NMDA受体概述及其在学习记忆中的作用.docx

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NMDA受体概述及其在学习记忆中的作用

NMDA受体概述及其在学习记忆中的作用

柯珂1,乔琰1,王俊2

【摘要】摘要:

NMDA受体是由多亚基构成的异聚体,是最重要的谷氨酸受体之一,主要分布在中枢系统中。

NMDA受体有多个调节位点,能被谷氨酸、甘氨酸、Ca2+、酶等多种因素影响。

NMDA受体介导的Ca2+内流广泛地参与多种生理作用,其引发的长时程增强作用而对学习记忆有极其重要的作用。

【期刊名称】广西科学院学报

【年（卷）,期】2011（027）001

【总页数】6

【关键词】关键词:

NMDA受体学习记忆长时程增强

谷氨酸是神经中枢系统中最重要的兴奋性递质之一,其受体主要分为离子型受体（iGluRs）和代谢型受体（mGluRs）。

NMDA受体（N-methyl-D-aspartatereceptor）作为离子型受体的一种,在中枢神经系统中广泛参与学习记忆、突触可塑性、神经发育、缺血性脑损伤、神经退行性变、癫痫等许多重要的生理病理过程。

本文阐述NMDA受体组成结构、分布、调节情况,以及该受体在学习记忆中的作用。

1NMDA受体概述

NMDA受体是兴奋性氨基酸（EAAs）的特异性受体,与AMPA（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolpropionate）亚型、KA（kainitereceptors）亚型一起组成离子型谷氨酸受体家族。

NMDA受体是一种具有许多不同变构调控位点并对Ca2+高度通透的配体门控离子通道。

比较特别的是,NMDA受体通道开放所引起的Ca2+内流既是配体门控性的,又是电压依赖性的。

静息状态下Mg2+结合在通道内,阻止Ca2+内流;当受体一旦被激活,其受体蛋白构象改变,离子通道开放,阳离子如K+、Na+、Ca2+可进出细胞,使细胞膜去极化和神经元兴奋。

NMDA受体可调节神经元的存活,树突、轴突结构发育及突触可塑性,可影响神经元回路的形成及学习、记忆过程。

1.1NMDA受体组成及结构

NMDA受体是由多亚基构成的异聚体,目前已从大鼠脑克隆鉴定了7种NMDA受体亚基:

NR1、NR2A、NR2B、NR2C、NR2D、NR3A（NR3s）、NR3B（NR3l）。

其中NR1最为重要,是该受体的功能单位。

1991年,Moriyoshi[1]从大鼠脑中成功克隆出NMDA受体cDNA,其编码的肽链命名为NMDA受体亚基1型（NR1）,包括938个氨基酸,总长度为4213bp,且在大脑中广泛分布。

肽链上存在3个特殊片匣结构,一个在N端,两个在C端。

在表达过程中由于基因的选择性表达和剪接可以产生8种异构体,它们表达与分布具有组织特异性,受体特性也不同。

NR1亚基是组成有功能的NMDA受体通道的必需成分[2],具有NMDA受体的一切药理学和电生理学特征。

人与大鼠的NR1的氨基酸序列有99%的同源,仅有7个氨基酸不同。

这种进化上高度的保守性提示NR1基因对于生物是非常重要的[3]。

NR2家族有4种亚基:

NR2A、NR2B、NR2C、NR2D,其蛋白质分别由1445、1456、1220（或1218）、1296个氨基酸组成,分子量分别为163kd、163kd、134kd、141kd[4]。

它们具有很高的同源性:

NR2A与NR2C有55%同源,NR2A与R2B有70%同源,但NR2A与NR1的同源性仅有18%。

NR2与NR1具有相同的基本结构和谷氨酸门控离子通道,它们的不同之处在于NR2亚基具有较大的细胞内C-末端结构域、更多的600个氨基酸以及含有分散的保守序列区域。

NR2B的cDNA分析表明了细胞外的NH2-末端信号肽以及4个跨膜区域（M1～M4）的存在[5]。

1998年,Das[6]发现chi-1和NR1、NR2在脑皮层提取物中免疫共沉淀,并证实了chi-1是NMDA受体新的亚型,命名为NR3A。

同年,LixinSun等[7]报道NR3可能有两种类型:

