神经元的突触可塑性与学习和记忆.pdf

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神经元的突触可塑性与学习和记忆陈燕*（中国科学院生物物理研究所,脑与认知科学国家重点实验室,北京100101）摘要大量研究表明,神经元的突触可塑性包括功能可塑性和结构可塑性,与学习和记忆密切相关.最近,在经过训练的动物海马区,记录到了学习诱导的长时程增强（longtermpotentiation,LTP）,如果用激酶抑制剂阻断晚期LTP,就会使大鼠丧失训练形成的记忆.这些结果指出,LTP可能是形成记忆的分子基础.因此,进一步研究哺乳动物脑内突触可塑性的分子机制,对揭示学习和记忆的神经基础有重要意义.此外,在精神迟滞性疾病和神经退行性疾病患者脑内记录到异常的LTP,并发现神经元的树突棘数量减少,形态上产生畸变或萎缩,同时发现,产生突变的基因大多编码调节突触可塑性的信号通路蛋白,故突触可塑性研究也将促进精神和神经疾病的预防和治疗.综述了突触可塑性研究的最新进展,并展望了其发展前景.关键词NMDA受体相关的突触可塑性,学习,记忆,突触可塑性的机制学科分类号Q42*通讯联系人.Tel:

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2007-10-27,接受日期:

2007-11-30生物化学与生物物理进展ProgressinBiochemistryandBiophysics2008,35（6）:

610619www.pibb.ac.cn综述与专论ReviewsandMonographs在神经系统中,大量神经元通过突触相互联系形成神经回路.中枢神经系统的兴奋性突触主要以谷氨酸为递质,突触前神经元释放谷氨酸,通过突触后的谷氨酸受体（AMPA和NMDA两种亚型）,将突触前神经元的信号传递到突触后神经元.谷氨酸与AMPA受体结合,使突触后神经元去极化,从而产生脉冲发放.NMDA受体与谷氨酸结合,将突触前电信号转变成突触后神经元内的Ca2+信号,启动一系列生化级联反应,导致突触的可塑性变化.在神经元树突棘上,谷氨酸受体及其偶联的信号转导通路,通过各种支架蛋白形成突触后致密区（PSD）,它含有几百种蛋白质.这种复杂而精巧的棘突结构,是接收突触前信号并进行生化加工的独立单元.树突棘能对接收的大量信号进行神经计算和整合,并依据刺激的方式做出反应,使突触的结构和功能发生相应变化,即形成突触的可塑性.根据突触功能可塑性变化的性质不同,它可分为长时程增强（longtermpotentiation,LTP）和长时程抑制（longtermdepression,LTD）.它们均能选择性地修饰行使功能的突触,使突触连接增强或减弱,因而能贮存大量信息,被认为是学习和记忆的神经基础.突触可塑性可分为与传递效率有关的功能可塑性和与信息贮存相关的树突棘形态变化的结构可塑性.突触不仅能通过对AMPA受体通道的修饰,以及AMPA受体插入和迁出突触来增强或抑制突触的传递效率,而且能通过树突棘的增大和萎缩以及棘的消失和新棘的形成使传递效率发生变化.突触可塑性因神经细胞种类、发育阶段、激活方式不同而变化,其形成机制复杂而多样.由于它可能是学习和记忆的神经基础,长期以来一直都是分子和细胞神经生物学的热门研究领域之一.虽然通常认为突触可塑性是学习和记忆的分子机制,但从未在学习和记忆的同时于记忆相关的脑区中记录到相关的LTP.因为动物的记忆形成要经过多次训练,测定LTP的指标取平均值时可能会模糊了个体之间的明显差异.另外,动物在进行学习和记忆时,在大量突触中可能仅有少数或分散的突触被激活,要记录到活性突触的变化也十分困难.同时,已知LTP和LTD均能导致记忆的贮存,不同突触产生的LTP和LTD在群体检测中可能相互抵消.最近这方面的研究取得了突破性的进展.Gruart等1报告,在用声音引起小鼠的瞬膜条件反射实验中,声音引起眨眼的同时,在海马区记录到突触后场电位（postsynapticfieldpotential）的陈燕:

