突触长时程增强形成机制的研究进展.docx

1、突触长时程增强形成机制的研究进展突触长时程增强形成机制的研究进展()许 琳 张均田中国医学科学院、中国协和医科大学药物研究所，北京 100050摘要高等动物脑内突触传递的可塑性是近30年来神经科学研究的热 点。突触传递长时程增强)(lo ng2ter m potentiatio n , L TP是神经元可塑性的反映，其形成主要 与突触后机制有关。过去关于()L TP机制的研究主要集中于N2甲基2D门冬氨酸N MDA受体的特征及该 受体被激活后的细胞内()a级联反应。现认为脑内存在只具有X MDA受体而不具有2氨基瓮甲基 恶醴丙酸AM PA受体的()静寂突触silent synap se”，这一

2、概念的提出，使人们认识到AM PA 受体在L TP表达的突触后机制中的重要作用。关键词长时程增强；N2甲基2D门冬氨酸；海马；2氨基疑甲基恶哇丙 酸学科分类号Q127(Advancement in Mechanisms of Long2Term Potentiation XU Lin , ZHANG J un2Tian I nst i t ute of M ateri a Medi2)ca , Chi nese A cadem y of Medical S ciences & Peki n g U nion Medical Col lege , Beijing 100050Abstract S

3、ynaptic plasticit y in mammalian brain is one of t he most widely st udied topics in neuroscience over t he()last decade . Long2ter m potentiation L TP, mainly involving post2synaptic mechanisms , is a reflection of neural plasticit y. St udy on t he mechanisms of L TP was for merly focused on t he

4、p roperties ofN MDA receptor and t he int ra2 cellular cascade of reaction af ter activation of t he receptor However , t he definition of n silent synap sesv wit h only N MDA receptors wit hout AM PA receptors was f requently referred in L TP st udy , showing t he importance of AM PA receptor in po

5、st2synaptic mechanism of L TP.Key words Long2ter m potentiation ; N MDA ; Hippocamp us ; AM PA()与兴奋性氨基酸受体结合，诱发突触后神经元兴奋突触传递长时程增强LTP作为信息储存的客()()观指标，已在中枢神经系统CN S的多个区域内进产生兴奋性突触后 电位EPSPo兴奋性氨基酸受体分为两类：N MDA受体和非N MDA受体，后者行了广泛研究，对L TP形成机制的探讨也获得了大()包括AM PA受体和海人藻酸Kainic acid , KA受量的实验资料。近年来“，静寂突触”概念的提出，使体。关于L

6、TP形成的突触后机制的研究，过去主要人们对L TP产生的突 触后机制有了新的认识，AM2集中于N MDA受体的特征及该受体被激活后的细PA受体功能和/或数口的 改变可能参与了 L TP表胞内级联反应。即给予一定强度、一定频率的刺激达的突触后机制。后，突触后膜去极化，使位于N MDA受体通道内阻一、L TP的产生机制2+止递质与N MDA受体结合的Mg移开，这样当递1973年Bliss和Lo mo首先发现了突触传递的2 + （质与N MDA受体结合后,通道打开，Ca内流、细）长时程增强 现象 lo ng2ter m potentiatio n , L TP。2 +以一个或儿个频率为10, 20

7、Hz，串长为10,15s或胞内5浓度升高，触 发一系列生化反应，改变膜的性质，导致L TP的产生。非N MDA受体也是化频率为100 Hz，串长为3, 4s的电刺激作为条件刺（学门控性离子通道受体，受体兴奋时离子通道开启激时，继后的单个测试刺 激会引起群峰电位pop u2+ + + （）仅允许Na、K单价阳离子进出，胞外Na内流引latio n spike 和群体兴奋性突触后电位pop ulatio n）起突触后膜去极化，诱发快速的EPSP，参与兴奋性EPSP的振幅增大，群 体峰电位的潜伏期缩短。这突触传递。同时非N MDA受体引起的膜去极化为种易化现象持续的时间可长 达10小时以上。2 +

8、般认为，L TP的形成和维持是突触前和突触移走Mg,激活N MDA受 体创造了条件。近年研究发现，AM PA受体在脑内的分布与N MDA受体后机制的联合作用。脑内 50 %以上的突触是以谷氨酸为递质的兴奋性突触。突触前末梢释放Glu ,很相近，提示了这两种受 体在突触传递的协同关系二、静寂突触的概念C末端作用，形成功能性折叠可与各种跨膜蛋白的在哺乳动物脑内，大部分兴奋性突触传递是由物。一些AM PA受体亚型上存在可与特定的PD Z5AM PA受体和N MDA受体介导的。过去，研究者-蛋白相互作用的位点。由于GluRl和GluR2 一直认为它们共存于单个兴奋性突触 上。1994年，具有不同的C末

