徐碩妍，王千慧，郭鳳

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)1.七年制臨床醫(yī)學(xué)；2.藥學(xué)院藥物毒理學(xué)教研室，沈陽(yáng)110122）

鈣離子/鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ在癲癇中的作用機(jī)制

徐碩妍1，王千慧2，郭鳳2

（中國(guó)醫(yī)科大學(xué)1.七年制臨床醫(yī)學(xué)；2.藥學(xué)院藥物毒理學(xué)教研室，沈陽(yáng)110122）

鈣離子/鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ（CaMKⅡ）是一種多功能絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。CaMKⅡ在神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞代謝和突觸重塑性等方面參與調(diào)節(jié)，在諸多神經(jīng)系統(tǒng)疾病中發(fā)揮極其重要的作用。CaMKⅡα特異性定位于興奮性神經(jīng)元中，一直被認(rèn)為是研究治療癲癇的關(guān)鍵所在。體內(nèi)和體外不同癲癇模型出現(xiàn)CaMKⅡ的活性下降。本文從CaMKⅡ的生物學(xué)分類(lèi)、結(jié)構(gòu)與特性以及CaMKⅡ在癲癇中的作用方面進(jìn)行綜述，為深入研究癲癇病理過(guò)程及癲癇藥物治療提供新的理論依據(jù)。

鈣離子/鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ；癲癇；細(xì)胞特異性；共定位效應(yīng)；突觸重塑性

鈣離子/鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ（calcium/calmodulindependent protein kinaseⅡ，CaMKⅡ）是一類(lèi)神經(jīng)元中非常重要的多功能絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在哺乳動(dòng)物前腦內(nèi)含量十分豐富，同時(shí)是突觸后致密物的主要構(gòu)成成分［1］。目前研究［2］表明，CaMKⅡ的調(diào)節(jié)功能涉及神經(jīng)遞質(zhì)合成和釋放、活性依賴(lài)性神經(jīng)元修飾、離子通道、細(xì)胞新陳代謝、心臟興奮性耦聯(lián)、激素分泌以及突觸重塑性等［3］。血管疾病、人類(lèi)認(rèn)知學(xué)習(xí)功能障礙（記憶鞏固［1］）和多種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病等［4-5］的發(fā)生都會(huì)伴隨著CaMKⅡ含量的改變。當(dāng)腦內(nèi)的CaMKⅡ結(jié)構(gòu)、功能及表達(dá)異常時(shí)，會(huì)引起諸多神經(jīng)系統(tǒng)疾?。òd癇、阿爾茲海默綜合征、帕金森病、抑郁癥、藥物成癮性和精神分裂癥等［6-10］）。癲癇是一種以癲癇發(fā)作為主要癥狀的嚴(yán)重腦部疾病，通?？捎每拱d癇藥物治療［11］。本文從CaMKⅡ的生物學(xué)分類(lèi)、結(jié)構(gòu)與特性，以及CaMKⅡ在癲癇中的作用3方面進(jìn)行綜述，為癲癇的治療開(kāi)拓新的思路。

1 CaMKⅡ的生物學(xué)分類(lèi)與結(jié)構(gòu)

1.1 CaMKⅡ的分類(lèi)

CaMKⅡ是一類(lèi)功能十分豐富的蛋白激酶。全酶亞基的組成和排列最終決定其功能的多樣性。CaMKⅡ全酶由α、β、γ和δ 4種亞基組成。它們分別由4種分離基因編碼，當(dāng)每種基因進(jìn)行選擇性拼接時(shí)，可以至少產(chǎn)生30種不同的亞型［1］。因此，CaMKⅡ全酶在機(jī)體內(nèi)潛在的功能進(jìn)一步擴(kuò)大［12］。CaMKⅡ全酶由12個(gè)亞基組成，可以形成同源多聚體和異源多聚體［13-14］。其中，CaMKⅡα亞基在多種類(lèi)型神經(jīng)元的Ca2+轉(zhuǎn)移中發(fā)揮重要作用，并可與Ca2+結(jié)合形成Ca2+/CaM（calmodulin）復(fù)合體［15-16］。