神经元的突触可塑性与学习和记忆2008;35（6）增强.Whitlock等2在经过抑制性躲避训练（inhibitoryavoidancetraining）的大鼠海马中,检测到突触后场电位增强,AMPA受体的GluR1/2亚单位数量的增加,以及GluR1的Ser831磷酸化程度增加.这些变化与高频电刺激诱发的LTP的变化相同.Pastalkova等3的实验表明,用激酶（PKMz）的专一的抑制剂阻断大鼠海马已形成的晚期LTP（L-LTP）,能使贮存的空间记忆丧失.大鼠在训练中学习到的躲避电击位置的记忆与L-LTP一起消失了.这些实验直接表明,LTP是海马中学习和记忆形成的机制.如果在贮存长期记忆的皮层注入激酶（PKMz）的专一抑制剂使之失活,长期的嗅觉记忆也会很快丧失4.进一步研究哺乳动物脑中各种类型的突触可塑性与不同类型的记忆的关系,以及不同形式的突触可塑性分子机制,对认识学习和记忆的分子机制有重要的意义.值得指出的是,相当一些与精神迟滞疾病相关的突变基因大多编码突触可塑性信号转导通路中的调节蛋白,深入研究突触可塑性机制将会对一些精神疾病的治疗提供新的启示.因而,研究突触的可塑性及其调节机制有重要意义.1突触的功能可塑性1.1突触功能的长时程增强（LTP）神经激活突触后的NMDA受体,可诱导与NMDA受体相关的LTP,造成突触前递质释放的增加,突触后AMPA受体通道的电导增加和兴奋性突触后电流（EPSCs）的增加,用荧光免疫法可观察到突触后致密区（PSD）上AMPA受体以及突触数量的增加.这种突触可塑性是研究最深入的一种.弱刺激引发的早期LTP（E-LTP）促进了突触前谷氨酸的释放,增加了突触后AMPA受体通道的开启、Na+离子的内流以及突触后膜的去极化.同时,活化的CaMK使AMPA受体GluR1亚单位的Ser831磷酸化,增加了单个受体通道的电导,提高了传递效率.强直刺激诱导的晚期LTP（L-LTP）,除了突触效率长时程增强外,还激活了细胞核内的基因转录和蛋白质合成,使LTP得以长时间维持,保证记忆的长期贮存或记忆的巩固.强直刺激造成很强的突触后膜的去极化,启动快速的神经脉冲发放.同时活化了NMDA受体,造成Ca2+内流,激活了通道附近及与通道结合的一些激酶如CaMK、ERK1/2、PKA、PKC等,通过各种信号转导途径引发一系列的可塑性变化,如突触后致密区AMPA受体的磷酸化修饰,AMPA受体从质膜下的受体库向PSD滑动使受体数量增加5,AMPA受体迁入仅含NMDA受体的静息突触,使之变为功能性突触6,树突棘形态变化,激活细胞核内基因表达以及新突触的产生.内流Ca2+与结合在NMDA受体通道上的钙调蛋白（CaM）结合（Ca2+/CaM）,并与CaMK形成复合物使之激活.CaMK迁移到PSD与NMDA受体的NR2B亚单位结合,使AMPA受体GluR1亚单位的Ser831磷酸化,导致受体通道的电导增加.Ca2+/CaM还激活腺苷环化酶（AC）使PKA活化,造成GluR1亚单位的Ser845磷酸化,增加通道开启的可能性,同时促进GluR4亚单位插入突触中,增加传递效率.活化的CaMK和PKC还调节AMPA受体亚单位从质膜下受体库中向PSD转移,使受体密度增加.活化的CaMK能激活Ras-ERK通路,内流Ca2+亦能直接激活Ras鸟苷交换因子（RasGEF）而活化Ras-ERK通路.这条通路的活化能使质膜上的K+通道磷酸化,促进LTP的启动,还能调节AMPA受体向突触的转运,增加传递效率.活化的CaMK和ERK都能调节树突棘形态的变化和新突触的产生.近来还发现了受体通道类型改变的突触可塑性,即可通透Ca2+的AMPA受体可塑性（calcium-permeableAMPAreceptorplasticity,CARP）7.受神经刺激活化的突触中,含GluR2亚单位的AMPA受体数量增加,取代通透Ca2+的内向整流通道（含GluR1的AMPA受体）,使突触变为不能通透Ca2+的内向非整流通道（含GluR2的AMPA受体）.虽然一般认为在LTP期间,NMDA受体的变化对突触传递影响不大,然而在活性诱导下,NMDA受体的组分亦发生一定的变化.