9、端，决定了 Glu受体亚型和Glu受Kullmann 首次发现，N MDA受体可持续地与量子化体蛋白作用是亚型特异性的： GluR2与突触蛋白()释放的神经递质结合，结合量远超过AM PA受体与GR IP glutamate recep to r interf acting p rotein N SF)(递质的结合量。这一结果提示AM PA受体和N M2 N2et hylmaleimide2sensitive f usio n p rotein P IC KI1() DA受体可能独立存在于兴奋性突触上。接着在与蛋白激酶C1相互作 用的蛋白以及AM PA受体()()谷氨酸Glu能神经突触，发现神

10、经递质释放的减少结合蛋白AM PA2recep to r2binding p rotein 、 AB P 相6(并不是引起突触后膜对突触前刺激反应性降低的主互作用，而GluRl只 与突触相关蛋白97 synap se22)要原因，膜反应性降低与突触后机制有关。在正associated p rotein97、SA P97相互作用。常的兴奋性突触传递过程中，突触前囊泡释放Glu ,在海马CA1区及其他兴 奋性突触，高频刺激诱作用于突触后膜AM PA受体和N MDA受体。由于导L TP产生，突触后膜去极化，N MDA受体通道开2 + 2 + 2 + N MDA受体上Mg的阻隔，只有AM PA受体可使

11、放，细胞内Ca 持续升高，5与CaM结合激活钙+ + ()单价阳离子Na / K透过，形成内向电流，产生突2钙调蛋白依赖性激酶I I CaM KI I, AM PA受体亚（触反应。部分Glu能神经突触只具有N MDA受体型GluRl磷酸化，AM PA受体从非突触位点细胞）而无AM PA受体，因此在静息水平不产生反应，使内或邻近的突触外膜重 新分布到突触部位。功能得突触反应性降低。这进一步证实了脑中可能存在性 AM PA受体的重现可激活静寂突触，使其转变为部分突触，只具有N MDA 受体而无AM PA受体。功能性突触。同时AM PA受体功能也明显增强， 主我们将只具有N MDA受体，缺乏介导快速

12、兴奋性突要表现为AM PA受体单通 道突触传导增加以及磷（触传递AM PA受体的突触，称为“静寂突触silent酸化位点的增加，这 可对L TP产生时发生的多种生7） synap ses”。大量的电生理和免疫组化研究证实，在理学变化作出神经 生物学解释。（）二AM PA受体对突触可塑性和稳定性的调成年大鼠海马部位有9 %, 14 %的突触只具有N M2DA受体而缺乏AM PA受体。中枢神经系统中能产节静寂突触的转化与L TP形成的易化同时发生，8生N MDA受体依赖性L TP的Glu能神经突触均存表明静寂突触的 转化可能是L TP表达的机制。在静寂突触，主要包括海马CA1区、 齿状回、视皮层A

13、M PA受体通过与膜蛋白的相互作用，调节突触的3和脊髓。可塑性和稳定性。目前尚未证实L TP与神经元回路重建有关，但突触后位点也存在N SF蛋白与AM PA受体9静寂突触具有N MDA受体，突触后N MDA受体的GluR2亚型C2末端 的相互作用。破坏这种相互激活是诱导L TP的必须条件，因此理论上 讲，静寂作用的肽的表达，可引起膜表面AM PA受体分布密突触与度降低以及 影响L TP的诱导密切相关。AM PA受体在突触后膜上的插入或移出。AM PA受体通过胞饮和胞吐作用在细胞三、AMPA受体 在L TP中的作用近年来研究揭示L TP的表达与AM PA受体的质和细胞膜表面循环。当存在兴奋性突触

14、后电流选择性修饰有关。实验发现，L TP的 产生可引起时，海马CA1区锥体细胞的胞饮和胞吐作用受到破坏。阻断突触后胞吐作用，可导致非激活依赖性AM PA受 体与递质的结合量增加，表明L TP的表达可能与AM PA受体在静寂突触上的再现有关。AM PA受体介导的突触反应性 下降，而N MDA受()AM PA受体是由体介导的反应却不受影响，说明这些改变不能引起一AM PA受体的特性GluRl, GluR4四个亚型组成的复合物，每个复合非特定突触功能的衰 退。相反，阻断胞饮作用，可增物包括4,5个亚型。在成年大鼠海马兴奋性神经加AM PA受体介导的突触反应，推测是由于AM PA10元细胞，大多数AM

