NMDA受體在發(fā)育過程中的表達(dá)及其生理意義

1、    NMDA受體在發(fā)育過程中的表達(dá) 及其生理意義        在脊椎動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，谷氨酸是一種重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，它在腦中的眾多功能是由不同的受體所介導(dǎo)的。谷氨酸受體可分為離子型(ionotropic)和代謝型(metabotropic)兩大類。離子型谷氨酸受體即為配體門控性離子通道(ligand-gated ion channel)，按特異的激動劑不同又可分為N-甲基-D-門冬氨酸(N-methyl-D-adpartate,NMDA)和non-NM

2、DA亞型,non-NMDA包括兩種受體亞型，即紅藻氨酸(kairate acid, KA)和-氨基-3-羧基-5-甲基惡坐-4-丙酸(-aminocyclopentane-1, 3-dicarboxylate, AMPA)亞型；代謝型受體是與G蛋白偶聯(lián)，經(jīng)細(xì)胞內(nèi)第二信使系統(tǒng)起作用的，包括反式-氨基-環(huán)戊基-1，2-二羧酸(ACPD)與L-2-氨基-4-磷酰基丁酸(L-AP4)兩種亞型1。NMDA受體有兩個顯著區(qū)別于其他谷氨酸受體的特性。第1，具有電壓依賴的Mg2+離子阻斷作用，即當(dāng)膜電位高于40mV時，這種Mg2對NDNA受體的阻斷作用消失；第2，NDNA受體不僅對單價離子Na、K有通透性，而

3、且對Ca2具有高通透性2，NMDA受體參與了許多復(fù)雜的生理和病理機(jī)制，如誘導(dǎo)長時程增強作用(long-term potentiation, LTP)3(因而與學(xué)習(xí)和記憶機(jī)制相關(guān))、控制著發(fā)育過程大腦神經(jīng)元回路(brain circuitry)的結(jié)構(gòu)和突觸的可塑性、缺血缺氧導(dǎo)致的興奮性毒性作用、癲癇的形成以及神經(jīng)退行性變。本文綜述了發(fā)育過程中NMNA受體對突觸可塑性的作用，以及與此相關(guān)的受體本身表達(dá)形式、功能特性和亞單位組成的改變。1. NMDA受體亞型對突觸可塑性的作用有一種理論認(rèn)為，成年動物大腦中的突觸聯(lián)系，是許多突觸競爭的幸存者。當(dāng)突觸反復(fù)被激活時，它們的作用也被增強、地位得到鞏固，反之就

4、減弱。這種競爭成功的原因是突觸前的激活和突觸后Ca2內(nèi)流的短暫的相互關(guān)聯(lián)4。在谷氨酸通路中，這種短暫的關(guān)聯(lián)是由于突觸前細(xì)胞激活后引起突觸后細(xì)胞去極化，使得NMDA受體活化，引起Ca?2內(nèi)流。這種情況在許多感覺系統(tǒng)中，尤其在視覺系統(tǒng)非常典型。視神經(jīng)纖維從無序的投射，到發(fā)育成精細(xì)的、高度有序的投射，這個過程包括突觸聯(lián)系的重新組建5。正常金黃地鼠的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞主要投射到對側(cè)上丘的淺層。剛出生的金黃地鼠如除去右上丘淺層，同時損壞上丘的中線組織，其左眼的視纖維除了投射到尚存的右上丘深層外，還會跨過中線，投射到在上丘內(nèi)側(cè)的13區(qū)。而在上丘的其余淺層區(qū)仍如正常動物那樣，由右眼投射的視纖維所支配。如在出生

5、后將右眼除去，則左眼的視纖維在跨過中線后，便投射到整個左上丘的表層。在幼年動物的大腦中，突觸前神經(jīng)元僅能接受到微弱的沖動，因此NMDA受體必須能被微弱的刺激激活。然而隨著突觸的重建，導(dǎo)致NMDA受體大量激活，Ca2內(nèi)流增加。而細(xì)胞內(nèi)高濃度的Ca2對細(xì)胞是有毒性的6。因此機(jī)體必須減少由NMDA受體流入的Ca2。在這方面的調(diào)節(jié)主要是通過改變NMDA受體的數(shù)量和結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。在發(fā)育階段，用拮抗劑阻斷NMDA受體就會發(fā)現(xiàn)NMDA受體在數(shù)量上有增加。NMDA受體在不同腦區(qū)，在突觸形成過程中數(shù)量達(dá)到高峰，在成年則有下降。在貓的視區(qū)皮層中，NMDA受體數(shù)量跟發(fā)育的可塑性階段相關(guān)。在貓視區(qū)皮層神經(jīng)元的電生理研