含NR2B亚单位的NMDA受体内部化,而含NR2A亚单位的NMDA受体迁入突触补缺,因迁入的受体少于内部化的受体,使LTP期间NMDA受体的反应性减低.在活性突触中维持L-LTP需要与可塑性相关的可塑性因子,亦称标识（Tag）,使活性增强的突触能捕获维持LTP所需的各种组分.L-LTP期间在突触中能专一地激活标识的产生,它可能是某些蛋白质、活化的激酶或蛋白质合成装置的组分.在活性突触中,它们截获突触新合成的或前次L-LTP产生的与突触可塑性相关蛋白,使L-LTP得以维611生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2008;35（6）持.突触之间能相互竞争截获这些蛋白质,一个突触活性增强会导致另一突触的抑制,说明LTP不仅是一个动态的过程而且是竞争性过程7.维持L-LTP所需的基因转录和蛋白质合成是如何调节的?

快速的电信号通过L型钙通道LTCs和NMDAR通道迅速变为流入树突棘的Ca2+信号,形成Ca2+/CaM复合物,通过CaMK、ERK以及cAMP/PKA等激酶的信号转导途径,将信号转移到细胞核中,激活核内的转录因子CREB（cAMPresponseelementbindingprotein）和DREM（downstreamregulatoryelementmodulator）.同时内流的Ca2+可激活细胞质中T淋巴细胞的核因子NFAT（nuclearfactorofactivatedTcell）使之转移到核中,它们都能激活基因表达,产生活性突触中维持LTP所需的蛋白质,以及产生新的功能性突触所需要的蛋白质.如果在动作电位的刺激下,同时抑制了LTCs和NMDA受体的活性,不产生内流Ca2+信号,就不能引起转录的激活.1.2突触功能的长时程抑制（LTD）有多种方法通过不同的信号转导途径诱发LTD,然而经典LTD是通过NMDA受体诱导的.持续低频刺激（0.55Hz）下,在海马CA1区激活NMDA受体会造成Ca2+内流,但比诱导LTP造成的Ca2+内流要低得多.Ca2+高亲和性的磷脂酶PP1与Ca2+结合后转移到突触且被激活,使得被CaMK、PKA和PKC磷酸化的AMPA受体去磷酸化.GluR1亚单位羧基端Ser831的去磷酸化会降低通道的电导,而Ser845的去磷酸化,使得AMPA受体通道开启的可能性降低,造成传递效率下降.同时,Ser845去磷酸化的GluR1亚单位,遭到发动蛋白（dynamin）和网格蛋白（clathrin）调节的内部化,降低了突触传递效率.有较多的证据表明,含GluR2亚单位受体的内部化是LTD产生的关键.阻断NMDA受体活性或螯合内流的Ca2+均能阻断LTD的产生.NMDA受体的NR2A和NR2B亚单位分别和多种信号转导组分相结合,形成复杂的复合物,以此调节LTP和LTD.一些实验指出,NR2B亚单位与突触中的RasGAP（Ras的GTP酶激活蛋白）即SynGAP结合,内流的Ca2+通过SynGAP调节Rap/P38MAPK信号通路使GluR2/3、GluR1亚单位内部化,产生LTD.最近有报告指出,NMDA受体活化激活的P38MAPK,促进调节内吞的小GTPaseRab5与结合GDP的抑制因子GDI结合,使之活化并转移到突触后PSD外的胞吞区,与网格蛋白（clathrin）及接头蛋白AP2结合,调节GluR2/3、GluR1亚单位内部化9.但对NR2B亚单位与什么信号转导通路结合,调节LTP还是LTD存在不同的见解.Palmer等10指出,hippocalin是仅在中枢神经系统中存在的高亲和性Ca2+结合蛋白,在海马CA1区锥体细胞中最富集,诱导LTD时它是NMDA受体内流Ca2+的传感器,通过直接与接头蛋白AP2复合物中的2-adaptin亚单位结合,调节活性相关的AMPA受体的内吞.LTD期间AMPA受体的内部化机理受到关注但远未清楚.LTP期间主要是含GluR1的AMPA受体迁入突触,而LTD期间主要是含GluR2的AMPA受体从突触迁出.突触的双向可塑性是分别通过AMPA受体的两种不同亚单位的进入和迁出来调节的.那么,下一轮激活突触双向可塑性如何能继续发生?

