D-絲氨酸與學習記憶關(guān)系的研究進展

王艷

（沈陽醫(yī)學院公共衛(wèi)生學院職業(yè)衛(wèi)生與職業(yè)醫(yī)學教研室，遼寧 沈陽 110034）

突觸是學習記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)，長時程增強（long-term potentiation，LTP）是學習記憶在突觸水平上的重要研究模型［1］。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，LTP的形成與離子型谷氨酸（gluta?mate，Glu）受體N-甲基-D-天冬氨酸受體（N-methyl-Daspartate receptor，NMDAR）的激活密切相關(guān)，該受體具有高度的鈣滲透性，當被激活后可引起其偶聯(lián)的鈣通道開放，鈣離子大量內(nèi)流，從而激活下游信號轉(zhuǎn)導通路，誘導LTP［2］。NMDAR的激活不僅需Glu，還必需其共激動劑D-絲氨酸的參與，D-絲氨酸與NMDAR的甘氨酸結(jié)合位點結(jié)合后，Glu才能開放NMDAR偶聯(lián)的離子通道，發(fā)揮其生物學作用［3］。研究顯示，降解D-絲氨酸可阻斷LTP的產(chǎn)生，而給予D-絲氨酸能夠明顯改善LTP的誘導與維持［4］。此外，D-氨基酸氧化酶（D-amino acid oxidase，DAAO）對D-絲氨酸的特異性降解及D-絲氨酸合成酶絲氨酸消旋酶（serine racemase，SR）的基因缺失均可明顯改變NMDAR的激活［5-6］。D-絲氨酸被視為突觸NMDAR的主要內(nèi)源性協(xié)同激動劑，在大腦突觸可塑性調(diào)節(jié)中起關(guān)鍵作用，與學習記憶緊密相關(guān)。本文對D-絲氨酸與學習記憶關(guān)系的研究進展進行簡要綜述。

1 D-絲氨酸在腦中的分布

D-絲氨酸是哺乳動物腦中含量較高的D型氨基酸，Hashimoto等［7］首次報告D-絲氨酸在成年大鼠大腦中大量存在（0.27μmol/g濕重），約占大腦絲氨酸總量的1/4。D-絲氨酸在包括海馬體在內(nèi)的多個大腦區(qū)域中大量存在，在認知過程中涉及的大腦突觸可塑性機制中發(fā)揮重要作用。研究顯示，D-絲氨酸在大鼠大腦中的區(qū)域分布不均勻，大腦皮層中的濃度較高，小腦和腦干中的濃度較低［8］。Schell等［9］使用對D-絲氨酸具有高度特異性的抗體研究結(jié)果顯示，D-絲氨酸在大鼠前腦（皮層、紋狀體和前嗅球）中濃度較高，在中腦中濃度較低，在小腦中幾乎不存在。

在細胞水平，內(nèi)源性D-絲氨酸與其合成酶SR分布一致，SR起初被認為主要集中在星形膠質(zhì)細胞（astrocyte，AST）［10］。近期的研究結(jié)果顯示，在生理狀態(tài)下，SR主要表達于神經(jīng)元，AST可合成少量D-絲氨酸，主要合成L-絲氨酸，L-絲氨酸轉(zhuǎn)運至神經(jīng)元后，在SR作用下轉(zhuǎn)化為D-絲氨酸；而在病理狀態(tài)下，反應(yīng)性AST中的SR和D-絲氨酸水平會升高，從而會影響突觸間信號傳遞［11］。早期研究表明，D-絲氨酸由AST合成和釋放，由此D-絲氨酸被稱為“膠質(zhì)細胞源性遞質(zhì)”［12］。然而，最近的研究顯示，D-絲氨酸主要定位于神經(jīng)元［13］。Ehmsen等［14］用Srr-/-小鼠作為陰性對照以優(yōu)化D-絲氨酸的免疫染色，實驗觀察到超過80%的D-絲氨酸定位于皮質(zhì)和海馬的神經(jīng)元，與膠質(zhì)細胞相關(guān)的數(shù)量較少，D-絲氨酸染色出現(xiàn)在所有皮質(zhì)層和各區(qū)域海馬的錐體神經(jīng)元。除了錐體神經(jīng)元外，SR和D-絲氨酸還定位于GABA能神經(jīng)元［15］。