长型NR3（NR3l）和短型NR3（NR3s）;之前发现的NR3A是NR3s,而NR3l是在NR3s的胞内功能区-C端的3007核苷酸位点上插入了一段60bp长的片段。

NR3B的多肽序列含有1002个氨基酸,相应的分子量为109kd。

人体基因的分析数据显示人的NR3B基因位于19号染色体上,BLAST研究表明不会有更远的基因序列与NMDA受体亚基同源,因此,NR3B很可能是NMDA受体家族中的最后一个成员。

NR3A、NR3B具有高度的序列同源性（47%）,而与NR1、NR2亚家族仅有17%～21%的同源性。

NR3B高度保留了NMDA受体家族的主要结构特征,包括S1、S2兴奋剂的结合区域和膜孔区域。

然而,在与离子通道相关的M2区域,NM3B明显与NR1、NR2不同,而与NR3A相似,这些特征表示NR3亚基可能具有以前所不知道的配体结合点和通道门控特征[8]。

NR3不单独形成功能性受体,但是可以与NR1/NR2复合物结合,是具有调节功能的亚基。

NR3能降低NR异聚体对Ca2+的通透性,使通道的电流减少,从而产生清晰的单通道信号。

有功能的NMDA受体必须是NR1亚基与一种NR2或NR3亚基形成的复合物[2]。

NMDA受体介导的兴奋性突触后电位的持续时间和NMDA受体对谷氨酸的亲和力都受到NR2的显著影响。

1.2NMDA受体的分布

NMDA受体主要分布在中枢系统中,如大脑、脊髓;NMDA受体在外周也有分布,如NR3B主要在运动神经元处表达,而外周NMDA受体在面部肌肉痛感以及水肿形成中起到了很重要的作用[9]。

NR1亚基在大脑中分布广泛,其表达一直贯穿于脑的整个发育阶段,且伴随着发育海马区NR1的表达有上调的趋势,至出生后3周达高峰,此后逐渐下降[10]。

NR2家族在中枢神经系统中的分布则具有组织区域特异性,且随着中枢神经系统尤其是脑的发育而变化。

原位杂交显示,NR2亚基mRNA的表达随着脑的发育有显著差别[11]:

新生脑中构成NMDA受体的NR2家族绝大部分是NR2B、NR2D亚基,NR2B存在于大多数的脑区,NR2D在间脑和脑干中有表达。

但是随着脑的发育成熟,这种绝对优势会被NR2A所代替,NR2A在大多数脑区中都有表达,NR2C出现较迟,在小脑中有大量表达。

出生后4天的大鼠的皮层NR2B的表达达到成年水平的55%,到第14天达到最高水平,为成年的149%,之后逐渐下降至成年水平[12]。

而在小脑,NR2B的表达在出生后急剧下降,出生3周后几乎全被NR2C代替。

在光镜下,成年大鼠NR2B在海马分布最多,主要分布于CA1、CA3的锥体细胞及齿状回,其次是大脑皮质,主要位于Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ层锥体细胞[13]。

