張賽圣 程麗霞 呂 誠

(南昌大學醫(yī)學院人體解剖學教研室，江西 南昌 330006)

樹突棘是存在于哺乳動物大腦神經(jīng)元樹突上的小突起，通常作為突觸后成分與投射來的軸突共同構成完整的突觸連接。樹突棘最顯著的一個特征是形態(tài)的多樣性，在形態(tài)、大小和數(shù)量上的動態(tài)變化與突觸的效能密切相關，是突觸結構可塑性的主要形式〔1，2〕。樹突棘的主要細胞骨架成分是肌動蛋白，肌動蛋白與肌動蛋白結合蛋白相互作用，在樹突棘的形態(tài)學改變和重塑中發(fā)揮著重要作用。

1 樹突棘與學習記憶

樹突棘是約90%興奮性突觸的突觸后部分，構成了哺乳動物中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性突觸傳遞的原始位點，是信息獲得與儲存的關鍵和結構基礎〔3，4〕。在發(fā)育過程中，樹突棘的形態(tài)會發(fā)生很大的變化。在發(fā)育早期出現(xiàn)的絲狀偽足一般被認為是樹突棘的前體，在成熟神經(jīng)元中樹突棘可分為細長型、粗短型、蘑菇型等〔3〕。電鏡下，在棘的頭部可觀察到與突觸后膜相連接的高電子密度的盤狀結構突觸后致密物，其主要由神經(jīng)遞質受體、離子通道、骨架蛋白和參與突觸傳導、耦聯(lián)的信號系統(tǒng)組成，約占棘頭表面積的10%。研究〔5〕表明，棘頭的體積與突觸后致密物的面積、突觸后受體的數(shù)目、突觸前囊泡和待釋放神經(jīng)遞質的數(shù)量呈正比，棘頸的形態(tài)(長度和直徑)決定了活化的突觸中內流Ca2+的濃度和維持的時間〔5〕。用高頻刺激誘導長時程增強，會引起突觸后致密物與棘頭增大，同時突觸反應性及微型興奮性突觸后電流(mEPSCs)增加，而低頻刺激誘導長時程抑制則伴隨著樹突棘萎縮〔5，6〕。Kolb等〔7〕研究發(fā)現(xiàn)，Morris水迷宮訓練可增加大鼠枕葉皮質Ⅲ層錐體細胞樹突長度、分支及樹突棘密度，T-迷宮訓練可增加內側額葉和眶額葉皮質Ⅲ層錐體細胞樹突棘密度；Beltrán-Campos等〔8〕研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)水迷宮訓練過的大鼠海馬CA1區(qū)錐體細胞內與記憶特異性相關的蘑菇型棘數(shù)量顯著增加；張曉光等〔9〕研究也發(fā)現(xiàn)，Morris水迷宮的記憶回想測試可以增加海馬CA1區(qū)錐體細胞樹突棘的密度，提示記憶提取過程可能伴有興奮性突觸的數(shù)量增加。

2 肌動蛋白結合蛋白對樹突棘形態(tài)的調節(jié)