2 D-絲氨酸的合成與氧化代謝

研究顯示，SR是催化D-絲氨酸合成的主要酶，SR能夠特異催化L-絲氨酸轉(zhuǎn)化為D-絲氨酸，SR水平的改變可影響D-絲氨酸功能［16］。在腦中，L-絲氨酸主要由3-磷酸甘油酸脫氫酶（3-phosphoglycerate dehydrogenase，PHGDH）在AST中合成，正常生理狀態(tài)下，一部分在AST中SR作用下生成少量D-絲氨酸，一部分穿梭至神經(jīng)元中進一步合成為D-絲氨酸［17］。SR具有雙向催化活性，可使D-絲氨酸和L-絲氨酸相互轉(zhuǎn)化，但由于SR對L-絲氨酸具有高度的選擇性，因此將L-絲氨酸消旋生成D-絲氨酸是SR主要的催化方向；SR除了具有消旋功能外，還能使L-絲氨酸或D-絲氨酸分解生成氨和丙酮酸鹽，SR在體內(nèi)受到多種因素的調(diào)控，5′-磷酸吡哆醛（PLP）是其中最主要的因素，Mg2+和三磷酸腺苷也是SR重要的輔助因子，二者可使D-絲氨酸合成速率提高5～10倍［18］。

DAAO是一種以黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）為輔基的黃素蛋白酶，人體內(nèi)DAAO對D-絲氨酸具有高度選擇性，是D-絲氨酸代謝的關(guān)鍵酶。在腦中DAAO主要位于AST中［19］，可將D-絲氨酸氧化降解生成羥基丙酮酸和氨，羥基丙酮酸可再由羥基丙酮酸還原酶催化生成D-甘油酸-3-磷酸，最后異生為葡萄糖。

3 D-絲氨酸的轉(zhuǎn)運

突觸間隙的D-絲氨酸由轉(zhuǎn)運體進行跨膜轉(zhuǎn)運攝取及清除，D-絲氨酸受2種轉(zhuǎn)運體調(diào)控，其一是Na+依賴型丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸-蘇氨酸轉(zhuǎn)運體 （alanine-serine-cysteine-threonine transporter，ASCT），主要為ASCT1和ASCT2；另一種為Na+非依賴型丙氨酸-絲氨酸-半胱氨酸轉(zhuǎn)運體（alanineserine-cysteine transporter 1，Asc-1）。Shao等［20］用原代培養(yǎng)皮質(zhì)神經(jīng)元和AST研究D-絲氨酸、Asc-1和ASCT-2轉(zhuǎn)運蛋白的表達，AST和神經(jīng)元中均可表達ASCT2，Asc-1只表達于神經(jīng)元，此外，D-絲氨酸的攝取可被ASCT2的特異性底物所阻斷，突觸間隙D-絲氨酸的攝取可由AST膜上ASCT2所介導。研究表明，ASCT1基因敲除小鼠培養(yǎng)的AST中D-絲氨酸和L-絲氨酸的轉(zhuǎn)運減少了80%～90%［21］。Asc-1是一種位于神經(jīng)元中的中性氨基酸轉(zhuǎn)運體，被證明主要在神經(jīng)元的樹突和胞體上表達，可以在與其他小的中性氨基酸交換的同時介導D-絲氨酸的雙向轉(zhuǎn)運［22］。ASCT1和ASCT2在腦中廣泛表達，但對D-絲氨酸的親和力較低，而Asc-1在腦中表達雖低，卻對D-絲氨酸有高度親和力，在調(diào)節(jié)大腦D-絲氨酸的水平中起重要作用［23］。

