闞麗麗, 劉安國, 孫 燕, 王 覺, 馬重兵, 嚴興科

（1. 甘肅省中醫(yī)院痹病科，甘肅 蘭州 730050；2. 甘肅中醫(yī)藥大學(xué)針灸推拿學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

谷氨酸（glutamate，Glu）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)中常見的神經(jīng)遞質(zhì)，在大腦中分布廣泛，借助于不同亞型谷氨酸受體（glutamate receptor，GluRs） 的激活參與許多重要的神經(jīng)生理功能，如調(diào)控神經(jīng)興奮性傳導(dǎo)，參與感覺傳導(dǎo)和藥物成癮等生物學(xué)過程［1］。在視功能傳導(dǎo)方面，Glu 已被證實是視網(wǎng)膜到外側(cè)膝狀體再到視皮層投射軸突末梢主要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，與視覺通路的興奮性傳導(dǎo)和視功能的正常發(fā)揮有密切關(guān)聯(lián)［2］。研究［3］表明：在形覺剝奪性弱視、斜視性弱視、視網(wǎng)膜病變和青光眼等眼科疾病的發(fā)病過程中，不同亞型GluRs 廣泛參與了視神經(jīng)元的存活、發(fā)育、分化、成熟和視神經(jīng)信號突觸傳遞效率的改變，包括長時程增強（longterm potentiation，LTP） 和 長 時 程 抑 制（longterm depression，LTD） 的 過 程。由 此 可 見，GluRs 激活后介導(dǎo)的神經(jīng)突觸內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)過程增強，可能在視神經(jīng)突觸結(jié)構(gòu)和功能重塑環(huán)節(jié)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用［4］。但是，當(dāng)前圍繞GluRs 如何介導(dǎo)視神經(jīng)傳遞效率的改變和視功能重塑的具體分子機制尚未完全闡明?，F(xiàn)結(jié)合近年來國內(nèi)外相關(guān)研究進展，從大腦視覺中樞神經(jīng)元突觸膜上不同亞型GluRs 入手，重點闡述了視覺剝奪后視皮層神經(jīng)突觸內(nèi)基于GluRs 激活后介導(dǎo)的可塑性調(diào)節(jié)級聯(lián)反應(yīng)機制。

1 基于LTP 和LTD 現(xiàn)象的視功能重塑改變

視覺是一種神經(jīng)電傳遞活動，借助于足量的神經(jīng)遞質(zhì)，如兒茶酚胺（catecholamine，CA）、γ-氨基丁酸（aminobutyric acid ，GABA）、Glu 和多巴胺（dopamine，DA）等來實現(xiàn)的。視功能在視覺發(fā)育關(guān)鍵期內(nèi)具有明顯的可塑性，表現(xiàn)為短期的突觸可塑性變化和長期的突觸可塑性變化［5］。其中，短期突觸可塑性主要指突觸傳遞一過性的易化和抑制效應(yīng)，而長期突觸的可塑性變化表現(xiàn)為LTP 和LTD 過程。在視功能重塑方面，視神經(jīng)元突觸結(jié)構(gòu)和功能的改變，決定了增強或者減弱雙眼活動區(qū)域及視覺信號傳遞效率的變化。健側(cè)眼增強了視皮層的反應(yīng)活動（突觸連接在接受一定量信號刺激后的傳遞效能增強）稱為LTP 現(xiàn)象；而剝奪眼降低了視皮層的反應(yīng)活動性（突觸連接在未接受刺激的神經(jīng)信號通路上誘發(fā)的持續(xù)性電位減弱現(xiàn)象）稱為LTD 現(xiàn)象［6］。研究［7］表明：在視覺可塑性關(guān)鍵期內(nèi)進行有效的干預(yù)治療，可引起視神經(jīng)突觸后膜對應(yīng)的不同亞型的GluRs 被激活，開放特定類型的離子通道，引起細胞內(nèi)離子濃度變化和一系列的小分子及蛋白的轉(zhuǎn)錄、表達和合成，從而誘發(fā)LTP 和LTD 現(xiàn)象的產(chǎn)生。

近年來研究［3］顯示：LTP 的誘導(dǎo)機制可能與Glu 激活突觸后膜上不同亞型GluRs 后介導(dǎo)的神經(jīng)突觸內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)過程密切關(guān)聯(lián)。Glu 與突觸后膜N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartic acid，NMDA） 受體結(jié)合后，導(dǎo)致離子通道改變，先引起大量Ca2+內(nèi)流，使細胞內(nèi)Ca2+濃度增大，繼而引發(fā)細胞內(nèi)一系列的級聯(lián)反應(yīng)，從而產(chǎn)生LTP 現(xiàn)象；而LTD 的產(chǎn)生可能與抑制性GluRs 的激活后引起細胞內(nèi)Ca2+濃度降低和突觸mRNA 異常表達有密切聯(lián)系。因此，在突觸膜上不同亞型GluRs 層面揭示視功能可塑性變化的LTP 與LTD 機制，將為弱視中樞發(fā)病機制研究提供重要的參考依據(jù)。