McCormak等11最近证明,活性诱导含GluR1的AMPA受体向突触迁入的同时,发生了与活性无关的含GluR1的AMPA受体和含GluR2的AMPA受体的对等交换.在含GluR1的AMPA受体迁入的同时携带了帮助AMPA受体在突触后插入的插座蛋白（slotprotein）,以利于受体交换时含GluR2的AMPA受体的插入.这种与活性无关的受体的对等交换缓慢地进行,它不改变突触的强度,但能改变AMPA受体中亚单位的组分,以利于下次突触可塑性的诱导.虽然现已报告了许多类型的LTP和LTD,但它们都与什么类型的记忆相关还需要进行大量深入的研究.2AMPA受体向活性突触的转运是调节突触功能可塑性的重要途径2.1AMPA受体向活性突触的转运除了突触PSD上AMPA受体的修饰改变通道的传导特性之外,突触后AMPA受体的数量在更大程度上决定了突触的快速兴奋性传导的效率,它在突触后的密度受神经活性的调节.AMPA受体亚单位的转录和蛋白质的合成,受体亚单位向突触的转运及内部化,均受到神经活性调节.AMPA受体是由4种亚单位（GluR1GluR4）组成的四聚体,通常由2个同源或异源二聚体（GluR1/1、GluR2/2或GluR1/2、GluR2/3）组成.GluR1亚单位羧基端是长尾的,GluR3亚单位羧基612陈燕:

神经元的突触可塑性与学习和记忆2008;35（6）端是短尾的,而GluR2和GluR4因剪接方式不同羧基端有的是长尾,有的是短尾.AMPA受体亚单位在内质网合成后经糖基化修饰就组成了二聚体或四聚体,经过在高尔基氏体中进一步糖基化修饰,定向转运到突触外质膜下的受体库中或直接插入突触中.羧基端是长尾的受体亚单位GluR1/4的二聚体以及GluR1-GluR2异源二体在神经活性调节下迁入和迁出突触.短尾的GluR2/3通过组成性循环直接插入到突触中,不受神经活性的调节,而GluR2/3的内吞受神经活性调节.这些受体亚单位都不含马达结构域,不能独立地迁移到突触中.神经元中存在大量支架蛋白和辅助蛋白协助它们转运.一般说来,含有80个氨基酸的PDZ结构域的支架蛋白,能与AMPA受体亚单位羧基端的PDZ结合位点结合,帮助受体亚单位转运到突触中并促进它们在突触后PSD中的定位和聚集.在内质网上新合成的GluR1亚单位通过羧基端的PDZ结合位点与含PDZ结构域的支架蛋白SAP-97结合,有利于GluR1亚单位向突触外的质膜下受体库中转运,亦有利于LTP期间被磷酸化的GluR1迁入到突触中.GluR1亚单位羧基端的PDZ结合位点又能与4次跨膜的蛋白stargzin结合12,内质网中新合成的GluR1就与stargzin结合,有利于受体亚单位的多聚及从内质网中释放出来.Stargzin作为受体的辅助亚单位,帮助含GluR1亚单位的受体从质膜上运送到突触外的质膜下受体库中.库中贮存了胞内近90%的含GluR1亚单位的受体,stargzin/GluR1亚单位复合物在质膜上可自由滑动,复合物中的stargzin一旦与PSD-95结合就将受体复合物插入到突触表面.在基础条件下这种插入是很缓慢的12.在神经活性诱导下激活的PKC使GluR1的Ser818磷酸化,这是受体亚单位插入突触的关键步骤13.同时活化的CaMK及PKC使stargzin羧基端的多个Ser磷酸化,磷酸化的stargzin羧基端的PDZ结合位点与支架蛋白PSD-95结合,保证了磷酸化的GluR1转移到突触中且聚集在突触表面14.在活性诱导下GluR1-GluR2异源二聚体依GluR1的方式聚集于突触中.