4 D-絲氨酸與學習記憶

研究表明，腦高級神經(jīng)活動是由相互作用的神經(jīng)元-膠質(zhì)細胞網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的，AST是神經(jīng)膠質(zhì)細胞的主要類型，已知在腦功能中發(fā)揮關(guān)鍵支持作用，有助于離子和神經(jīng)遞質(zhì)穩(wěn)態(tài)，維持血腦屏障，并為神經(jīng)元提供營養(yǎng)和代謝支持；除此之外，AST還參與促進突觸形成及維護突觸的正常功能等［24］。突觸是神經(jīng)元間信息傳遞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其可塑性對學習記憶的形成至關(guān)重要。電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，海馬等腦區(qū)的突觸被AST的突起緊緊包繞，與突觸前、后膜形成三聯(lián)體結(jié)構(gòu)［25］。研究顯示，AST可以釋放Glu和D-絲氨酸等遞質(zhì)進入突觸間隙，D-絲氨酸等遞質(zhì)通過與突觸后膜上相應(yīng)受體結(jié)合調(diào)控突觸可塑性［26］。NMDAR在中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過程中發(fā)揮重要的生理作用，是學習和記憶過程中的關(guān)鍵受體［27］。NMDAR的開放需要活化Glu和甘氨酸位點，研究顯示，D-絲氨酸是激活NMDAR甘氨酸結(jié)合位點的內(nèi)源性共激動劑，只有D-絲氨酸協(xié)同Glu開放了NMDAR偶聯(lián)的離子通道，才能調(diào)節(jié)突觸功能［28］。

D-絲氨酸與突觸可塑性有關(guān)，在大腦學習記憶形成中起著重要作用。Wong等［29］研究顯示了在CA1錐體神經(jīng)元中SR和D-絲氨酸的樹突和突觸后定位，此外，利用單神經(jīng)元SR基因缺失，結(jié)果顯示了突觸后SR在調(diào)節(jié)NMDAR功能中的作用，單神經(jīng)元SR基因缺失導致小鼠1個月齡時LTP的消除，外源性增加D-絲氨酸可以恢復LTP。動物實驗研究表明，給予D-絲氨酸可改善學習記憶功能，Stouffer等［30］研究顯示，腹腔注射給予D-絲氨酸雖未縮短大鼠水迷宮實驗的逃避潛伏期，但可延長在平臺區(qū)停留時間。Bo等［31］對鉛暴露大鼠給予D-絲氨酸后發(fā)現(xiàn)其縮短了大鼠從Morris水迷宮的逃避潛伏期，增加了大鼠穿過原平臺位置的次數(shù)，并減輕了海馬神經(jīng)元對鉛暴露的病理損傷，恢復了因鉛暴露而降低的NR2A的表達水平。Han等［32］研究顯示，給予氟乙酸鈉可導致實驗大鼠水迷宮中的空間學習和記憶嚴重損害，此外，行為缺陷伴有腦切片海馬CA1區(qū)LTP誘導受損，外源性D-絲氨酸治療成功恢復了海馬LTP和學習記憶功能。海馬中含有高濃度的D-絲氨酸和高密度的NMDAR，由于海馬的LTP依賴于NMDAR的激活，而D-絲氨酸是NMDAR的內(nèi)源性配體，因此D-絲氨酸與LTP的誘導有關(guān)。研究顯示，SR缺失突變小鼠腦中D-絲氨酸水平明顯下降、NMDAR功能降低，同時影響了突觸可塑性［33］。小鼠海馬錐體神經(jīng)元SR基因缺失可導致細胞外D-絲氨酸濃度降低［34］，以及CA3-CA1突觸的LTP受損［35］。

作為D-絲氨酸合成的前體物質(zhì)，L-絲氨酸在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中起著關(guān)鍵作用，缺乏L-絲氨酸會導致嚴重的神經(jīng)異常［36］。Le Douce等［37］研究顯示，小鼠海馬AST中L-絲氨酸合成途徑失活可降低NMDAR活性，而給予外源性L-絲氨酸可改善小鼠認知功能障礙。PHGDH是L-絲氨酸合成的關(guān)鍵酶，研究表明，PHGDH基因敲除小鼠大腦皮層和海馬中的L-絲氨酸和D-絲氨酸水平均顯著降低［38］。Yamasaki等［39］證明了L-絲氨酸合成途徑中的第一個關(guān)鍵步驟PHGDH僅在大腦的AST中表達。Ehmsen等［14］用L-絲氨酸和D-絲氨酸的免疫細胞化學染色研究了抑制AST中PHGDH表達的影響，結(jié)果顯示AST中的L-絲氨酸免疫反應(yīng)性明顯降低，神經(jīng)元中的D-絲氨酸水平明顯下降。Neame等［40］研究發(fā)現(xiàn)PHGDH抑制劑可使原代培養(yǎng)皮質(zhì)AST中L-絲氨酸的生成減少75%；在急性皮質(zhì)切片中，PHGDH抑制劑可將由葡萄糖合成的L-絲氨酸和D-絲氨酸降低70%～80%，表明大量D-絲氨酸源自通過PHGDH途徑產(chǎn)生的L-絲氨酸，PHGDH水平的變化通過影響D-絲氨酸的生成而影響學習記憶功能。

