细胞内Ca2 浓度和CaMKⅡ对学习和记忆的作用与影响的研究进展.docx

1、细胞内Ca2 浓度和CaMK对学习和记忆的作用与影响的研究进展细胞内Ca2+浓度和CaMK对学习和记忆的作用与影响的研究进展（作者:_单位: _邮编: _） 【关键词】 细胞内 Ca2+浓度 CaMK 学习 记忆 影响Giacobini提出了突触可塑性学说，认为突触不是静止、固定的结构。1973年Bliss首先在麻醉家兔发现，短串高频条件刺激（强直刺激）穿通路传入纤维可在海马齿状回颗粒细胞诱导出持续10小时以上的群体锋电位和群体兴奋性突触后电位幅值增大的突触传递效能的易化现象，即长时程增强(1ong-term potentiation，LTP)现象并提出LTP是记忆的突触模型1。Greenou

2、gh通过迷宫训练实验后发现大鼠枕部皮层锥体细胞有新的突触形成2。这些研究为在突触水平上研究学习记忆提供了一个理想模型和细胞基础。 突触是记忆的贮存的部位。人类的神经系统中存在成千上万个突触可能存储大量信息。LTP的研究表明，突触前和突触后神经元内Ca2+浓度的高低均与LTP的诱导及维持有关。有些研究者设想是否可以通过蛋白质作用使每个突触局部的生理及生化过程都能促进长时程信息的存储，从而构成记忆的分子基础。Lisman设想存在一种作为“分子开关”的激酶在学习过程中通过磷酸化而被激活，活化的激酶还能够催化本身磷酸化，使其激酶分子在学习结束后仍能持久的保持活化状态3。大量研究发现钙钙调蛋白依赖性蛋白

3、激酶(calciumcalmodulin dependent protein kinase，CaMK)具有这一特性，当Ca2+内流时能够使CaMK磷酸化而被激活，活化的CaMK自身磷酸化，而且当Ca2+下降后CaMK的活性仍能保持其状态,因此，人们认为CaMK可能是记忆的分子开关。 1 Ca2+与LTP LTP是指高频刺激突触前传入纤维所引起的突触传递效能的长时间持续性增强。主要表现为高频刺激后突触后群体锋电位(population spike, PS)幅值增大、潜伏期缩短,群体兴奋性突触后电位(population excitatory postsynaptic potential, pEP

4、SP)幅值和斜率都增大等突触传递效能增强的现象。诱发LTP后，动物的学习能力能够加强，因此LTP作为在突触水平的研究模型已得到公认。 Connor4发现，在锥体细胞树突尖端短暂应用谷氨酸或NMDA (N-methyl-D-aspartate)，发现细胞内Ca2+浓度可持续性的增高，此现象还可被NMDA受体拮抗剂APV或细胞外Mg2+所抑制。胞内Ca2+浓度的增加，明显的受到细胞外Ca2+通过NMDA受体及电压依赖性钙通道（voltage-dependent calcium channels, VDCCs）的流入量的调节。突触前后神经元内钙离子浓度的增高都与LTP的诱导及维持有关。由于递质的释放

5、量与内流入突触前神经元内Ca2+的量呈相关，因此，突触前神经元内Ca2+浓度升高的意义在于使突触囊泡释放的频率和效率增加5。 Ca2+内流入突触后神经元是LTP诱导和维持的触发因素。突触后神经元内Ca2+浓度升高的机制至少有三：（1）Ca2+通过电压和递质双重门控离子通道如NMDA受体通道进入；（2）Ca2+通过电压门控性钙通道进入；（3）通过递质-受体-G蛋白-磷脂酶C(PLC)-三磷酸肌醇(IP3)/二酰甘油(DG)信号转导通路触发细胞内钙贮库内Ca2+的释放。以往关于LTP形成的突触后机制的研究指出，正常突触传递时，递质Glu并不能激活NMDA受体，只有当诱导LTP的高频刺激使突触后膜去