研究表明，樹突棘的主要細胞骨架成分是肌動蛋白，它以可溶性的球形肌動蛋白單體(G-actin)和聚合態(tài)的絲狀肌動蛋白多聚體(F-actin)兩種形式存在，F(xiàn)-actin是G-actin以雙螺旋形式構成的肌動蛋白聚合體，而只有這種多聚體才能發(fā)揮其生物學作用，賦予樹突棘特征性的形態(tài)。現(xiàn)在普遍認為可調節(jié)的肌動蛋白的聚合和(或)解聚是樹突棘運動、生長和塑形的基礎，樹突棘形態(tài)的改變是通過樹突棘內肌動蛋白的重排而實現(xiàn)的，而肌動蛋白結合蛋白在肌動蛋白的重排中起著重要的調節(jié)作用〔10，11〕。此類蛋白主要有：(1)發(fā)育調節(jié)腦蛋白(drebrin)。drebrin最初是從10 d的雞胚通過二維凝膠電泳分離出來，分為drebrin A和drebrin E兩大類。drebrin A主要定位于大腦皮層和海馬成熟神經(jīng)元的樹突棘內。將drebrin A的cDNA轉染到成纖維細胞內，發(fā)現(xiàn)有樹突樣結構形成；在培養(yǎng)的皮層成熟神經(jīng)元過表達drebrin A時，神經(jīng)元樹突棘的長度明顯增加；而抑制drebrin A在海馬神經(jīng)元中的表達則導致樹突棘密度減少。這些研究表明drebrin A能促進樹突棘的生長發(fā)育，其作用機制有：① drebrin能夠抑制肌動蛋白和肌球蛋白的相互作用，減少F-actin的收縮力和樹突棘的回縮；② drebrin能募集profilin(肌動蛋白聚合的啟動子)進入纖絲引起棘的延長；③ drebrin還可以抑制原肌球蛋白和α-輔肌動蛋白，并競爭性與F-actin結合，調節(jié)actin骨架網(wǎng)的動力學，進而引起樹突棘形態(tài)改變〔10～14〕。(2)cofilin。cofilin是分子量21 kD的肌動蛋白結合蛋白，一般存在于與肌動蛋白快速重組相關的移動性位點，在樹突棘中主要定位于棘的邊緣和突觸后致密物。cofilin能切割F-actin并加速亞基從F-actin末端分離，提高F-actin翻轉和扭曲。在扭曲過程中，肌動蛋白分子之間的縱向和橫向接觸面減小，修正了蛋白螺旋之間的間距，影響了亞基之間的相互作用，從而導致F-actin的快速解聚。cofilin的磷酸化與否是肌動蛋白解聚的開關，cofilin的磷酸化酶有LIM激酶，cofilin是目前已知唯一的LIM激酶作用靶點，LIM激酶能通過增加Ser3位點磷酸化使cofilin蛋白失活〔10，11，15〕。(3)肌動蛋白相關蛋白2/3(Arp2/3)復合體。Arp2/3復合體由7條保守的多肽鏈組成，其中2個亞基分別是Arp2和Arp3。Arp2/3復合體在介導肌動蛋白核化和微絲分支中具有關鍵作用，但其本身沒有生化活性，它需要核化促進因子的激活。這些核化促進因子中，神經(jīng)型Wiskott-Aldrich綜合征蛋白(N-WASP)和WASP家族Verprolin同源蛋白(WAVE)尤為重要。這兩種蛋白均含有VCA結構域，此結構域是Arp2/3復合體誘導F-actin聚合的關鍵區(qū)域。激活的Arp2/3復合體通過“樹突狀核化”模式或“正端分支”模式介導肌動蛋白核化及微絲分支〔10，16〕。(4)樹突棘相關的Rap特異性GTP酶活化蛋白(SPAR)。SPAR位于突觸后NMDA受體-PSD-95復合體中，是調節(jié)活動依賴性突觸重構的重要蛋白之一。SPAR包含兩個獨立的F-actin結合區(qū)(Act1和Act2)、一個鳥苷酸激酶結合區(qū)和一個GTP酶活化區(qū)。在海馬神經(jīng)元中，SPAR定位于樹突棘上，在較大的棘內含量豐富。SPAR過表達能誘導肌動蛋白重組，導致棘頭增大，形態(tài)不規(guī)則。神經(jīng)元樹突棘內SPAR水平受突觸活化的調節(jié)。突觸活化誘導產生的血清誘導激酶(SNK)能靶向性地與樹突棘內SPAR的Act2結構域相結合，使SPAR磷酸化，磷酸化的SPAR經(jīng)泛素化-蛋白酶體途徑發(fā)生降解，此即突觸活化過程中的SNK-SPAR信號途徑。SPAR降解導致成熟樹突棘減少和絲狀偽足生成，突觸后致密物和突觸丟失，最終使突觸聯(lián)系減少〔10，17～19〕。(5)cortactin，cortactin富含于神經(jīng)元樹突棘中并與F-actin共定位。過表達cortactin促進樹突棘的延長，而敲除內源性cortactin則導致樹突棘密度下降。此外，NMDA受體的活化可以觸發(fā)cortactin從樹突棘到樹突柄的再分配，表明cortactin參與神經(jīng)元活性依賴性的樹突棘重塑。cortactin通過中央的串聯(lián)重復序列區(qū)域與F-actin相互作用，通過N-末端酸性區(qū)和Arp2/3復合體相互作用。這些相互作用促進了肌動蛋白細胞骨架的聚合、分支和穩(wěn)定〔20～22〕。(6)spinophilin，電鏡觀察顯示spinophilin特異性定位于樹突棘的頭部，常作為突觸后樹突標志來分析和定量光鏡下樹突棘密度的變化。除了作為樹突棘的標志外，spinophilin還可通過對樹突棘興奮性突觸傳遞和樹突棘形態(tài)的調節(jié)在突觸可塑性中扮演重要角色。體外實驗顯示，spinophilin能夠綁定和交聯(lián)肌動蛋白絲，使其聚集成束。而spinophilin基因敲除的小鼠可影響長時程抑制并且損害學習能力。Spinophilin能被蛋白激酶A和鈣離子/鈣調蛋白依賴的蛋白激酶等磷酸化。Spinophilin和肌動蛋白的結合能力與Spinophilin的磷酸化水平呈負相關。Spinophilin磷酸化后，與肌動蛋白的結合能力減弱，使其從突觸后膜上脫離，破壞樹突形態(tài)的穩(wěn)定性，導致樹突棘結構丟失〔23～26〕。

