR1亞基的減少將影響NMDA受體的整體數(shù)量。NR2亞基是NMDA受體的調(diào)節(jié)亞單位，其在機(jī)體中的表達(dá)與大腦記憶、認(rèn)知功能密切相關(guān)，被稱為“聰明基因”的NR2B與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系更為密切。NR2B亞基不能單獨(dú)發(fā)揮功能，只能通過和NR1亞基形成異四聚體才能發(fā)揮功能。NR2B亞基激活后，通過CaMKⅡ作用促進(jìn)LTP的形成，LTP反過來促進(jìn)NR2B的表達(dá)，從而增強(qiáng)學(xué)習(xí)記憶的功能[15]。LTP是學(xué)習(xí)和記憶的基礎(chǔ)。在病理?xiàng)l件下，NMDA受體表達(dá)異常，NMDA受體反應(yīng)性降低抑制了LTP的誘導(dǎo)，影響記憶和認(rèn)知功能。近年研究發(fā)現(xiàn)，在衰老大鼠中NR2B表達(dá)下降且伴隨記憶缺陷[22]。隨著年齡增長，NR2B減少并逐漸被NR2A取代，誘導(dǎo)LTP的功能受損。

2.3疼痛 疼痛是一種不愉悅的主觀感受，常常伴有實(shí)質(zhì)或潛在的組織器官損傷。研究發(fā)現(xiàn)，NMDA受體不僅在神經(jīng)系統(tǒng)廣泛表達(dá)，且沿著疼痛途徑分布。NMDA受體在病理狀態(tài)下與誘發(fā)和維持疼痛有密切聯(lián)系。雌激素、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)、絲氨酸等物質(zhì)在NMDA介導(dǎo)的疼痛反應(yīng)中發(fā)揮了重要作用。

雌激素是維持女性第二性征的主要物質(zhì)，通過調(diào)節(jié)體內(nèi)氧化還原平衡發(fā)揮神經(jīng)保護(hù)作用。雌激素與雌激素受體結(jié)合后，可能參與促進(jìn)NMDA受體激活和Glu釋放的過程。DENG等[23]建立大鼠慢性坐骨神經(jīng)損傷慢性神經(jīng)痛模型，研究結(jié)果表明機(jī)體雌激素水平的上升會(huì)增加NMDA受體通道的開放性，促進(jìn)Ca2+內(nèi)流，導(dǎo)致機(jī)體對(duì)機(jī)械和物理的刺激更敏感。

BDNF是一種小分子多肽物質(zhì),在中樞神經(jīng)系統(tǒng)成熟過程中參與突觸的形成和重構(gòu),又可以通過突觸前和突觸后機(jī)制改變突觸傳遞的效能,從而對(duì)神經(jīng)結(jié)構(gòu)和功能可塑性發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。ZHANG等[24]通過福爾馬林誘導(dǎo)大鼠炎癥模型，研究顯示BDNF觸發(fā)其下游信號(hào)級(jí)聯(lián)PI3K/mTOR，活化NR2B表達(dá)，參與疼痛突觸可塑性是炎性疼痛程度增加的原因。

而近年的研究發(fā)現(xiàn)，NMDA受體磷酸化參與慢性疼痛產(chǎn)生的病理過程。NMDA受體通過一些蛋白激酶(PKA、PKC等)作用解除Mg2+的阻滯，使得NMDA受體磷酸化信號(hào)增強(qiáng)，提高機(jī)體對(duì)疼痛的敏感性[25]。其中，NR1亞基的磷酸化增加NMDA內(nèi)流突觸的效率，促使Ca2+內(nèi)流，提高神經(jīng)元的興奮性，增強(qiáng)疼痛的表達(dá)[26]。總之，NMDA受體與疼痛的發(fā)生密切相關(guān)。

