神經(jīng)顆粒素對中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病認知功能障礙作用的研究進展

張嘉泳，柳維林，陳立典，陶靜

1.福建中醫(yī)藥大學康復醫(yī)學院，福建福州市 350122；2.福建省康復技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，福建福州市 350122

神經(jīng)顆粒素(neurogranin,Ng)是一種腦特異性蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)底物，主要位于嚙齒動物的大腦皮質(zhì)、海馬、紋狀體和其他一些神經(jīng)元的細胞體和樹突[1-3]。Ng 通過與鈣調(diào)蛋白(calmodulin,CaM)結(jié)合，參與鈣信號傳導和調(diào)控，在突觸可塑性中發(fā)揮重要作用[4]。多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病所致認知障礙與Ng 的異常表達相關(guān)，目前對阿爾茨海默病(Alzheimer's disease,AD)、腦卒中和精神分裂癥研究較多。

1 Ng的結(jié)構(gòu)和生理功能

Ng 在嚙齒動物的大腦皮質(zhì)、海馬、紋狀體、杏仁核等部位高水平表達，且僅由興奮性神經(jīng)元表達[5]。Ng 由78 個氨基酸組成，含有3 個保守的結(jié)構(gòu)域[6]。結(jié)構(gòu)域Ⅲ有一個由賴氨酸-異亮氨酸-谷氨酰胺-丙氨酸-絲氨酸-苯丙氨酸組成的IQ 序列[7]，是與CaM 結(jié)合的部位，其中第36 位絲氨酸可被PKC 磷酸化，Ng磷酸化有助于CaM釋放[8]。

1.1 調(diào)節(jié)突觸可塑性

神經(jīng)元胞體和樹突中Ng 水平很高，細胞內(nèi)的磷脂酸能夠引導Ng向突觸后膜募集[9]。當突觸產(chǎn)生刺激時，PKC被激活并使Ng磷酸化，Ca2+內(nèi)流增加，將靠近突觸后膜的Ng-CaM 復合物置換成Ca2+-CaM 復合物和游離Ng[10]，從而改變神經(jīng)元興奮性，影響突觸可塑性。

Ng 和CaM 是兩種含量豐富的神經(jīng)元蛋白質(zhì)，它們的相互作用與突觸反應和可塑性調(diào)節(jié)有關(guān)[11]，主要以N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)依賴方式和α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionate receptor,AMPAR)依賴方式增強突觸可塑性。在長時程增強(long-term potentiation,LTP)誘導期間，突觸后膜去極化，Mg2+從NMDAR 內(nèi)的結(jié)合位點解離并允許Ca2+進入通道。另一方面，代謝型谷氨酸受體激活導致PKC第二信使途徑啟動。PKCγ 使Ng 中IQ 序列的絲氨酸殘基磷酸化，Ng 與CaM 親和力下降[12]；細胞內(nèi)Ca2+濃度升高且與CaM有高度親和力，Ca2+與CaM結(jié)合并激活Ca2+-CaM依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)[13]，最終導致AMPAR 向突觸后膜插入，從而提高突觸傳遞效能，維持LTP。

缺乏與CaM 結(jié)合或解離能力的Ng 不能增強突觸傳遞[14]，而這種能力受磷酸化和氧化作用影響。正常情況下，PKC 使Ng磷酸化，能防止CaM 與Ng重新結(jié)合，從而允許其長時間激活靶標，達到最大LTP；如果Ng 去磷酸化，則CaM 相對快地與Ng 重新結(jié)合，細胞內(nèi)游離CaM 下降，達到次最大LTP[10]。氧化還原狀態(tài)的Ng 作用與磷酸化Ng 類似。Ng 在IQ 序列外部含有4 個半胱氨酸殘基，可被一氧化氮氧化，產(chǎn)生兩對分子內(nèi)二硫鍵[15]。氧化后的Ng 與CaM 的親和力降低[16]。因此，Ng 的磷酸化和氧化聯(lián)合作用影響神經(jīng)元鈣信號傳導系統(tǒng)，調(diào)節(jié)突觸可塑性。

1.2 Ng與學習記憶

Ng與CaM 結(jié)合并參與神經(jīng)元突觸可塑性調(diào)節(jié)，提示Ng在學習記憶和認知功能中發(fā)揮重要作用。海馬中Ng 的翻譯水平對記憶的形成和編碼是必需的[17]：在新情景記憶形成時期，檢測到Ng mRNA 大量表達，海馬CA1、CA3 和DG 區(qū)Ng 蛋白水平增加；使用病毒抑制劑阻斷海馬Ng 翻譯后，情景記憶形成障礙。