3 樹突棘內肌動蛋白結合蛋白調節(jié)異常與神經(jīng)退行性疾病

來自細胞模型、動物模型和患者尸檢實驗資料表明許多神經(jīng)退行性疾病出現(xiàn)樹突棘的病理性改變、樹突棘內肌動蛋白結合蛋白調節(jié)機制受損。Perez-Cruz等〔27〕發(fā)現(xiàn)Tg2576和 APP/Lo轉基因阿爾茨海默病(AD)模型小鼠海馬CA1區(qū)錐體細胞內蘑菇型樹突棘密度明顯下降。Julien等〔28〕發(fā)現(xiàn)AD患者腦內drebrin mRNA表達下降與AD病程進展密切相關。Yao等〔29〕的Western印跡檢測顯示Tg19959轉基因AD模型小鼠腦內和原代培養(yǎng)的神經(jīng)元內cofilin表達明顯升高。在帕金森病(PD)動物模型和患者腦內，中型多棘紋狀體投射神經(jīng)元樹突棘密度減少是繼黑質多巴胺能神經(jīng)元丟失之后的另一個主要病理改變〔30～32〕。PINK1基因是與早發(fā)性常染色體隱性遺傳性PD相關的致病基因，PINK1基因抑制可導致磷酸化的cofilin表達增加〔33〕。Golgi染色顯示亨廷頓病轉基因小鼠中型多棘紋狀體神經(jīng)元和皮質錐體神經(jīng)元樹突棘密度和長度下降〔34，35〕。突變的亨廷頓蛋白能導致細胞核內cofilin-肌動蛋白棒狀結構的持續(xù)存在〔36〕。Irwin等〔37〕研究顯示，脆性X綜合征患者顳葉和視覺區(qū)第Ⅴ層錐體神經(jīng)元樹突棘呈現(xiàn)出細長扭曲的不成熟狀態(tài)。徐琴等〔38〕研究顯示，Drebrin A和Drebrin E在樹突棘和突觸發(fā)育成熟關鍵期的表達交替延遲是脆性X綜合征樹突棘形態(tài)和功能異常的原因之一。

4 展 望

肌動蛋白結合蛋白對樹突棘的細胞骨架肌動蛋白的重排起著重要的調節(jié)作用，在樹突棘的形態(tài)學改變和重塑中扮演重要角色。盡管肌動蛋白結合蛋白調節(jié)樹突棘重塑的研究已取得了一些重要進展，但其具體機制尚需深入探討。特別是肌動蛋白結合蛋白與肌動蛋白作用的方式以及細胞內信號傳導的精細機制等都有待于進一步闡明。另外，大量研究表明，許多神經(jīng)退行性疾病樹突棘內肌動蛋白結合蛋白調節(jié)機制受損。對肌動蛋白結合蛋白在神經(jīng)退行性疾病中作用的深入研究可能為其發(fā)病機制的闡明和尋找防治疾病的新靶點提供基礎。

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