PSD-95與老化相關(guān)學(xué)習(xí)記憶能力下降關(guān)系研究進(jìn)展

林江濤， 丁悅敏， 張 雄

(1.浙江大學(xué) 醫(yī)學(xué)院 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)系， 杭州 310058; 2. 浙江大學(xué)城市學(xué)院 醫(yī)學(xué)院 臨床醫(yī)學(xué)系， 杭州 310015)

隨著我國(guó)逐步進(jìn)入老齡化時(shí)代，腦老化及其相關(guān)疾病已成為影響我國(guó)老年人群健康和生活質(zhì)量的重要因素。腦老化可導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶能力、感覺、運(yùn)動(dòng)能力的衰退，從而產(chǎn)生神經(jīng)系統(tǒng)的生理功能改變，甚至出現(xiàn)病理性變化。其中，學(xué)習(xí)記憶能力的下降是腦老化最顯著的特點(diǎn)之一，老年人群、靈長(zhǎng)類、嚙齒類動(dòng)物均普遍表現(xiàn)出類似的學(xué)習(xí)記憶能力障礙[1]。

突觸結(jié)構(gòu)的改變被認(rèn)為是導(dǎo)致腦老化時(shí)認(rèn)知能力下降的原因之一，而突觸結(jié)構(gòu)與功能的完整性很大程度上依賴于支架蛋白，其中，膜相關(guān)鳥苷酸激酶(MAGUK)蛋白家族是突觸中一類重要的支架蛋白，其中一個(gè)由DLG4基因編碼的重要成員-突觸后致密蛋白95(postsynaptic density protein 95, PSD-95)受到廣泛關(guān)注[2]，近年來的研究發(fā)現(xiàn)PSD-95與腦老化密切相關(guān)。本文通過闡明PSD-95的表達(dá)改變對(duì)突觸結(jié)構(gòu)與功能的影響，以說明PSD-95的表達(dá)改變與腦老化時(shí)學(xué)習(xí)記憶能力下降的關(guān)系。

1 導(dǎo)致腦老化時(shí)學(xué)習(xí)記憶能力下降的原因

腦老化常伴隨執(zhí)行能力、工作記憶、空間記憶、情節(jié)記憶能力的下降[3]。由于大腦大部分結(jié)構(gòu)的神經(jīng)元數(shù)量未隨老化而減少[1]，而突觸是神經(jīng)系統(tǒng)中信號(hào)傳遞最基本的結(jié)構(gòu)，Barnes等人認(rèn)為腦老化時(shí)學(xué)習(xí)記憶能力下降一定程度上歸因于突觸結(jié)構(gòu)與功能的細(xì)微改變，這包括軸突退化[4]、樹突棘密度減少、突觸可塑性的改變等[1]。

突觸的退化并非是一個(gè)普遍現(xiàn)象，在海馬等對(duì)老化較敏感的區(qū)域中突觸退化現(xiàn)象較明顯，其中興奮性突觸與學(xué)習(xí)記憶能力有密切相關(guān)性，大部分興奮性突觸的突觸后結(jié)構(gòu)是樹突棘，由于樹突棘結(jié)構(gòu)具有高度動(dòng)態(tài)性，這種突觸對(duì)老化更加敏感[5]。樹突棘是神經(jīng)元樹突上一種隆起的特異性結(jié)構(gòu)，主要有蘑菇型、瘦長(zhǎng)型及短粗型3種形態(tài)，其中蘑菇型樹突棘較為成熟，有較大的頭部，與記憶存儲(chǔ)相關(guān)，而未成熟的瘦長(zhǎng)型樹突棘則與學(xué)習(xí)能力相關(guān)[3]。相較于成年同類，老年大鼠海馬CA1區(qū)的蘑菇型樹突棘密度顯著下降[6]。樹突棘的減少可導(dǎo)致興奮性突觸數(shù)量減少，這被認(rèn)為與老年動(dòng)物學(xué)習(xí)記憶能力下降相關(guān)[3]。