2 離子型GluRs（ionotropic GLuRs，iGluRs）介導(dǎo)的視功能重塑機制

GluRs 主要分為iGluRs 和代謝型GluRs（metabotropic GluRs，mGluRs）2 大類。iGluRs 分為NMDA 受體和非NMDA 受體，而mGluRs 又包括mGluR1～mGluR8共8 種亞型。其中，NMDA 受體是iGluRs 中最常見、最主要的一種亞型，現(xiàn)已知其至少存在7 個亞單位，即1 個NR1 亞型、4 個NR2 亞型（NR2A、NR2B、NR2C 和NR2D） 和2 個NR3 亞型（NR3A 和NR3B）［8］。

2.1 NMDA 受體對視皮層功能發(fā)育的調(diào)控首先，視功能優(yōu)勢柱的改變和視覺剝奪損傷對視皮層NMDA 受體的組成和生物學(xué)功能具有雙向的調(diào)節(jié)作用。PHILPOT 等［9］研究發(fā)現(xiàn)：在幼齡貓視皮層2/3 神經(jīng)元軸突上的NMDA 受體數(shù)量與視功能改變是相互依賴的，不良的視覺刺激可以減少NR2B 的受體比例，縮短NMDA 受體介導(dǎo)的突觸內(nèi)神經(jīng)電活動持續(xù)時間，而視覺剝奪性損害則發(fā)揮相反的NMDA 受體調(diào)控效應(yīng)。NMDA 受體比例的增減和視覺環(huán)境刺激的相互依賴共同調(diào)節(jié)著視皮層組織特定區(qū)域的功能發(fā)育。另外，DOTIGNY 等［10］研究發(fā)現(xiàn)：膽堿能途徑的神經(jīng)信號轉(zhuǎn)導(dǎo)也與NMDA 受體的分布類型具有協(xié)同作用，其共同表達與激活是視皮質(zhì)發(fā)生可塑性改變的首要條件。

不同的NDMA 受體亞型，可能在視神經(jīng)元可塑性調(diào)節(jié)機制中的作用不盡相同。LALO 等［11］研究發(fā)現(xiàn)：NR1 受體特異性地分布于正常視神經(jīng)元細胞膜、軸突及樹突棘不對稱的突觸后膜致密物質(zhì)（postsynaptic desities，PSDs）上。李辰宇等［12］對幼齡貓的視皮層研究發(fā)現(xiàn)：NMDA 受體中的5 種亞型mRNA 在不同視功能層均不同程度地表達。NR1 在所有視皮層的表達水平最高，NR2A 在Ⅲ層和Ⅳ層表達較高，NR2D 在Ⅴ層和Ⅵ層處于中等表達水平，而NR2B 和BR2C 在視覺中樞表達較弱。由此可見，NR1 是NMDA 受體的主要功能部分，在大腦皮層廣泛分布，可能與神經(jīng)元的發(fā)育過程密切相關(guān)，而突觸后膜上的NR1 受體分布也與視覺發(fā)育有密切關(guān)聯(lián)。NAGAYACH 等［13］研究發(fā)現(xiàn)：N-R1 受體與神經(jīng)發(fā)育的先后順序和神經(jīng)發(fā)育的時間調(diào)節(jié)有密切關(guān)系，表現(xiàn)為相關(guān)基因的表達調(diào)節(jié)誘發(fā)視神經(jīng)早熟或神經(jīng)發(fā)育加速現(xiàn)象。陰正勤等［14］研究表明：NMDA 受體介導(dǎo)的突觸內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)過程參與了視皮層第Ⅳ層外側(cè)膝狀體至視皮層的視覺信號輸入調(diào)控，NMDA 受體神經(jīng)元比非NMDA 受體神經(jīng)元對外側(cè)膝狀體的信號傳導(dǎo)抑制更敏感。