6、究證實，NMDA受體生理功能與發(fā)育的可塑性相關(guān)，新生貓第、視區(qū)皮層細(xì)胞對拮抗劑的敏感性高于成年貓7。另外的研究也顯示，在發(fā)育的可塑性敏感階段，NMDA受體容易被活化。如果在此期給NMDA受體拮抗劑D-2-氨基-5磷酰酸(AP5)，則視神經(jīng)的可塑性大為減弱。在視區(qū)皮層第、層神經(jīng)元和上丘神經(jīng)元的研究發(fā)現(xiàn)，NMDA受體介導(dǎo)的興奮性突觸后電流(EPSC)同樣受發(fā)育的調(diào)控。成年動物的EPSC延遲時間(duration)較幼年動物短，離子通道的平均開放時間也比幼年動物少8。在黑暗中飼養(yǎng)動物，這種NMDA受體介導(dǎo)的EPSC延遲時間的縮短速度和離子通道開放時間的減少速度都將減慢，第、皮層的功能減弱也會推遲，可

7、塑性有關(guān)的靈敏期的開始和結(jié)束將被延遲8。在海馬回，依賴NMDA受體的LTP在出生后的2周以后很快達(dá)到高峰，然后下降到成年水平的80%左右。LTP的這種變化，正體現(xiàn)了發(fā)育的可塑性的一種形式。在出生后的第3周，LTP和受體功能達(dá)到最高點。除了出生早期，海馬回的NMDA受體數(shù)量增加以外，Mg2對NMDA受體阻斷作用在出生后前3周內(nèi)也在減弱。同時這段時間中，甘氨酸對于NMDA受體的激活能力也在下降，且這種對甘氨酸的敏感性將繼續(xù)下降，直到成年水平9。這可能起到了削弱發(fā)育可塑性的作用，或者是為了平衡細(xì)胞外甘氨酸濃度在發(fā)育過程中的增高。以上這些NMDA受體功能特性的變化提示受體本身的分子結(jié)構(gòu)、亞單位組成發(fā)生

8、了變化。2. 在發(fā)育過程中NMDA受體亞型表達(dá)的變化現(xiàn)已克隆到兩個基因家族，它們編碼了組成NMDA受體的亞單位蛋白。其一命名為NMDA R1亞單位(NR1)，至少有7個剪接變體(NR1A-G)10。另一家族稱為NMDA R2亞單位(NR2)，它有4個獨立的基因，即NR2A、NR2B、NR2C、NR2D，其中NR2D具有2個剪接變體11，12。根據(jù)目前的研究結(jié)果，一般認(rèn)為每個NMDA受體復(fù)合物是由NR1和NR2兩種亞單位共5個亞單位蛋白構(gòu)成的異聚體，其中NR1是構(gòu)成受體通道必須的組份，而NR2的介入修飾了作為整體受體通道的功能特征。盡管組成受體復(fù)合物亞單位的分子計量(stoichiometry)

9、尚不清楚，但NMDA受體的非均一性，即其分子組成和功能的多樣性卻是明確的。應(yīng)用原位雜交和免疫印跡技術(shù)，發(fā)現(xiàn)上述組成NMDA受體復(fù)合物的亞單位在不同腦區(qū)的表達(dá)隨發(fā)育階段而變化。NR1呈全腦性分布。在新生大鼠的所有腦區(qū)便可檢測到一定量的NR1亞單位，出生后2至3周NR1亞單位表達(dá)量達(dá)到高峰，此后逐漸下降至成年水平。各個腦區(qū)呈現(xiàn)相似的變化模式，而表達(dá)的絕對量各不相同13。NR2家族的各亞單位在不同腦區(qū)、不同階段的表達(dá)具有相當(dāng)大差異。NR2A亞單位的分布和發(fā)育性變化模式類似于NR114。NR2B在胚胎期便有表達(dá)，出生時除間腦和腦干以外各區(qū)域均有較高含量。在皮層，出生后4d的大鼠，NR2B的表達(dá)達(dá)到成年

10、水平的55%，第8d達(dá)到132%，持續(xù)上升，一直到第14d，達(dá)到最高水平(成年鼠的149%)，之后逐漸下降至成年水平；而在小腦，出生后NR2B的表達(dá)急劇下降，出生3周后幾乎不再測得出。NR2C則主要分布于小腦。NR2D在胚胎期和出生后1周的間腦和大腦中有表達(dá)，在出生后714d內(nèi)表達(dá)呈下降趨勢，此后，主要分布于間腦和中腦11，14，15。在新生大鼠大腦皮層和海馬回，NR2BmRNA的水平比NR2AmRNA高得多，但這兩個亞單位在成年大鼠中表達(dá)量相近，這提示在新生大鼠中，絕大多數(shù)NMDA受體由NR1和NR2B兩種亞單位構(gòu)成，而成年鼠腦皮層NMDA受體則呈明顯的異質(zhì)性，主要是含NR1、NR2A和NR