突觸可塑性改變也是腦老化時(shí)的一大特征。突觸可塑性是影響突觸形態(tài)、生理功能與突觸連接的重要指標(biāo)。腦老化時(shí)，突觸可塑性的改變?cè)谏窠?jīng)系統(tǒng)中較為普遍。突觸可塑性可用長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)與長(zhǎng)時(shí)程抑制(LTD)這兩個(gè)指標(biāo)來評(píng)估。LTP指高頻刺激下突觸強(qiáng)度長(zhǎng)時(shí)間增強(qiáng)的過程，而LTD則指長(zhǎng)時(shí)間的突觸強(qiáng)度減弱，這兩者主要受突觸后結(jié)構(gòu)中兩種谷氨酸受體——NMDA受體與AMPA受體的調(diào)控。研究發(fā)現(xiàn)老年大鼠的CA1與DG區(qū)的細(xì)胞更難誘導(dǎo)LTP，且難以維持；反之，其LTD則更易被誘導(dǎo)[1]。LTP是衡量學(xué)習(xí)能力的重要指標(biāo)[7]，老年動(dòng)物的這些突觸可塑性改變也是導(dǎo)致學(xué)習(xí)記憶能力下降的原因之一。

2 PSD-95的結(jié)構(gòu)與功能

PSD-95最早在大鼠的突觸后致密(PSD)區(qū)域被發(fā)現(xiàn)，在人類基因組中由DLG4基因表達(dá)，由于其分子量約為95 ku，因此被命名為PSD-95[8]。PSD-95作為一種支架蛋白大量存在于谷氨酸能突觸的樹突棘中[9]。PSD-95包含3個(gè)PDZ結(jié)構(gòu)域，1個(gè)SH3結(jié)構(gòu)域和1個(gè)C端鳥苷酸激酶結(jié)構(gòu)域[2](圖1)。PSD-95能通過其PDZ結(jié)構(gòu)域與多種突觸后膜上的受體及其下游的酶結(jié)合[10]。PSD-95主要聚集在突觸后成熟樹突棘頭部的PSD區(qū)域中[11]，其表達(dá)受突觸活動(dòng)的調(diào)控，突觸活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)PSD-95表達(dá)升高且原本游離在神經(jīng)元胞體中的PSD-95聚集到突觸后膜上，這說明PSD-95并非靜態(tài)存在于突觸中，而隨突觸活動(dòng)呈現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化[12]。PSD-95以垂直于PSD的構(gòu)象插入質(zhì)膜中并利用它的PDZ結(jié)構(gòu)域?qū)㈦x子通道受體﹑酶及細(xì)胞連接分子等募集到PSD區(qū)域中，上游的受體包括NMDA受體、AMPA受體、紅藻氨酸受體，下游的酶包括鈣調(diào)蛋白激酶II(CaMKII)、神經(jīng)一氧化氮合成酶(nNOS)等，這使得受體在接受外界信號(hào)時(shí)能更好地調(diào)控酶的功能[13]。PSD-95的這一特性使其具有促進(jìn)突觸成熟、調(diào)控突觸連接、調(diào)控突觸可塑性的功能。

圖1 PSD-95的分子結(jié)構(gòu)示意圖

Figure 1 Structure of PSD-95

3 PSD-95影響突觸結(jié)構(gòu)

突觸的形成依賴于突觸前的軸突與突觸后結(jié)構(gòu)的連接，其中突觸黏附分子之間的黏附起了重要作用[14]。PSD-95能將突觸后膜上的突觸黏附分子聚集并活化。例如，PSD-95的第三個(gè)PDZ結(jié)構(gòu)域能與一種重要的突觸黏附分子-神經(jīng)連接蛋白的胞內(nèi)域連接，神經(jīng)連接蛋白與突觸前的突觸黏附分子-軸突蛋白的相互作用調(diào)控突觸的連接[15]。PSD-95可以調(diào)控神經(jīng)連接蛋白在突觸后的聚集，過表達(dá)PSD-95使更多的神經(jīng)連接蛋白聚集在興奮性突觸后膜上，并使興奮性突觸的數(shù)量增加；反之，干擾內(nèi)源性PSD-95的表達(dá)使突觸后神經(jīng)連接蛋白減少且興奮性突觸數(shù)量減少[16]。