1.2 CaMKⅡ的結(jié)構(gòu)

CaMKⅡ全酶由3個(gè)單元域構(gòu)成，分別是高度保守的氨基端催化域、變化較多的中間連接域和羧基端結(jié)合域［17］。羧基末端的結(jié)構(gòu)域中，4種亞基會(huì)排列折疊形成六元環(huán)狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)對(duì)CaMKⅡ感受鈣離子信號(hào)的振幅和頻率產(chǎn)生重要影響。氨基末端則呈現(xiàn)放射狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)對(duì)多種蛋白-蛋白及全酶的相互結(jié)合起到關(guān)鍵作用，并且影響著全酶的功能及定位［18］。中間連接域的大小通常會(huì)發(fā)生變化，這與全酶對(duì)鈣信號(hào)頻率的敏感性息息相關(guān)［19］。

1.3 CaMKⅡ的激活

細(xì)胞內(nèi)鈣離子濃度突然升高，CaM與ATP同時(shí)存在，CaMKⅡ的Thr 286位（α亞基）或Thr 287位（β、γ和δ亞基）會(huì)發(fā)生快速磷酸化作用，此時(shí)CaMKⅡ被激活，這種激活方式也會(huì)使CaMKⅡ產(chǎn)生最大活性［13，20］。此外，CaMKⅡ也可以在缺少Ca2+/CaM的情況下發(fā)生激活，稱(chēng)為Ca2+/CaM非依賴(lài)性激活［21］。

2 CaM KⅡ特異性表達(dá)、共定位效應(yīng)及突觸重塑性

2.1 CaMKⅡ的特異性表達(dá)

CaMKⅡ的亞基在不同組織中的表達(dá)量均不相同。CaMKⅡα和β亞型主要表達(dá)于哺乳動(dòng)物腦內(nèi)，并且在海馬及皮質(zhì)中表達(dá)出最高水平［22-23］。而CaMKⅡγ和δ亞型主要定位于中樞神經(jīng)系統(tǒng)外的不同組織中，例如CaMKⅡδ亞型主要在心臟組織中表達(dá)［24］。與此同時(shí)，各種亞型的表達(dá)也存在著明顯的細(xì)胞/亞細(xì)胞特異性，例如CaMKⅡα亞型的細(xì)胞/亞細(xì)胞表達(dá)具有十分顯著的特異性［12，25］。CaMKⅡδ亞型特異性的表達(dá)在酶功能調(diào)節(jié)中發(fā)揮著極其重要的作用［1］。研究［26］發(fā)現(xiàn)，它會(huì)特異性定位于興奮性神經(jīng)元的興奮性突觸，只有在某些極特殊的情況下異位到抑制性的突觸中。

2.2 CaMKⅡ的共定位效應(yīng)

有證據(jù)［27］表明，各個(gè)亞型在細(xì)胞內(nèi)的表達(dá)存在著明顯的共定位效應(yīng)，而且這種共定位效應(yīng)也存在著顯著的細(xì)胞特異性差異，從而對(duì)全酶的功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。例如，CaMKⅡα和β亞型常常會(huì)同時(shí)表達(dá)于絕大部分的錐體神經(jīng)元和齒狀回顆粒細(xì)胞中，表現(xiàn)出極其明顯的細(xì)胞共定位效應(yīng)；進(jìn)一步研究［28］發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡα亞型在海馬神經(jīng)元中的亞細(xì)胞定位受到CaMKⅡβ亞型表達(dá)的調(diào)節(jié)。當(dāng)CaMKⅡβ亞型與F-actin結(jié)合時(shí)，CA1區(qū)神經(jīng)元中的CaMKⅡα亞型就會(huì)從細(xì)胞質(zhì)基質(zhì)移向神經(jīng)元樹(shù)突棘。此外，敲除CaMKⅡβ基因后，發(fā)現(xiàn)在小鼠海馬神經(jīng)元棘處定位的CaMKⅡα亞型也會(huì)大幅度降低［29］。