6、极化达到一定程度以后才能使位于NMDA受体通道入口处的Mg2+移开,这样当递质Glu与NMDA受体结合时通道方能打开，造成Ca2+内流，细胞内Ca2+浓度升高，从而触发一系列Ca2+依赖性生化级联反应，导致LTP的产生。因此，突触后膜内Ca2+浓度升高是LTP形成的必要条件之一。 突触后Ca2+浓度的升高，还可引起细胞的骨架蛋白结构发生重排现象，突触后面积增大，减小了突触传递时的电阻，促进了LTP的形成。 2 CaMK与LTP 2.1 CaMK的结构及其自磷酸化特性 CaMK是突触后致密物(postsynaptic densitied, PSD)的主要成分，占PSD组分蛋白总量的20%30%。

7、它是一种多功能的蛋白激酶，该酶具有30个磷酸化位点，其磷酸化状态用于控制酶的活性参与学习记忆过程的调控。CaMK也是一种钙依赖性蛋白激酶，在脑中大量存在，在突触中分布密集。CaMK家族包含28个异构体，主要来自4个基因（、和），在脑内分布主要有CaMK和CaMK异构体，每个异构体都含有催化区、自抑制区、可变区和自联合区。自抑制区存在一个类似蛋白酶作用区域，能和催化区的底物结合位点相结合，这种结合类似“开关”抑制了酶的活性。钙调蛋白（CaM）能与自抑制区中酶类似位点结合，从而解除抑制作用，使“开关”打开。在电子显微镜下观察酶三维重建过程发现：CaMK全酶是由12个亚基形成两个六元环齿轮状的结构，

8、这种独特的结构对酶自磷酸化有重要意义。 当胞内钙离子浓度升高幅度较大且持续时间较长时，能够引发酶自身磷酸化作用。这时需要两个钙调蛋白（CaM）同时与同一个全酶的两个亚基结合，一个与特定亚基结合使其激活，而另一个与相邻亚基结合，使其构象发生改变，使邻近亚基能将Thr286磷酸化，当钙离子浓度降至原有水平以后，仍能保持长时间的活性直至其去磷酸化状态。 2.2 CaMK在LTP中的作用 Fukunga等在海马脑片诱导LTP后，在体外没有Ca2+情况下检测CaMK的活性，发现诱导LTP后CaMK活性增加，其活性增加状态能够持续一小时以上6。 实验证明当敲除小鼠的CaMK亚基后海马和新皮层的细胞形态和N

9、MDA 受体通道功能都正常,但不能在海马脑片上诱导出LTP7。以痘苗病毒为载体,在海马脑片中导入具有组成性活性的CaMK,结果发现,脑片中突触传递功能增强,但是,高频刺激不能进一步诱导LTP8。Giese证明:CaMKThr286 自身磷酸化在诱导LTP的形成中是必须的。构建的Thr286 突变小鼠的海马CA1区不能诱导出依赖NMDA的LTP9。 Mayford 等研究也证明了LTP 产生需要CaMK。用前脑特异启动子和四环素转录激活系统来控制脑内的CaMK-Asp-286表达，当CaMK表达时，10 Hz 刺激不能诱导LTP10 .Bach 等用转基因技术产生CaMK-Asp-286 突变小

10、鼠,在海马脑片上, 用100 Hz 刺激频率能引导出LTP，可是采用相当于海马节律的510 Hz 频率则不能诱导LTP11，次试验证明节律的510 Hz属于生理范畴的刺激,而100 Hz 则超出了生理范畴。 自身磷酸化的CaMK移向突触后致密物。活化的CaMK在此与NMDA受体亚单位NR2B羧基端相结合，当自磷酸化作用增强时也能和NMDA受体的另一亚基NR1结合。CaMK自身磷酸化后与NR2B和NMDA的亲和力增强12。 神经元受到反复刺激时其动作电位发放频率降低，称为适应。适应产生的原因是由依赖Ca2+的K+通道开放而造成。M型胆碱能受体的激活能阻断适应的产生。活化的M型受体可易化LTP的产