PSD-95對(duì)于樹突棘的成熟與穩(wěn)定十分重要，且能影響樹突棘的形態(tài)與數(shù)量。體外培養(yǎng)21 d的海馬神經(jīng)元趨于老化，其樹突棘數(shù)量顯著減少，若過表達(dá)PSD-95又會(huì)使樹突棘的數(shù)量增加，體積增大，改變最明顯的是體積較大的樹突棘：直徑大于1 μm的樹突棘數(shù)量明顯增加[17]；反之，在大鼠腦片中敲減PSD-95的表達(dá)會(huì)使樹突棘數(shù)量減少且平均體積變小[18]。在LTP的刺激下，樹突棘的體積會(huì)逐漸增大并趨于成熟，Ehrlich等人的研究表明抑制PSD-95的表達(dá)則妨礙這一過程，使樹突棘體積變小且結(jié)構(gòu)更不穩(wěn)定[18]。Muller等人在大鼠海馬中過表達(dá)PSD-95后發(fā)現(xiàn)其樹突棘上PSD區(qū)域的范圍增大，這使突觸后結(jié)構(gòu)能接受更多的神經(jīng)信號(hào)，形成一類接受多個(gè)突觸前信號(hào)的樹突棘，即多支配樹突棘，過表達(dá)PSD-95不僅使多支配樹突棘數(shù)量增加，還能使每個(gè)樹突棘與更多的突觸前末端連接[19]。這些變化將導(dǎo)致突觸數(shù)量的增加。

大量研究證實(shí)PSD-95的表達(dá)改變能影響突觸連接及樹突棘成熟與穩(wěn)定，對(duì)其分子機(jī)制的深入探究是一大熱點(diǎn)。例如，LTP能誘導(dǎo)樹突棘增大，Wu等人構(gòu)建了一種561位絲氨酸不能被磷酸化的突變，表達(dá)這種PSD-95的樹突棘在LTP的刺激下不能增大，說明561位絲氨酸的磷酸化在PSD-95調(diào)控樹突棘結(jié)構(gòu)時(shí)起關(guān)鍵作用[20]。通過調(diào)控PSD-95的表達(dá)及修飾可以調(diào)節(jié)突觸連接與樹突棘結(jié)構(gòu)，其具體應(yīng)用尚待進(jìn)一步開發(fā)。

4 PSD-95影響突觸信號(hào)傳遞及可塑性

過表達(dá)或敲減PSD-95也能顯著影響突觸信號(hào)傳遞與突觸可塑性。過表達(dá)PSD-95會(huì)使大鼠海馬興奮性突觸后電流(EPSC)的振幅與頻率增強(qiáng)，類似地，敲減PSD-95使EPSC減弱[21]，這說明PSD-95能調(diào)控突觸后電信號(hào)的傳遞。PSD-95對(duì)突觸傳遞的這一增強(qiáng)作用與LTP發(fā)生時(shí)非常類似，這導(dǎo)致在過表達(dá)PSD-95的神經(jīng)元中LTP更難被誘導(dǎo)而LTD則得到增強(qiáng)[22]。反之，大鼠海馬中敲減PSD-95則削弱了LTD過程[18]。

AMPA受體聚集到突觸后膜是誘導(dǎo)LTP過程中的一個(gè)重要機(jī)制，而LTD形成時(shí)突觸后膜上的AMPA受體減少。PSD-95作為AMPA受體結(jié)合到PSD上的連接點(diǎn)，調(diào)控AMPA受體使其聚集在突觸后膜上。過表達(dá)PSD-95使突觸后膜上AMPA受體數(shù)量增加并增強(qiáng)其EPSC[23]；反之， PSD-95的減少會(huì)使突觸后膜上AMPA受體數(shù)量隨之減少并使其EPSC的振幅減小[24]。PSD-95募集AMPA受體到突觸后膜并增強(qiáng)了EPSC，這模擬了LTP過程，導(dǎo)致突觸后膜上聚集的AMPA受體趨于飽和，誘導(dǎo)LTP所需的AMPA受體則難以聚集到突觸后膜上，而膜上AMPA受體更容易與突觸后膜分離，使LTD增強(qiáng)[23]。

另外，PSD-95連接NMDA受體與其下游的酶對(duì)突觸信號(hào)傳遞及突觸可塑性也十分重要。例如，nNOS能合成一氧化氮(NO)，NO的濃度能調(diào)控突觸可塑性。PSD-95與nNOS的連接受阻時(shí)，NO合成減少，導(dǎo)致LTP不能被正常誘導(dǎo)[25]。