Ng 基因敲除動物模型在水迷宮、巴恩斯迷宮等行為學測試中表現(xiàn)出空間學習障礙、海馬神經(jīng)突觸可塑性變化，以及海馬區(qū)域突觸可塑性相關(guān)分子表達下降[18-20]。增加前額葉皮質(zhì)Ng表達水平，能促進記憶消退和前額葉LTP[21]。Ng在不同腦區(qū)的表達，與該區(qū)域相關(guān)的任務學習和突觸可塑性關(guān)系密切。

總之，Ng 的表達對于維持海馬突觸發(fā)揮正常功能至關(guān)重要。在與突觸可塑性相關(guān)的Ca2+介導的級聯(lián)過程中，Ng扮演重要的角色。這些信號轉(zhuǎn)導影響著LTP等突觸可塑性機制，最終影響學習記憶等認知功能。

2 AD

突觸變性和神經(jīng)元丟失是AD 的病理學特征之一，且早于臨床癥狀。突觸丟失可能是AD 中與認知功能下降最相關(guān)的病理因素之一[22]。Ng是神經(jīng)元特異性突觸后蛋白，與AD 突觸丟失有關(guān)，并可作為診斷AD的突觸生物標志物。

在多種AD 動物模型中，均發(fā)現(xiàn)Ng 在腦實質(zhì)中表達下調(diào)。Esteve 等[23]發(fā)現(xiàn)，與野生型小鼠相比，3×Tg AD 小鼠額葉皮質(zhì)Ng 蛋白減少。Jeon 等[24]發(fā)現(xiàn)，5×FAD 小鼠海馬齒狀回中Ng 表達減少，認知功能下降；海馬注射Ng 過表達病毒后，5×FAD小鼠認知表現(xiàn)改善，海馬中突觸后密度蛋白-95(postsynaptic density-95,PSD-95)表達增加。Kaleka 等[25]發(fā)現(xiàn)，Ng 過表達能逆轉(zhuǎn)由β-淀粉樣蛋白(amyloid β-protein,Aβ)誘導的突觸抑制和LTP 缺陷。這些結(jié)果表明，AD 后突觸功能障礙和認知功能障礙與Ng表達異常有關(guān)，上調(diào)大腦Ng水平可逆轉(zhuǎn)突觸丟失和認知水平下降。

AD 患者腦脊液中也存在Ng 蛋白表達異常。Kvartsberg等[26]發(fā)現(xiàn)，AD 患者腦脊液中Ng 濃度明顯高于輕度認知障礙(mild cognitive impairment,MCI)患者和健康人群；而具有AD前驅(qū)癥狀的Aβ陽性MCI患者，腦脊液Ng水平的增加與認知功能惡化程度相關(guān)，表現(xiàn)為簡易精神狀態(tài)檢查(Mini-Mental State Examination,MMSE)評分下降。Headley 等[27]發(fā)現(xiàn)，與健康人相比，腦脊液Ng 水平高的MCI 患者記憶功能評分更低，且隨疾病發(fā)展，執(zhí)行功能和記憶功能下降更快。Kester 等[28]發(fā)現(xiàn)，腦脊液Ng 在癡呆早期有增加的趨勢，但在AD 后期不會增加。這提示突觸改變主要發(fā)生在AD早期[29]。腦脊液Ng水平與腦脊液磷酸化tau 蛋白和總tau 蛋白濃度正相關(guān)，但與Aβ42濃度關(guān)系不明顯[28]。這提示Ng 的改變主要與tau 蛋白導致的神經(jīng)纖維纏結(jié)相關(guān)，而與Aβ毒性關(guān)系不大。Tau蛋白水平可反映神經(jīng)元死亡，并與認知退化有關(guān)。因此，Ng水平可能是導致AD認知退化的病理標記。

在多種神經(jīng)退行性疾病中，腦脊液Ng可能只在AD中特異性升高。Wellington 等[30]對比多種神經(jīng)退行性疾病患者腦脊液Ng 濃度，除額顳葉癡呆外，AD 患者腦脊液Ng 濃度高于其他疾病組，而其他疾病組與健康對照間沒有觀察到顯著性差異。腦脊液Ng作為AD突觸生物標記物有非常大的價值。

3 腦卒中

大腦缺血缺氧使突觸的數(shù)量和結(jié)構(gòu)受損，神經(jīng)元凋亡，造成嚴重神經(jīng)功能和認知障礙[31-32]。Ng作為突觸蛋白，能反映腦中神經(jīng)元的活性和突觸功能。