在脊髓胶状质层亦有NR2B的表达[14]。

人胚脑皮层NR2B蛋白的表达情况与大鼠相似[15]。

此外,有研究报道,NR1、NR2A在视网膜也有表达,且集中在视网膜的内侧,即节细胞层、内从状层、内颗粒层;NR1分布稍靠外侧[16]。

NR3的两个亚基在大脑中也有分布,其中NR3A分布较NR3B广泛。

从免疫细胞化学中分析得出,NR3B主要在运动神经元处表达[8]。

1.3NMDA受体的调节

功能性NMDA受体离子通道的开放,可以引起Ca2+、K+、Na+通透性的亢进,产生兴奋性突触后电位,进而引起一系列生理、生化变化。

NMDA受体复合物的功能可以受到多种分子的调节。

谷氨酸是NMDA受体经典的激动剂,它作用于NMDA受体识别部位,使细胞膜去极化,离子通道开放。

甘氨酸能大大增强谷氨酸作用于NMDA受体后所产生的效应,且不被士的宁（甘氨酸竞争性拮抗剂）所阻断。

甘氨酸能增加谷氨酸与其识别位点的亲和力,使通道开放频率增加4～6倍,增大NMDA受体介导的EPSP,解除Mg2+的紧张性阻断效应,以及减弱NMDA的失敏现象。

甘氨酸可以看作是NMDA受体/通道复合体的正性变构调制物。

研究表明NMDA受体被谷氨酸激活前,甘氨酸的结合是绝对需要的,其结合位点与谷氨酸等的结合位点很接近。

另外,多聚胺可增强谷氨酸对NMDA受体的作用[17]。

需要注意的是,在非洲爪蟾卵母细胞的共表达中,NR3A或NR3B与NR1形成的兴奋性甘氨酸受体不会被氨基酸或NMDA所影响,而会被D-丝氨酸——一种常见的NMDA受体的协同活化剂阻断。

此外,NR1/NR3A或NR1/NR3B在含有NR3家族成员的大脑皮层的神经细胞中,甘氨酸可以引起活性的突然爆发,而且膜片钳也显示甘氨酸相关的简单通道可被D-丝氨酸抑制[8]。

NMDA受体也具有电压敏感性,会受到膜电位的调控。

在约-70mV的静息态的膜蛋白条件下,NMDA受体离子通道会被Mg2+阻断,这时即使谷氨酸和甘氨酸结合到NMDA受体,Mg2+也会阻断离子的流出。

Mg2+的阻断作用可被细胞膜的去极化作用消除。

这就是说,NMDA受体只能在两个条件均满足的情况下允许Ca2+进入细胞内:

受体必须被配体活化,以及神经细胞必须去极化。

一个很重要的方面是,即使在-50mV的很轻微的细胞膜去极化条件下,Mg2+的阻断作用也会被减轻[18]。

需要注意的是,在Mg2+浓度很低的情况下,存在不依赖于镁的阻断机制,这可能是由于通道构象的改变引起的[19]。

Zn2+是NMDA受体与其激动剂结合的强烈抑制剂,它能显著降低谷氨酸的结合,通过克隆NMDAR亚基,证实了这种抑制作用既有电压依赖性又有非电压依赖性[20]。

NMDA受体的拮抗剂可以分为非竞争性拮抗剂和竞争性拮抗剂。

其中,非竞争性NMDA受体拮抗剂结合于NMDA受体通道中的PCP结合部位,从而抑制离子通道,如MK-801、TCP、PCP、DM、氯氨酮等;竞争性拮抗剂则结合于谷氨酸结合部位,如AP5、CPP、CGP37849、CGP39511等。

此外,酒精对NMDA受体也具有拮抗作用,能非竞争性拮抗NMDA对NMDA受体的激动,且酒精的拮抗作用具有区域特异性,如在黑质网状部、腹侧被盖核、深中脑核和红核,酒精仅能抑制部分神经元对NMDA的反应;而在海马则能抑制所有神经元对NMDA的反应。

NMDA受体的亚基组成决定酒精的作用效果。

将NMDA受体的各亚基经重组后发现,NR2B在酒精的作用中起着非常重要的作用,而NR2C和NR2D对酒精不敏感[21]。

2NMDA受体在学习记忆中的作用

海马是哺乳动物前脑的位于边缘系统的一个部分,海马结构受损,动物将失去把各种刺激信息留下的短时记忆转为长时记忆的功能。

海马结构中的神经元突触上存在大量的NMDA受体,因此NMDA受体被认为是学习记忆中的关键物质。

大量的动物实验研究表明,NMDA受体在短暂记忆,空间记忆以及被动回避记忆中均有重要的作用。

2.1NMDA受体对LTP的影响

长时程增强（LTP）是一种突出可塑性的形式,是学习和记忆的细胞基础。

神经电生理学研究表明,大脑海马LTP是记忆形成和巩固过程中神经元活动的客观指标。

海马发育早期,谷氨酸能神经元内的NMDA受体参与了LTP的建立,一定强度和频率的电刺激,可使谷氨酸能突触的后膜去极化,移除阻碍Ca2+内流的Mg2+,使NMDA受体通道复合体的Ca2+通道开放,Ca2+内流并触发神经元内一系列生化反应,最终改变突触后膜的性质,建立LTP。