PSD-95的表達(dá)改變對(duì)突觸可塑性的影響已較為明確，對(duì)PSD-95某些結(jié)構(gòu)域的研究也是近期研究的熱點(diǎn)。例如Nagura等人構(gòu)建了一種PSD-95突變的小鼠，該小鼠喪失了其PSD-95上的PDZ1與PDZ2這兩個(gè)結(jié)構(gòu)域的功能，其海馬EPSC減弱，LTP更容易被誘導(dǎo)[26]。通過精確調(diào)控PSD-95的表達(dá)、維持PSD-95結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定以保證突觸的功能將會(huì)是今后研究的新方向。

5 PSD-95與腦老化時(shí)學(xué)習(xí)記憶能力下降的關(guān)系

老年動(dòng)物會(huì)遭受DNA損傷，這使某些基因無法正常表達(dá)[27]。腦老化常常伴隨與突觸相關(guān)基因的表達(dá)量降低，包括突觸囊泡釋放及運(yùn)輸?shù)南嚓P(guān)分子、神經(jīng)遞質(zhì)的受體、突觸后致密區(qū)域的支架蛋白、調(diào)控突觸連接的細(xì)胞黏附分子等[27]。Pandey等人研究發(fā)現(xiàn)老年小鼠海馬中PSD-95的mRNA與蛋白表達(dá)低于成年同類[28]；Rogers等人的研究也發(fā)現(xiàn)老年小鼠PSD-95的蛋白表達(dá)低于成年同類[29]，這將導(dǎo)致海馬中突觸結(jié)構(gòu)與功能的變化。

如前文所述，PSD-95的表達(dá)降低會(huì)導(dǎo)致聚集在突觸后膜上的神經(jīng)連接蛋白減少，這導(dǎo)致興奮性突觸數(shù)量減少。PSD-95的表達(dá)降低也會(huì)影響樹突棘，使樹突棘的體積變小，數(shù)量變少且結(jié)構(gòu)變得不穩(wěn)定。PSD-95特異性地分布在成熟的蘑菇型樹突棘中[11]， PSD-95的表達(dá)降低導(dǎo)致蘑菇型樹突棘數(shù)量減少并退化為體積較小的樹突棘。PSD-95的表達(dá)降低還將導(dǎo)致突觸后膜上AMPA受體數(shù)量減少，且EPSC振幅與頻率減弱[24]，這導(dǎo)致PSD-95調(diào)控LTP與LTD的能力減弱。

Grant等人構(gòu)建了一種喪失功能的PSD-95突變小鼠，該小鼠空間記憶能力下降[30]。由于空間記憶能力依賴于海馬的功能，因此我們認(rèn)為，老年動(dòng)物海馬中PSD-95的表達(dá)降低可能是造成腦老化相關(guān)學(xué)習(xí)記憶能力下降的原因之一。Rogers等人嘗試通過抑制老年小鼠的炎癥反應(yīng)以恢復(fù)PSD-95的表達(dá)[29]，通過調(diào)控PSD-95的表達(dá)以應(yīng)對(duì)腦老化及相關(guān)疾病也許會(huì)成為腦老化研究的一個(gè)突破口。

6 小結(jié)與展望

學(xué)習(xí)記憶能力下降是腦老化的一個(gè)標(biāo)志性特征，且部分歸因于突觸結(jié)構(gòu)功能的改變。本文綜述了突觸后蛋白PSD-95的表達(dá)變化對(duì)突觸結(jié)構(gòu)與功能的影響以及PSD-95的突變對(duì)動(dòng)物學(xué)習(xí)記憶能力的影響，以期說明PSD-95與腦老化相關(guān)學(xué)習(xí)記憶能力下降的關(guān)系。有關(guān)PSD-95與腦老化的研究目前多集中在PSD-95的表達(dá)量改變這一方面。PSD-95的表達(dá)與功能還受到多種翻譯后修飾調(diào)控，包括磷酸化、棕櫚?；?、泛素化等，這些修飾改變能引起突觸后PSD-95的表達(dá)、降解與定位改變從而使其功能發(fā)生變化，由此影響突觸功能[10]。而腦老化時(shí)PSD-95的這些修飾是否發(fā)生改變尚待研究，通過調(diào)控PSD-95的翻譯后修飾使其正常表達(dá)并發(fā)揮正常的功能可能為應(yīng)對(duì)腦老化及其相關(guān)疾病提供一種新思路。