11、2B 3種亞單位的受體，也有部分受體復(fù)合物僅由NR1和NR2A或者NR1和NR2B構(gòu)成16。新生大鼠神經(jīng)元細(xì)胞體外培養(yǎng)也顯示，NMDA受體亞單位的表達(dá)隨時間改變17。3. NMDA受體亞型的藥理學(xué)及電生理特性與上述NMDA受體亞單位解剖學(xué)分布相應(yīng)，不同解剖部位的NMDA受體的功能特征也各不相同，例如根據(jù)不同配基結(jié)合特性有所謂小腦型(cerebeller)、中線丘腦型(midline thalarmic)、親激動劑型(agonist-preferring)、親拮抗劑型(antagomistprefering)NMDA受體，這些反映了天然NMDA受體的區(qū)域相關(guān)的異質(zhì)性。表明與上述亞單位在發(fā)育階段表

12、達(dá)改變相應(yīng)，NMDA受體的藥理學(xué)和電生理特性也隨之變化。在發(fā)育過程中，海馬回NMDA受體對于Mg2阻斷敏感性增加，對于甘氨酸的敏感性也有變化，由新生海馬回RNA表達(dá)的受體比成年動物RNA表達(dá)的敏感性高許多，這一點前文也曾提到。體外重組受體的功能測試證明NR1NR2B異聚體比NR1NR2A對甘氨酸敏感的多18，這就也提示NR2A在大腦皮層和海馬回的遲發(fā)表達(dá)有關(guān)。NMDA受體對于一種非典型的拮抗劑ifenprodil敏感性在發(fā)育階段的變化，這與對ifenprodil低親合力的亞單位的表達(dá)逐漸增多有關(guān)。重組受體NR1NR2B比NR1NR2A對ifenprodil的親合力高許多。NR2AmRNA在大腦

13、皮層遲發(fā)表達(dá)，與ifenfrodil低親合力相關(guān)。這個結(jié)果與含有NR2A亞單位的天然NMDA受體對ifenfrodil低親合力性一致19。由上可見，發(fā)育階段NR2亞單位的改變與NMDA受體功能特性的變化密切相關(guān)20，21。體外實驗發(fā)現(xiàn)，NR1亞單位可單獨形成功能性純寡聚體NMDA受體21，但由它產(chǎn)生的電流幅度則較腦總mRNA表達(dá)后所產(chǎn)生的電流小得多，提示可能存在另外的寡聚體。與NR1相反，NR2亞基單獨均不能形成功能性受體。但當(dāng)它們各自與NR1共同表達(dá)后，則能誘發(fā)的電流較NR1大數(shù)十到上百倍。不同亞基組合的異寡聚體雖顯示了NMDA受體的許多共同的功能特征，但它們又表現(xiàn)出各自獨有的性質(zhì)11，21

14、，22。如NR1NR2C通道對Mg2阻斷不敏感；NR1NR2B和NR1NR2C通道對Glu或NMDA及甘氨酸的親和力較NR1NR2A通道高，NR1NR2A通道對AP5敏感性均高于NR1NR2C通道。對于不同配體的親合性，與天然NMDA受體類似，對于H谷氨酸NR12BNR1NR2ANR1NR2DNR1NR2CNR1。但是，對于競爭性拮抗劑CGS19755cis-4-(phospho-nomethyl) piperidne-2-carboxylic acid和CGP396S3D，L-CE(-2-amino-4-propy1-5-phosphon1)-3-pentenoic acid親和性順序為NR

15、1NR2ANR1NR2BNR1NR2DNR1NR2C。對于3HMK801，實驗測得親和性變化為NR1NR2A=NR1NR2B，NR1NR1NR2C=NR1NR2D23。由此可見，重組受體的配基親和性取決于亞單位的構(gòu)成，推測NR1NR2A、NR1NR2B、NR1NR2C和NR1NR2D與天然的親拮抗劑型、親激動劑型、小腦型、中線丘腦型分別相關(guān)23，24。綜上所述，NMDA受體在不同發(fā)育階段功能的改變調(diào)節(jié)著突觸可塑性。而這種功能的改變是由于受體的分子結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。而受體分子結(jié)構(gòu)與亞單位組成密切相關(guān)，此外還受到磷酸化等多種機(jī)制的調(diào)制。正如前文所述，天然NMDA受體具有多樣性，亞單位組成的化學(xué)計量(

16、stoichiometer)仍不清楚。根據(jù)我們的研究，成年鼠腦皮層的一部分NMDA受體的亞單位組成方式是“三合體”復(fù)合物NR1NR2ANR2B25。所以，體外重組受體功能特性的研究不能直接用來解釋天然NMDA受體，只能顯示某種相關(guān)性。關(guān)于這一點還有待于進(jìn)一步研究23，24。 收稿 1997-12修回 1998-05參考文獻(xiàn)1Monaghan DT, Bridges RJ, Cotman CW, et al. Annu Rev Pharmacol Toxicl, 1989，29:3652Bliss TV, Collingridge GL.Nature, 1993,361(6407):313Mor

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