LTP形成后又可以促进NR2B受体的表达。

需要指出的是,虽然大多数脑区内,LTP的产生需要NMDA受体的参与,但在海马脑区内存在两种截然不同的LTP:

依赖于NMDA受体的和不依赖于NMDA受体的。

依赖于NMDA受体的LTP诱导主要在海马CA1区的舍费尔旁路突触（Schaffercollateralcommissuralsynapses）,其产生需要经过该受体流入的突触后神经元游离钙的增加;而在海马CA3区的苔藓纤维（mossyfibres）突触,即在该突触的终止带,NMDA受体的结合活性很弱,LTP的诱导不需要NMDA受体的激活,其突触后Ca2+的升高并非经NMDA受体通道,而是经电压依赖的Ca2+通道（VDCC）或代谢型谷氨酸受体或Ca2+通透的非NMDA受体,并且该LTP的诱导并不依赖于突触后Ca2+的升高,而是与突触前Ca2+升高有关,即LTP发生在突触前神经元[22]。

LTP的损害也与一些神经退行性疾病紧密相关。

2.2NMDA受体的各亚基在学习记忆中的作用

NR1亚基是NMDA受体的功能单位,是该受体通道的必需部分,它的表达量代表了NMDA受体的总量。

因此NR1亚基与学习记忆密切相关。

Nakazawa等[23]研究发现,海马CA3区锥体细胞NMDA受体NR1亚基基因敲除的小鼠能正常的获取初始记忆,但产生联想回忆的能力被严重削弱,从而证明NMDA受体在通过联想唤起记忆的过程中有重要作用。

此外,通过对空间学习能力的研究发现,空间学习能力强的大鼠海马NR1亚基蛋白的含量比空间学习能力弱的大鼠高45.4%[24]。

NR2是NMDA调节性亚基,其中NR2A和NR2B对突触可塑性有影响。

NR2A的C-末端敲除后小鼠可以存活,但出现突触可塑性和学习记忆的障碍[25]。

NR2A基因缺失导致小鼠眼睑条件反射损害,学习能力降低;NR2A的定点突变（F637A）,甚至可以使其组成的NMDA受体无功

能[26]。

近年来对NR2B基因功能的研究发展迅速;有研究表明,老年大鼠较青年大鼠脑内NR2B的mRNA和蛋白质均明显减少,而NR2A、AMPAR等的表达未见减少,提示老年大鼠的学习记忆出现障碍、LTP受损与NR2B的表达减少有关[27]。

通过观察复方中药脑尔康对慢性铝中毒的阿尔茨海默症（AD）模型小鼠脑内NR2B蛋白表达的影响发现,该药可能是通过NR2B亚基的保护作用而发挥抗痴呆作用[28]。

现在所知的聪明鼠,是通过基因工程技术在小鼠胚胎内定向导入NR2B后培养而成的;由于NR2B亚基构成的受体的Ca2+通过量大于由NR2A构成的受体,转基因小鼠前脑处的NR2B的超量表达可以加强NMDA受体的激活作用,有利于LTP的形成,从而加强小鼠学习和记忆的能力。

与NR2B亚基不同,超量表达NR2D的转基因小鼠对NMDA依赖型LTP具有很明显的削弱作用。

NR2D的超量表达被认为与NR2B和Ca2+-Ca2+独立活性（independentactivityofCa2+）-钙调蛋白-依赖性蛋白激酶的减少有关[29]。