反之,stargzin的去磷酸化会造成GluR亚单位从突触中迁出,导致LTD.Elias等15最近报告在未成熟的棘中AMPA受体亚单位通过stargzin与SAP-97结合转运到突触中.在成熟的棘中,AMPA受体亚单位通过与PSD-95和PSD-93的结合转运到突触中.Schlter等16发现PSD-95和SAP-97因N端修饰不同有和两种异构体.PSD-95以PSD-95为主,N端的两个半胱氨酸都棕榈酰基化,以活性无关的方式调节突触中AMPA受体的转运.而SAP-97是N端含L27结构域的异构体,它以CaMK活性相关的方式调节突触中AMPA受体的数量.羧基端短尾的亚单位GluR2-GluR3,能与多种含PDZ结构域的蛋白质结合.在胞质内转运受体亚单位的滤泡中GluR2-GluR3就与谷氨酸受体结合蛋白（GRIP）、AMPA受体结合蛋白（ABP）及蛋白激酶C结合蛋白PICK1结合,有助于受体亚单位向突触的转运.GluR2/3羧基端的PDZ结合位点能与N-乙酰马来酰亚胺-敏感的融合蛋白（N-ethylmaleimide-sensitivefusionprotein,NSF）结合.滤泡中的GluR2/3是通过NSF相关的滤胞膜与胞质膜的融合插入到突触的PSD上.在突触表面和细胞质之间形成快速的不受神经活性调节的组成性循环.GRIP及ABP都是带有6个PDZ结构域的蛋白质,其中,3、5、6的PDZ结构域与GluR2/3羧基端的PDZ结合位点结合.GRIP和ABP亦以PDZ结构域互相结合,形成AMPA受体的超分子复合物,通过抑制受体的内吞使它们定位并聚集于突触表面.这种结合受到神经活性的调节,神经活性激活的PKC可使GluR2的PDZ结合位点中Ser880磷酸化而解离与GRIP/ABP的结合,且促进含PDZ结构域的PICK与GluR2的结合,减少AMPA受体的聚集,使受体亚单位GluR2/3内部化,造成长时程抑制（LTD）.同时SNAP（NSF的结合蛋白）与GluR1的结合会使PICK离解,有利于AMPA受体在突触上的稳定.GRIP/ABP与GRIP相关蛋白GRASP-1（一种鸟苷交换因子RasGEF）的结合,有可能通过Ras信号传导来调节AMPA受体的分布.最近,Ju等17利用二砷酸染料与羧基端带有4个半胱氨酸的AMPA受体亚单位（GluR1和GluR2）的结合,在神经活性诱导下,AMPA受体向突触转运时,区别出已存在于胞内的AMPA受体和在突触中新合成的AMPA受体向突触的转运.进一步证实了神经活性的诱导会激活树突中新的受体亚单位的合成,树突内AMPA受体的亚单位和新合成受体的亚单位均向活性突触中转运,这是突触传递效率增强的一个重要原因.2.2调节AMPA受体转运的信号通路GluR1受体亚单位向突触的转运受神经活性的613生物化学与生物物理进展Prog.Biochem.Biophys.2008;35（6）调节,神经活性激活NMDA受体产生内流的Ca2+信号,通过多种信号转导途径调节GluR1受体亚单位的胞吞、胞吐和向突触的迁移.一条重要的通路是内流的Ca2+与CaM结合后,激活结合在NMDA受体NR2B亚单位上的CaMK激酶,活化的CaMK调节RasGEF或RasGAP的活性,从相反的两个方向调节Ras-ERK通路活性,促进AMPA受体迁入突触或内吞18.同时结合了Ca2+的钙调蛋白（Ca2+/CaM）亦可直接激活结合在NMDA受体NR2B亚单位上的RasGEF（RasGRF1）使Ras活化,激活Ras-ERK通路,使AMPA受体的GluR1及GluR1/GluR2亚单位在神经活性的驱动下向突触中迁移1