2.2 NMDA 受體誘發(fā)LTP 的產(chǎn)生NMDA 受體激活后誘發(fā)LTP 產(chǎn)生的可能性機制：一定強度和頻率的電刺激，可使Glu 能突觸的后膜去極化，移開阻止Ca2+內(nèi)流的Mg2+，使NMDA 受體復(fù)合通道的Ca2+通道開放；以離子通道閘門控制Na+和K+的流動，導(dǎo)致突觸膜兩側(cè)Na+和K+的通透性增加。當(dāng)Ca2+大量進入細胞內(nèi)時，可作為第二信使繼續(xù)激活相關(guān)依賴Ca2+的蛋白激酶（protein kinase，PK）類，進而產(chǎn)生細胞內(nèi)可塑性變化的生物學(xué)效應(yīng)，最終改變突觸后膜性質(zhì)，建立了突觸傳遞的LTP 過程［15］。在強刺激電流之前30 min 內(nèi)應(yīng)用NMDA 的拮抗劑2-氨基-5-磷羥基戊酸（APV）或NMDA 受體的拮抗劑氯胺酮，可阻斷興奮性突觸后電位（excitatory postsynaptic current，EPSC） 的 產(chǎn)生［16］，并且可以阻斷單側(cè)形覺剝奪動物非剝奪眼優(yōu)勢的形成，使視皮層的可塑性降低［17］。由此推斷，NMDA 和不同亞型的NMDA 受體可能參與了視神經(jīng)元突觸可塑性調(diào)節(jié)過程，NMDA 受體主要介導(dǎo)了神經(jīng)突觸EPSC 的產(chǎn)生，而氯胺酮能夠干擾視皮層神經(jīng)信號在突觸的傳遞效率。

以往的研究證實了視皮層高頻電刺激誘發(fā)的LTP 現(xiàn)象必須依賴于NMDA 受體。但是近年來又有研究［18］表明：大鼠視覺發(fā)育關(guān)鍵期內(nèi)視覺中樞Ⅳ層水平聯(lián)系突觸中存在不被APV 阻斷的LTP 現(xiàn)象產(chǎn)生。同時，LAH 等［19］研究也證實：大鼠視皮層Ⅴ層抑制性突觸的LTP 不能被APV 阻斷，但可以被GABAB 受體拮抗劑阻斷。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能與突觸后神經(jīng)元內(nèi)源性儲存Ca2+釋放有關(guān)。NMDA 受體激活只是產(chǎn)生LTP 過程的中間環(huán)節(jié)，必須進一步引起突觸內(nèi)Ca2+濃度的增加及細胞內(nèi)一系列的級聯(lián)反應(yīng)機制才可以誘發(fā)LTP 產(chǎn)生。

非NMDA 型受體主要是以α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸（alpha-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazopropionic acid，AMPA）為代表。相關(guān)研究［20-21］證實：分布有AMPA 受體的神經(jīng)突觸通路的激活也是構(gòu)成LTP 的重要機制。AMPA 受體生物學(xué)功能主要是介導(dǎo)興奮性神經(jīng)遞質(zhì)的傳遞過程，其不同亞單位的表達激活可決定突觸膜對不同離子的選擇性通透。含有GluR2亞單位的受體決定了對Na+和K+的單向通透，而不含有GluR2亞單位的受體則對Ca2+選擇性通透［22］。因此，突觸膜上不同類型GluRs 受體的分布比例也參與調(diào)節(jié)了細胞內(nèi)不同離子流水平的改變。另外，不同亞型AMPA 受體的激活，可增加突觸后膜對Glu 的反應(yīng)性，配合NMDA 受體的激活，共同介導(dǎo)跨膜的離子流和小分子蛋白的磷酸化，從而誘發(fā)LTP 的產(chǎn)生［23］。

3 mGluRs 介導(dǎo)的視功能重塑機制

近年來研究［24］顯示：LTP 過程的產(chǎn)生不單純依賴于突觸膜上iGluRs 的激活，而不同亞型mGluRs 激活也可以間接誘發(fā)LTP 現(xiàn)象的產(chǎn)生。mGluRs 根據(jù)氨基酸序列的同源性和細胞內(nèi)介導(dǎo)不同的信號通路又分為Ⅰ～Ⅲ組。Ⅰ組mGluRs 通過直接或間接影響NMDA 和AMPA 受體的表達，參與神經(jīng)元突觸的可塑性變化機制［24］。研究［25］顯示：給予Ⅰ組mGluRs 的激動劑3，5-二羥基苯甘氨酸（DHPG） 可以誘導(dǎo)出海馬神經(jīng)元內(nèi)基于AMPA 受體介導(dǎo)的LTP 過程，而給予mGluR1的阻斷劑LY367385 則可以阻斷上述LTP 的產(chǎn)生。在海馬CA1 和CA3 區(qū)，mGluR5-PKC 通路的激活可誘發(fā)NMDA 受體介導(dǎo)的LTP 過程，其產(chǎn)生原因可能是mGluR5激活引起的細胞內(nèi)Ca2+濃度升高進而產(chǎn)生海馬部位的EPSC［26］。另外，對大腦皮質(zhì)、紋狀體部位的研究［24］顯示：LTP 的形成還依賴蛋白激酶A （protein kinase A，PKA） 和 磷 脂 酶A2（phospholipase A2，PLA2） 的調(diào)節(jié)作用。因此，Ⅰ組mGluRs 可能通過對LTP 的間接調(diào)節(jié)作用影響了神經(jīng)系統(tǒng)信號傳遞效率的改變。