2.3 突觸重塑性

在哺乳動(dòng)物腦內(nèi)的海馬組織中，突觸重塑性主要為長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）和長(zhǎng)時(shí)程抑制（long-term depression，LTD）2種形式。突觸重塑性的增加或減弱會(huì)使α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid，AMPA）型谷氨酸受體介導(dǎo)的突觸傳遞發(fā)生相應(yīng)的增強(qiáng)或減弱［30］。而LTP和LTD與人類(lèi)的學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程密切相關(guān)。已經(jīng)有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)［31］表明，CaMKⅡ?qū)-甲基-D-天門(mén)冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）型谷氨酸受體依賴(lài)的海馬LTP過(guò)程具有十分重要的作用。而最新的研究［29］發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡ?qū)劝彼崮芡挥|的LTD過(guò)程也起到一定的作用。如藥理性破壞CaMKⅡβ亞型，會(huì)使小鼠無(wú)法正常完成LTP和LTD過(guò)程，出現(xiàn)嚴(yán)重的學(xué)習(xí)障礙。因此，CaMKⅡ通過(guò)調(diào)節(jié)突觸重塑性，對(duì)人類(lèi)正常的學(xué)習(xí)和記憶過(guò)程具有十分重要的作用。

3 CaMKⅡ與癲癇

癲癇是一種常見(jiàn)的神經(jīng)紊亂性疾病，可以導(dǎo)致神經(jīng)興奮性和腦內(nèi)出現(xiàn)多種形式的細(xì)胞重組［32］，以反復(fù)出現(xiàn)突然而短暫的放電為特征［33］。眾多學(xué)者［34-36］認(rèn)為癲癇發(fā)生的本質(zhì)是谷氨酸能與GABA能突觸傳導(dǎo)失衡造成的。癲癇發(fā)作通常是由于腦部特定區(qū)域（通常為海馬和皮質(zhì)）的神經(jīng)元過(guò)度興奮，出現(xiàn)爆發(fā)式腦電活動(dòng)，然后再擴(kuò)散至整個(gè)大腦半球，進(jìn)而形成癲癇發(fā)作。CaMKⅡα在海馬及皮質(zhì)中含量最為豐富，且CaMKⅡα特異性定位于興奮性神經(jīng)元中，因此CaMKⅡα一直被認(rèn)為是治療癲癇的關(guān)鍵所在，也是目前神經(jīng)學(xué)研究熱點(diǎn)之一。