但随着年龄的增长,NR2B所占比例急剧减少,NR2A增加,这可能就是幼年动物LTP程度较高,而随着年龄增长,学习和记忆力逐渐衰退的原因。

行为学检测也发现,NR2B表达增强可使长时程记忆增强,同时提高小鼠在空间和非空间的学习和记忆能力。

NR2C和NR2D组成的NMDA受体通道与谷氨酸等激动剂的亲和力较弱,对MK-801和Mg2+的阻断反应较低。

NR2D基因敲除小鼠表现为3HMK-801（NMDA受体活性的特异性指标）结合力下降,经NMDA受体的Ca2+摄取减少,对新环境自发运动能力降低,对复杂迷宫、被动游泳试验等应激性降低[26]。

当NMDA受体在AMPA受体缺乏而功能性沉默时,NR3在突触形成和LTP方面可能具有非常重要的生理作用。

在这种情况下,含有NR3的通道对Mg2+的不敏感可能消除了AMPA受体介导的去极化作用。

同时,NR1/NR3介导的去极化对普通的NMDA受体在突触具有激活作用[8]。

NMDA受体活性过低则可命名发育延迟,活性过高又可能产生神经元损伤或脑损伤,因此,正常神经系统发育需要NMDA受体活性处于最佳水平。

2.3其它因素对学习记忆的影响

这里讨论的主要是通过影响NMDA受体,进而对学习记忆造成的影响。

NMDA受体中含Zn2+结合位点。

有实验证实,缺锌会显著降低脑中游离谷氨酸、牛磺酸、苏氨酸、丝氨酸、丙氨酸、半胱氨酸、精氨酸的含量,同时使海马中NMDA受体的最大结合力降低。

此结果可能与缺锌降低大鼠学习记忆功能有关[30]。

中枢组胺能改善NMDA受体拮抗剂MK-801诱发的空间学习障碍,且组胺能通过H1受体剂量依赖促进海马谷氨酸的释放。

这与中枢组胺能改善记忆的作用相一致[31]。

通过对观察去卵巢（OVX）成年雌鼠的认知功能、脑内神经生化学改变及补充雌激素的影响的研究发现,OVX组大鼠的学习记忆能力明显下降,大脑皮层胆碱能M受体和NMDA受体结合活性明显降低而单胺氧化酶B（MAO-B）活性增加。

经补充苯甲酸雌二醇（EB）或植物雌激素NH19966周后,其学习记忆明显改善,推测雌激素和NH1996可通过影响中枢胆碱能,谷氨酸能和单胺能神经系统的功能参与学习记忆的调节过程[32]。

在听觉的学习与记忆细胞机制的研究中发现,NMDA受体参与了该过程中的突触变化。

在WeiSun等[33]的研究中,随着大鼠的听觉辨别能力的提高,NMDA受体2A和2B的基因表达显著降低,而Arc基因（一种参与记忆巩固过程的即刻早期基因）表达上调。

另外,噪音可刺激AD模型大鼠海马NMDAR1亚基表达,且不在mRNA水平,这可能与NMDAR亚基蛋白合成过程的复杂调控过程有关[34]。

有研究表明,在急性缺氧条件下,大鼠的学习记忆会受到损害[35]。

其原因可能是缺氧状态一方面会使大鼠脑内兴奋性氨基酸浓度升高,引起NMDA受体的大量表达,通过NMDA受体介导的兴奋性氨基酸神经毒作用使神经元死亡;另一方面,又由于氧的缺乏,能量供应不足,进而影响蛋白质的合成。

同时,长期高原低氧环境下NMDA受体的下调可能会引起生长抑素mRNA表达的改变。

脑缺血对学习记忆也有较大的影响。

缺血急性期,NMDA的早期表达增高介导了兴奋毒性作用;缺血后期,NMDA的mRNA表达降低[36],这可能是缺血对学习记忆损害的原因。

3结束语

NMDA受体与大脑的学习记忆功能密切相关,多种影响NMDA受体活性的因素均会对学习记忆产生影响。

通过对NMDA受体的作用治疗学习记忆衰退相关疾病（如血管性痴呆、老年痴呆、阿尔茨海默症等）的研究是当今的热点,但是其具体的分子机制还有待探讨,因此,对NMDA受体的深入研究将有助于我们进一步了解疾病的发病机制,进而能够利用基因和药理学手段预防和治疗此类疾病,以及探讨随着年龄增长,学习和记忆力逐渐衰退的原因。

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