mGluRs 被Glu 激活后，可通過與G 蛋白偶聯(lián)進而激活突觸內(nèi)的第二信使，導(dǎo)致膜兩側(cè)Na+和K+的通透性增高，膜電位去極化，從而產(chǎn)生EPSP。大多數(shù)情況下，mGluRs 受體介導(dǎo)的EPSP產(chǎn)生迅速，消失也迅速，因此又稱為快突觸效應(yīng)［27-28］。其中，Ⅰ組mGluRs 被激活后，可刺激磷脂酶C（phospholipase C，PLC），產(chǎn)生甘油二酯（diester glycerin，DAG） 和1，4，5-三磷酸肌醇（inositol-1，4，5-triphosphosate，IP3）。上述2 種物質(zhì)可以發(fā)揮細胞內(nèi)第二信使的作用，前者激活PKC，后者水解后引起Ca2+的細胞內(nèi)流動，引起神經(jīng)元興奮性效應(yīng)和突觸前增強效應(yīng)［29］。而Ⅱ和Ⅲ組mGluRs 激活后介導(dǎo)突觸前抑制效應(yīng)，mGluR2激活后可抑制G 蛋白偶聯(lián)機制，刺激環(huán)磷酸腺苷（Cyclic adenosine monophosphate，cAMP） 合 成，而mGluR3激活后作用與mGluR2相反，可抑制cAMP 合成。由此可見，mGluR2/3都可以發(fā)揮對Glu 釋放的負反饋調(diào)節(jié)作用而誘發(fā)LTD 現(xiàn)象的產(chǎn)生［30-31］。

Ⅰ組mGluRs 分別從轉(zhuǎn)錄和翻譯水平參與了特定基因的調(diào)控，引起神經(jīng)突觸的可塑性改變，誘發(fā)LTP 和LTD 現(xiàn)象的產(chǎn)生。其中轉(zhuǎn)錄水平上的信號通路主要有PKA-cAMP 通路和鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白 激 酶 （calmodulin-dependent protein kinases，CaMKs） 通路等；相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子有環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）、核因子-κB （nuclear factor-κB，NF-κB）等；靶分子有脆性X 智障蛋白（fragile X mental retardation protein，F(xiàn)MRP）和活性調(diào)節(jié)細胞骨架相關(guān)蛋白（activity-regulated cytoskeletonassociated protein，Arc）等。

3.1 對Ca2+下游信號分子活動的增強Ⅰ組mGluRs 被激活后，可通過多條途徑使Ca2+釋放增多，進而啟動一系列突觸內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)過程，增強視傳導(dǎo)通路的傳遞效率。主要包括：①通過與Gq 蛋白偶聯(lián)，活化PLC 轉(zhuǎn)化為DAG 和IP3，進一步激活PKC 而發(fā)揮細胞內(nèi)的調(diào)節(jié)作用［32］。一方面，NMDA 受體在PKC 的催化下使其亞基磷酸化，增強其介導(dǎo)的細胞內(nèi)Ca2+內(nèi)流，使得Ca2+濃度增高，使上述通路反應(yīng)進一步增強；另一方面，PKC 的激活又可以降低mGluR5引起的細胞內(nèi)Ca2+釋放，降低Ca2+濃度。因此，上述兩條路徑起到相互拮抗的作用，確保Ca2+在細胞中的濃度平衡。②激活突觸膜上L 型Ca2+通道，抑制細胞膜對K+的通透性，促使Ca2+的內(nèi)流，促進細胞內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)過程的增強［33］。③促進突觸后遞質(zhì)-受體的結(jié)合，上調(diào)NMDA 受體表達水平，促進神經(jīng)遞質(zhì)釋放。④高濃度的Ca2+可以激活對其敏感的Ras 鳥嘌呤核苷酸釋放因子、 鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ（calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ）和磷脂酰肌醇3 激酶（phosphatidylinosilol 3-kinase，PI3K）。 同時還參與介導(dǎo)細胞外信號調(diào)節(jié)酶（extracellular-signal regulated protein kinase，ERK）的磷酸化，進而激活絲裂原活化蛋白激酶（mitogen-activated protain kinase，MAPK）信號通路，進一步引起細胞內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)過程的增強［32］。