在各種癲癇的體內(nèi)、體外模型中，CaMKⅡ活性及含量的變化一直倍受學(xué)者關(guān)注，但對(duì)于癲癇發(fā)作后CaMKⅡ的表達(dá)量和功能活性的變化以及所產(chǎn)生的后續(xù)調(diào)節(jié)機(jī)制卻頗有爭(zhēng)議。更多的學(xué)者認(rèn)為，在眾多癲癇模型中，癲癇發(fā)作后CaMKⅡ的活性呈下降趨勢(shì)。我們前期結(jié)果［37］表明，在2種遺傳性癲癇大鼠自發(fā)性癲癇大鼠和震顫大鼠海馬中均出現(xiàn)CaMKⅡ磷酸化蛋白表達(dá)下降。事實(shí)上，癲癇發(fā)作后，其對(duì)神經(jīng)元的破壞作用仍會(huì)持續(xù)很久。因此在許多癲癇模型中發(fā)現(xiàn)，在神經(jīng)元死亡之前都觀察到CaMKⅡ失活，并且認(rèn)為癲癇發(fā)作后CaMKⅡ失活可能有利于神經(jīng)元存活。WANG等［38］利用戊四氮誘導(dǎo)癲癇發(fā)作，發(fā)現(xiàn)CaMKⅡα表達(dá)程度降低，磷酸化程度升高，細(xì)胞內(nèi)Ca2+濃度增加。并且電壓門(mén)控L型鈣通道抑制劑尼莫拉平可修復(fù)空間學(xué)習(xí)和記憶能力，使Ca2+濃度和CaMKⅡα表達(dá)水平恢復(fù)。因此認(rèn)為CaMKⅡα表達(dá)降低與空間學(xué)習(xí)能力及記憶受損有關(guān)。YAMAGATA等［15］發(fā)現(xiàn)，在紅藻氨酸誘導(dǎo)的癲癇發(fā)作中，大鼠海馬和皮質(zhì)的組織勻漿液中均發(fā)現(xiàn)CaMKⅡ處于失活狀態(tài)，并且認(rèn)為機(jī)體出現(xiàn)這種現(xiàn)象可能是因?yàn)樵诓±項(xiàng)l件下，機(jī)體為了防止CaMKⅡ過(guò)度激活而引發(fā)鈣離子超載，進(jìn)而防止神經(jīng)元的進(jìn)一步損傷死亡而產(chǎn)生的自發(fā)保護(hù)機(jī)制。KOCHAN等［39］也發(fā)現(xiàn)，在注射毛果蕓香堿引起大鼠癲癇持續(xù)狀態(tài)中，發(fā)現(xiàn)其皮質(zhì)和海馬組織勻漿液中的CaMKⅡ活性顯著降低，而且這種機(jī)制很可能是由于NMDA受體的激活，進(jìn)而形成的機(jī)體自我保護(hù)機(jī)制。NI等［40］對(duì)出生后6 d的大鼠進(jìn)行吸入三氟乙醚的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，反復(fù)新生兒驚厥和苔蘚纖維發(fā)芽造成的不利影響與CaMKⅡ活性降低聯(lián)系密切。ULLAH等［33］實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)戊四氮引起的癲癇發(fā)作中，CaMKⅡα含量降低。CHURN等［41］研究發(fā)現(xiàn)，在體外培養(yǎng)的海馬神經(jīng)元中加入能夠特異性抑制CaMKⅡα亞型表達(dá)的寡核苷酸時(shí)，會(huì)導(dǎo)致海馬組織出現(xiàn)癲癇樣活動(dòng)，而且當(dāng)CaMKⅡ表達(dá)量下降越多時(shí)，其神經(jīng)元興奮性越高，并且還會(huì)造成突觸重塑性發(fā)生長(zhǎng)期的變化。此外，ASHPOLE等［42］實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)的皮質(zhì)神經(jīng)元中使用小分子和肽的抑制劑抑制CaMKⅡ誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，會(huì)導(dǎo)致神經(jīng)元鈣信號(hào)及谷氨酸穩(wěn)態(tài)的異常調(diào)節(jié)，增強(qiáng)神經(jīng)元興奮性毒性，加劇細(xì)胞程序性死亡，因此CaMKⅡ抑制劑會(huì)引起神經(jīng)元毒性。

另外，研究表明增加CaMKⅡ的活性可以改善癲癇癥狀。NI等［43］實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)褪黑激素會(huì)促進(jìn)CaMKⅡα的表達(dá)，因此認(rèn)為褪黑激素（N-乙酰-5-甲氧基色胺）起到抗癲癇及神經(jīng)保護(hù)作用。WANG等［2］通過(guò)將原代海馬神經(jīng)元分成控制組、無(wú)鎂培養(yǎng)基培養(yǎng)的模型組和無(wú)鎂含靈芝多糖培養(yǎng)基培養(yǎng)的GLP組，結(jié)果證明模型組CaMKⅡα表達(dá)量低于控制組，而GLP組CaMKⅡα表達(dá)量高于模型組。由此發(fā)現(xiàn)靈芝多糖通過(guò)降低細(xì)胞內(nèi)鈣堆積，激活CaMKⅡα而起到抗癲癇作用。