3 NMDA受體介導(dǎo)的興奮性神經(jīng)毒性

一般觀點(diǎn)認(rèn)為，NMDA受體適度的活化并不會(huì)引起組織的損傷。然而，NMDA受體活化過度和Ca2+持續(xù)內(nèi)流易導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)Ca2+自穩(wěn)態(tài)紊亂，從而引起神經(jīng)元的死亡。作為神經(jīng)遞質(zhì)的Glu位于突觸前末梢囊泡內(nèi)，它由不能通過血腦屏障的非必需氨基酸合成，而血液中的Glu不能通過血腦屏障，故不會(huì)引起腦組織損傷。在某些病理情況下，血腦屏障通透性增加，大量的Glu釋放入血，作用于細(xì)胞膜上的NMDA受體，Ca2+內(nèi)流導(dǎo)致生理功能受損。眾所周知，NR3亞基對(duì)Glu不敏感，因此，NR3亞單位和NR1亞單位形成的異四聚體可以抑制NMDA受體活性和Ca2+內(nèi)流，拮抗NMDA受體介導(dǎo)的神經(jīng)毒性。

隨著研究深入，NMDA受體過度活化不再是引起神經(jīng)元損傷的唯一因素，突觸內(nèi)外NMDA受體失衡在NMDA受體介導(dǎo)的興奮性神經(jīng)毒性充當(dāng)重要角色。研究人員發(fā)現(xiàn)，阻斷突觸上的NMDA受體并沒有改善其引起的神經(jīng)毒性作用；相反，抑制突觸外的NMDA受體的表達(dá)可抑制神經(jīng)細(xì)胞死亡，因此突觸外NMDA受體越來越引起人們的關(guān)注。突觸外的NMDA受體中，NR2B占主導(dǎo)地位。NR2B蛋白C末端與DAPK1作用，使NR2B亞單位的Ser-1303位點(diǎn)磷酸化，進(jìn)而激活NR1/NR2受體通道的轉(zhuǎn)運(yùn)，介導(dǎo)死亡信號(hào)[27]。此外，NR2B耦聯(lián)的蛋白是PSD-95，PSD-95通過與 Fyn 激酶作用使NR2酪氨酸磷酸化，增強(qiáng)NMDA受體通道的功能，加劇神經(jīng)毒性反應(yīng)[28]。

更為嚴(yán)重的是，NMDA受體介導(dǎo)的興奮性神經(jīng)毒性是引發(fā)某些神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病的重要原因。阿爾茲海默癥(AD)是最常見的神經(jīng)退行性疾病，其最具特征性的病變是Aβ蛋白的聚集，臨床上常表現(xiàn)為進(jìn)行性記憶力和認(rèn)知功能下降[29]。研究發(fā)現(xiàn)，AD患者的大腦神經(jīng)元細(xì)胞發(fā)生變性壞死，伴有大量自由基產(chǎn)生并出現(xiàn)突觸丟失現(xiàn)象[13]。氧自由基具有強(qiáng)氧化性，與其相關(guān)產(chǎn)物過多集聚,對(duì)神經(jīng)細(xì)胞造成毒性作用。而突觸丟失將會(huì)影響神經(jīng)元信息的傳遞，作為Glu受體的重要類型，突觸外NMDA受體導(dǎo)致的神經(jīng)毒性與AD發(fā)生密切相關(guān)。臨床研究發(fā)現(xiàn)AD患者腦內(nèi)紋狀體中NMDA受體與Glu的親和力增加,突觸外NR2B更為顯著[30]。Aβ誘導(dǎo)神經(jīng)元細(xì)胞釋放Glu,活化突觸外的NMDA受體，觸發(fā)促凋亡信號(hào)的產(chǎn)生[13]。此外，突觸外NMDA受體活化抑制ERK通路的激活，影響細(xì)胞間信號(hào)傳遞，從而抑制LTP，導(dǎo)致記憶受損。目前，通過使用NMDA受體拮抗劑雖不能完全治愈AD，但是可以改善AD癥狀,由于其毒副作用較大，并沒有在臨床工作中得到廣泛推廣[30]。

綜上所述，NMDA受體是一種重要的Glu受體亞型，調(diào)節(jié)Ca2+通道，對(duì)于維持學(xué)習(xí)記憶力和調(diào)節(jié)突觸可塑性發(fā)揮了重要的作用。正常情況下，突觸內(nèi)外的MNDA受體處于平衡狀態(tài)，當(dāng)突觸內(nèi)外的平衡被打破，NMDA受體激活，Ca2+內(nèi)流超載，可能引起興奮性神經(jīng)毒性，導(dǎo)致相關(guān)神經(jīng)元功能損害。從突觸內(nèi)外NMDA受體的分布及表達(dá)切入研究NMDA受體介導(dǎo)的興奮性神經(jīng)毒性，可能為相關(guān)疾病治療提供新的研究方向。