研究表明，DAAO活性的增加可降低D-絲氨酸水平，繼而引起NMDAR功能低下［41］，用純化的或重組的DAAO灌注皮質(zhì)或海馬腦片會導致NMDAR介導的LTP的抑制，這可以通過灌注外源性D-絲氨酸來恢復［42］。Mothet等［43］研究顯示，用純化的DAAO灌注培養(yǎng)的神經(jīng)元和腦切片可以抑制NMDAR激活，而用外源性D-絲氨酸灌流可逆轉(zhuǎn)NMDAR功能的喪失。Nagy等［44］研究結(jié)果顯示，抑制DAAO可增加大鼠海馬神經(jīng)元的自發(fā)放電和NMDA誘發(fā)的放電活動，提高認知功能。由于DAAO抑制劑可升高腦內(nèi)D-絲氨酸水平，從而促進NMDAR的活化，目前一些研究已在臨床前研究中聯(lián)合使用DAAO抑制劑和D-絲氨酸，這可能是增加腦中D-絲氨酸水平更為有效的手段，同時提示DAAO抑制劑在臨床上可用于與NMDAR相關(guān)的疾病，6-氯苯并［d］異噁唑-3-醇（CBIO）是一種高效的DAAO抑制劑，研究顯示，在閉合性頭部損傷小鼠模型中，單次CBIO治療（損傷后24 h）可顯著改善認知和運動功能，并減少損傷體積和炎癥反應(yīng)，隨著海馬體積和海馬區(qū)神經(jīng)元數(shù)量的增加，提示該化合物具有神經(jīng)保護作用［45］。此外，苯甲酸鈉作為DAAO抑制劑已被證明具有良好的安全性，Howley等［46］研究表明，小鼠口服給藥給予苯甲酸鈉后，體內(nèi)DAAO酶占用率和小腦D-絲氨酸水平均明顯增加。

Foster等［47］研究顯示，D-絲氨酸是中性氨基酸轉(zhuǎn)運蛋白ASCT1和ASCT2的底物，在培養(yǎng)的大鼠海馬AST中由2種亞型轉(zhuǎn)運。Kaplan等［21］研究顯示，ASCT1基因敲除小鼠出現(xiàn)空間學習記憶能力下降，可能與ASCT1影響了D-絲氨酸水平有關(guān)。Asc-1也能夠調(diào)節(jié)D-絲氨酸的釋放，Asc-1對于NMDAR的激活和突觸可塑性是必需的，抑制Asc-1可減少D-絲氨酸的攝取和釋放，并抑制CA1中的LTP［48］。

5 小結(jié)與展望

NMDAR在突觸信號傳遞、LTP過程中起著關(guān)鍵作用，D-絲氨酸是激活NMDAR十分重要的內(nèi)源性激動劑，D-絲氨酸的水平可受SR、DAAO、ASCT及Asc-1水平的影響；此外，D-絲氨酸合成的前體物質(zhì)L-絲氨酸及其合成酶PHGDH的水平亦會影響D-絲氨酸水平，如果上述任一環(huán)節(jié)發(fā)生改變，均可引起D-絲氨酸水平異常，從而可能影響學習記憶能力，但是上述各環(huán)節(jié)中何種因素對D-絲氨酸水平起主要作用，以及相應(yīng)引起的突觸信號傳遞如何改變，需要視研究毒物、研究對象不同而進行分子水平機制的進一步深入研究和探討。