11、生，因此CaMK可磷酸化依赖Ca2+的K+电导（gK+），从而使该通道关闭13。 当神经冲动引起谷氨酸受体活化时，谷氨酸受体耦联的Ca2+通道打开， Ca2+进入胞内使Ca2+浓度增加，从而激活CaMK。CaMK自身磷酸化后变成不依赖Ca2+的活化状态，活化的CaMK起以下作用：（1）活化的CaMK移向谷氨酸受体，对受体进行磷酸化，从而进一步活化谷氨酸受体。（2）活化的CaMK磷酸化gK+或其他离子通道，从而改变神经元的兴奋性。（3）活化的CaMK磷酸化中间纤维，改变了神经元的形态、突触的数量及结构14。 2.3 CaMK与学习和记忆 CaMK作为空间学习和记忆的分子基础，而海马和大脑皮层是空

12、间学习的结构基础。选择性敲除CaMK亚基，结果发现，小鼠空间学习能力大大降低，但非空间学习能力不受影响。 实验证明吗啡成瘾可影响学习记忆，当向大鼠海马内注射CaMK抑制剂时显著的减弱了吗啡的去痛效果和戒断症状，向海马内注入CaMK反义寡核苷酸时减轻了动物对吗啡的依赖性和耐受性15, CaMK很可能被设计成为戒毒药物的靶分子。 CaMK的损害均可使LTP和学习功能受损16。CaMK自身磷酸化后的非钙调蛋白(CaM)依赖状态是LTP 和学习所必需的17，而Thr- 286位点的自身磷化使CaMK从钙调蛋白依赖状态转变为非钙调蛋白依赖状态。 LTP亦可使CaMK长时间维持在自身磷酸化状态, 使其非钙

13、调蛋白依赖的活性延长。Giese 等采用PCR定点突变技术将286位点的苏氨酸替换为丙氨酸(T286A)，而后用基因打靶及基因重组技术,获得含T286A 的纯合子突变鼠。免疫印迹法和免疫组化技术表明该突变鼠CaMK的基因表达及其钙调蛋白依赖的活性不发生改变,而CaMK非钙调蛋白依赖的活性降低。这一研究结果进一步证实了CaMK286位点磷酸化与其非钙调蛋白依赖性活性直接相关18，进一步的研究表明了突变鼠存在着学习和空间记忆的缺陷。 CaMK在Thr -286自身磷酸化后可俘获钙调蛋白，钙调蛋白可使NMDA受体开放。CaMK也能影响谷氨酸能突触的另一类型受体即AMPA受体，当它被磷酸化后，能提高A

14、MPA受体敏感性，使受体通道传递功能增强； LTP 诱发CaMK的自身磷酸化使谷氨酸受体的亚基磷酸化是维持LTP所必须的。诱导LTP可使海马CA1区AMPA型谷氨酸受体(AMPA-R) 增加,从而介导突触的快速传递。Barria 认为,经树突棘NMDA - R 的钙离子快速内流,使胞浆内钙离子浓度增加,进而激活CaMK钙离子依赖性活性,再缓慢激活其非钙依赖性自身磷酸化以及AMPA-R的磷酸化,从而增强AMPA-R的反应性。 Shen 等用绿色荧光蛋白标记CaMK(GFP-CaMK)及其磷酸化激活形式发现，NMDA-R 被刺激后可使GFP-CaMK从F-肌动蛋白耦联形式转变为PSD耦联状态,且C

15、aMK自身磷酸化后可增加与钙调蛋白的亲和性,并间接延长其在PSD的定位18162-167。进一步研究则发现钙调蛋白的结合或Thr-286 自身磷酸化对CaMK与F-肌动蛋白的解离是必要的。由于CaMK自身磷酸化后与钙调蛋白的亲和性可增加几百倍,因此CaMK自身磷酸化可延迟其与钙调蛋白的解离,从而延长刺激诱导CaMK在PSD的定位。 3 问题与展望 迄今为止，对学习记忆的作用和影响在动物模型中已得到了证实，但是在人体中真正对学习和记忆的作用和影响的机制尚不十分清楚，Ca2+在人体中对学习和记忆是如何发挥作用的，如果研究者能在人类身上找到CaMK突变如何解决和治疗与其相关的疾病，这些问题在未来的基

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