然而，部分學(xué)者認(rèn)為，癲癇發(fā)作后，CaMKⅡ的表達(dá)量會(huì)有所升高，而且這種升高對(duì)于機(jī)體是一種修復(fù)保護(hù)機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，不論是體內(nèi)、體外癲癇模型中，當(dāng)癲癇發(fā)作時(shí)都會(huì)引起樹(shù)突棘和突觸的損失，而CaMKⅡ卻與突觸重塑性密切相關(guān)。ZHA等［44］研究發(fā)現(xiàn)，在體外培養(yǎng)的大鼠海馬組織切片中，CaMKⅡ可以修復(fù)樹(shù)突棘和棘后的突觸后致密斑（postsynaptic densities，PSDs），而且CaMKⅡ還會(huì)抑制癲癇所引發(fā)絲狀偽足的形成。因此在癲癇發(fā)作后，CaMKⅡ?qū)ν挥|損傷的修復(fù)起到十分關(guān)鍵的作用。GURD等［45］在構(gòu)建的腦出血模型及癲癇模型大鼠的前腦中，發(fā)現(xiàn)CaMKⅡ的磷酸化作用增強(qiáng)。但針對(duì)不同磷酸化位點(diǎn)，其增加的程度均不相同。其中，T253位點(diǎn)的磷酸化作用增強(qiáng)最多，而且對(duì)PSDs的增加作用也十分明顯。

綜上所述，CaMKⅡ的結(jié)構(gòu)、表達(dá)及功能異常時(shí)會(huì)引起的諸多中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病，但如何具體參與這些疾病的病理過(guò)程仍不是十分清楚。如今的抗癲癇藥物在安全性、耐藥性和引起或成為藥物不良反應(yīng)靶點(diǎn)的傾向性上均有所限制［46］。而國(guó)內(nèi)外諸多實(shí)驗(yàn)表明CaMKⅡ可作為治療癲癇中的重要靶點(diǎn)，許多抗癲癇藥物（褪黑激素［43］、靈芝多糖［2］等）均可通過(guò)恢復(fù)CaMKⅡ含量達(dá)到抗癲癇目的。THOMPSON等［47］發(fā)現(xiàn)可利用CaMKⅡ介導(dǎo)神經(jīng)元鈉電流的作用，調(diào)節(jié)Scn2aQ54小鼠神經(jīng)元興奮性，從而治療癲癇。深入研究CaMKⅡ功能、表達(dá)及細(xì)胞/亞細(xì)胞定位為揭示發(fā)病機(jī)制提供了強(qiáng)大的理論基礎(chǔ)，同時(shí)也為深入研究癲癇病理過(guò)程及癲癇藥物治療提供新的理論實(shí)踐依據(jù)。

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（編輯武玉欣）

Advances in Research on the Mechanism of Calcium/calmodulin-dependent Protein KinaseⅡin Epilepsy

XU Shuoyan1，WANG Qianhui2，GUO Feng2

（1.Seven-year Clinical Medicine，China Medical University，Shenyang 110122，China；2.Department of Pharmaceutical Toxicology，School of Pharmacy，China Medical University，Shenyang 110122，China）

Calcium/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ（CaMKⅡ）is a multifunctional serine/threonine protein kinase.It plays a vital role in the regulation of neurotransmitters，cell metabolism，and synaptic plasticity，as well as in many diseases of the nervous system.As CaMKⅡalpha is specifically located at excitatory neurons，it has long been regarded as crucial for the treatment of epilepsy.CaMKⅡshows decreased activity after seizures in different in vivo and in vitro models of epilepsy.This article provides a new theoretical basis for further research on the pathological process of epilepsy and its treatment，by exploring several recent experimental studies on CaMKⅡand epilepsy.

calcium/calmodulin-dependent protein kinaseⅡ；epilepsy；cellular specificity；colocation effect；synaptic plasticity

R99

A

0258-4646（2017）07-0577-05

10.12007/j.issn.0258-4646.2017.07.001

國(guó)家自然科學(xué)基金（81001429，81471323）；遼寧省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（2015039）

徐碩妍（1995-）女，本科在讀.

郭鳳，E-mail：aforge@126.com

2016-10-25

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