3.2 對PKA-cAMP 和CaMKs 通路的激活在包括視皮層在內(nèi)的多數(shù)大腦皮層區(qū)域，給予Ⅰ組mGluRs 的激動劑DHPG 可觀察到cAMP 水平升高，即Ⅰ組mGluRs 能夠刺激細胞內(nèi)cAMP 的合成。cAMP 是細胞內(nèi)重要的小分子信使，由腺苷酸環(huán) 化 酶（adenylate cyclase，AC） 催 化ATP 而 形成，并且對細胞內(nèi)Ca2+的釋放與流動發(fā)揮重要的作用，還可以通過調(diào)控PKA 來增強神經(jīng)元的興奮性活動［34］。同時，PKA 也對AMPA 受體的磷酸化起重要作用，引起AMPA 受體介導(dǎo)的LTP 反應(yīng)增強［35］。

CaMKⅣ是Ca2+信號通路的主要作用分子，也是重要的轉(zhuǎn)錄激活因子，在細胞質(zhì)和細胞核內(nèi)均有表達。大量研究［36-37］證實：Ⅰ組mGluRs 的激活可提高CaMKⅣ和CaMKⅡ的磷酸化水平，進而引起大腦紋狀體、海馬CA1 區(qū)域Ca2+的內(nèi)流與細胞內(nèi)Ca 庫對Ca2+的釋放，進一步誘發(fā)Ca2+下游信號分子活動的增強。

3.3 對特定基因轉(zhuǎn)錄的增強研究［38］證實：Ⅰ組mGluRs 激活后，可以促進CREB 和NF-κB 等轉(zhuǎn)錄因子的表達，而翻譯合成的小分子蛋白又可以作為細胞核內(nèi)第三信使激活特定修飾基因的表達，并充當(dāng)轉(zhuǎn)錄因子對基因的表達起到調(diào)控作用，最終使短時程的神經(jīng)興奮轉(zhuǎn)變?yōu)殚L時程的神經(jīng)興奮過程。研究［39］顯 示：Ⅰ組mGluRs 的 激 活，可 以 借 助CaMKⅣ、PKA 或mGluR5的通路使CREB 磷酸化，CREB 除了是重要的轉(zhuǎn)錄因子外，其磷酸化水平對視神經(jīng)突觸的可塑性起著至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用。另外，在視覺中樞大腦皮層神經(jīng)元中mGluR5的激活可介導(dǎo)p38-MAPK、 PKC 和PI3K 等通路活化NF-κB，使其在突觸可塑性與長時程記憶中發(fā)揮關(guān)鍵作用［40-41］。

3.4 促進Arc 靶基因的表達Arc 是一種即刻早期基因，其表達水平與突觸可塑性變化程度有密切關(guān)聯(lián)［42］。研究［43］顯示：在海馬區(qū)，給予mGluRs 的激動劑DHPG 后，可以使樹突上的Arc 蛋白表達水平升高，該調(diào)節(jié)作用與上述PLC、ERK1/2 和CaMKs 的級聯(lián)反應(yīng)相互影響，共同在特定基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯水平，產(chǎn)生依賴于mGluRs 的LTP現(xiàn)象。

4 小 結(jié)

不同亞型的GluRs 作為視覺中樞重要的神經(jīng)遞質(zhì)類受體，其表達激活狀態(tài)是啟動視神經(jīng)突觸內(nèi)抗視覺剝奪效應(yīng)級聯(lián)反應(yīng)機制的關(guān)鍵靶點，與視覺發(fā)育及其可塑性變化過程有密切關(guān)聯(lián)。以往對視功能可塑性變化的機制研究中，重點關(guān)注了Glu 和iGluRs 介導(dǎo)的視皮層功能發(fā)育和興奮性突觸后電位的調(diào)節(jié)機制方面。視功能重塑的調(diào)節(jié)機制不單純依賴于iGluRs 的激活，尤其是Ⅰ組mGluRs 激活后介導(dǎo)的細胞內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)過程增強以及對LTP 的間接調(diào)控機制也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。因此，針對不同亞型的GluRs 介導(dǎo)的突觸內(nèi)級聯(lián)反應(yīng)機制的深入研究，將為揭示弱視的中樞發(fā)病機制研究和開發(fā)新的快速有效的靶點治療藥物提供重要的參考依據(jù)。