Vos等[33]檢測腦缺血患者腦脊液和血漿中Ng，發(fā)現(xiàn)血漿Ng濃度明顯增高；梗死體積較大(＞5 ml)的患者，腦脊液Ng 水平高于梗死體積較小的患者。腦缺血大鼠損傷側(cè)大腦半球廣泛性Ng 免疫染色缺失，神經(jīng)元樹突數(shù)量減少[7]，海馬CA1 區(qū)Ng mRNA 表達減少，空間記憶能力下降。李雨峰等[34]發(fā)現(xiàn)，大腦中動脈缺血(middle cerebral artery occlusion,MCAO)大鼠，梗死側(cè)海馬齒狀回Ng 表達減少，Ng 陽性顆粒細小，著色淺淡，分布不均勻；大鼠Y迷宮逃避反射和辨別能力減弱。

Ng 在大腦皮質(zhì)和海馬等與認知功能相關(guān)的重要腦區(qū)大量表達，腦缺血導致這些腦區(qū)損傷時，Ng 表達減少，突觸變性，神經(jīng)元受損，從而導致學習認知功能障礙。

4 精神分裂癥

精神分裂癥是由遺傳和環(huán)境因素相互作用引起的一種復雜疾病，可表現(xiàn)有認知障礙，尤其是陳述性記憶和語境加工障礙等[35]。

全基因組關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)[36-38]，Ng 是精神分裂癥易感性相關(guān)的基因變異之一。在11q24.2 染色體上，單核苷酸多態(tài)性(single nucleotide polymorphism,SNP) rs12807809 位于Ng 上游第3457個堿基處[39]。攜帶Ng rs1280709 基因的精神分裂癥患者，大腦存在廣泛皮質(zhì)變薄，包括額葉、頂葉和顳葉皮質(zhì)，而丘腦后部、內(nèi)側(cè)和背側(cè)形狀結(jié)構(gòu)異常[40]。這些腦區(qū)與記憶、注意、情緒和精神-執(zhí)行能力等認知功能相關(guān)[41-44]。Ng rs1280709 攜帶者的語義語言流暢性和情景記憶功能與健康人存在差異[45]。推測Ng 多態(tài)性與精神分裂癥的大腦結(jié)構(gòu)異常和認知功能障礙有關(guān)。

海馬異常與精神分裂癥相關(guān)[46]。海馬是學習記憶的重要區(qū)域，Ng 通過調(diào)控CaM，影響海馬的學習記憶和LTP。精神分裂癥患者存在海馬萎縮、神經(jīng)元喪失、代謝功能紊亂、神經(jīng)遞質(zhì)異常等變化[47]。功能磁共振成像發(fā)現(xiàn)，Ng rs1280709 基因攜帶者靜息狀態(tài)下，海馬功能連接異常[48]；而在情境恐懼記憶任務中，海馬活動減少[49]。

此外，帕金森病[50-51]、路易體癡呆[52]、腦外傷[53]患者出現(xiàn)的認知功能障礙也可能與Ng有關(guān)。

5 小結(jié)

眾多臨床數(shù)據(jù)支持腦脊液Ng可作為AD的生物標記物，但Ng如何影響AD的突觸丟失和認知障礙，目前還不清楚。有研究發(fā)現(xiàn)[54-55]，AD 患者腦脊液、血液和腦實質(zhì)三者中Ng 含量表達趨勢不一，也值得研究探討。

腦卒中會導致神經(jīng)功能缺失、神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞死亡。作為一種小分子蛋白，Ng 可能較易穿過血腦屏障，Ng 在外周的水平能反映大腦損傷程度和梗死體積。今后可進一步研究腦卒中與Ng 之間關(guān)系。有研究發(fā)現(xiàn)[34]，康復訓練能改善腦卒中后海馬Ng 表達?？祻陀柧毚龠M腦重塑，對認知功能障礙的改善有重要意義。

雖然精神分裂癥的確切病因?qū)W仍不確定，但腦結(jié)構(gòu)和功能異常，以及遺傳基因與精神分裂癥患者認知缺陷之間存在一定關(guān)系。隨著科學技術(shù)的發(fā)展和科研方法的創(chuàng)新，Ng 或許能成為研究精神分裂癥遺傳病理學和分子機制的方向之一。

綜上所述，Ng 不僅在突觸可塑性、學習記憶和認知功能中扮演重要角色，還參與AD、腦卒中、精神分裂癥所致認知功能障礙的病理生理變化，為腦科學，尤其是腦的高級功能提供了一個新的視點。