15、 PA受体由GluR12GluR2或受体持续插入突触 胞质膜上引起的。此外在神4GluR32GluR4复合体组成。研究发现突触膜上经元内注射抗2NSF抗体，阻断膜融合，可引起神经()AM PA受体的迁移和定位通过受体的胞内C末端传导迅速下降下降30%, 50 %o在GluR2基因和大量胞质蛋口的相互作用来控制。这些胞质蛋白缺 陷大鼠，因缺乏GluR2引起传导下降与上述作用()均含有PD ZPSD95 ,DL G , Z021结构域，此结构域是一致的。有实验报 道，这种肽的表达可选择性引2 +起AM PA受体介导的突触反应频率下降而不影响和新皮层突触后神经元 密度最高。Ca通过 M反应强度。这些

16、结果提示：在L TP产生过程中，静 DA受体通道进入细胞内，迅速激活CaM KI I，使苏寂突触向功能性突触的转变 可能是细胞内N SF依()氨酸Thr286自身磷酸化，从而使得CaM KI I转位15赖性AM PA受体经胞吐外排，再重新插入细胞膜上于PSD64。Thr286自 身磷酸化后，CaM KI I的活2 +产生的。与此相比，GluRl基因敲除大鼠表现出正性不再依赖于CaM , 当Ca浓度下降至基准水平常的传导功能，但缺乏L TP的诱导。后，其活性 仍能维持较长一段时间。在持续激活状将GluRl/ 4与GluR2/ 3受体亚型分开来建立态,CaM KI I可直接 磷酸化AM PA受体G

17、luRl亚型亚型特定性模型进行研究，证明AM PA受体通过 两()丝氨酸残基Ser831或Ser845。AM PA受体尤其(条独立的调节机制：构成性通路co nst ructive pat h2是GluRl亚型 的磷酸化，可增强AM PA受体介导的16 ( ) ) way和维持性通路maintenance pat hway,插入和单通道传导的增 强。此外，AM PA受体介导的移出突触。构成性通路处于非激活状态时，没有 突单通道传导增强也可在L TP诱导之后产生。这提触可塑性形成。一旦激 活，迅速产生瞬间兴奋。维示L TP可能是通过CaM KI I介导AM PA受 体持性通路则始终处于激活状态，

18、维持受体的转化。GluRl亚型 磷酸化而产生的。因此前者有助于记忆的形成而后者有助于记忆的巩四、L TP 与学习、记忆的关系固。通过活性依赖性构成性通路，受体插入突触后L TP具 有时程长和联合的性质，因此不少学者膜引起AM PA受体数目增加，这个过程是 由一个或把L TP与学习和记忆联系起来，认为它是研究学儿 个突触受体数改变导致的“瞬时激发”而引起。习、记忆的分子模型，并试 图用实验来证明它们之间17相反，维持性通路是突触后膜上已存在受体的重分（）的关系。口前， 大量的实验研究已经证明：1改布，这个过程中受体数tl不增加也不减少，但会 维持（）变突触可塑性形成机制，可影响学习与记忆；2在1

19、1已有的结构和信 息。（）学习记忆的相关脑区可见突触可塑性的形成；3在AM PA受体亚型的组成，决定了突触上AM PA特定环境中，诱导或增强突触可 塑性，同样可促进或受体的插入或移出方式。含有GluRl亚型的受体易 化学习与记忆。18依黑构成性通路在突触上分布。GluRl基因敲除大Tho mas在海马突触可 塑性与年龄相关的记鼠不能诱导产生L TP。L TP诱导之后可检测到重忆下降的关系研究中指出， 易化L TP的诱导，或降新组合的GluRl亚型的重分布，而GluRl亚型C -低 诱导L TP的阈值，可改善老年鼠的记忆能力；而末端的突变，使其不 能与PD Z结构域蛋白相互作阻断L TP的诱导，

20、可直接影响海马依赖 性学习行为12用，从而阻止GluRl重分布。的获得。空间记忆的储存通常是 通过N MDA受体因此，构成性通路和维持性通路的相互作用是的激活，脑室内注射N MDA受 体的竞争性拮抗剂可突触持续调节和自我维持机制的关键。阻断齿状回兴奋性 突触L TP的产生，和损伤大鼠在（）三形态学改变和L TP的信号转导突触后Mo rris水迷宫中空间记忆 的 学习。N MDA受体的细胞膜形态学的改变与突触效能增强密切相关。高表达可增强海马介导的学习过程。AM PA受体插入明显增强突触 效能，引起突触后致然而突触可塑性与学习和记忆的关系还远未搞0密物po st synap tic densit

21、ies , PSD结构 改变。应用 清楚。 Daniel在GluRl亚型缺陷大鼠的研究中发19免疫金标记研究证实，大的PSDs含有高表达AM2现:L TP的诱导受到抑 制，但空间学习和记忆能PA受体。PSD有内质网结构，因而具有细 胞膜合力表现正常；或者海马神经元细胞电位虽有大幅度2 +成、Ca内储的 释放作用，且这些作用都需要AM2增加，但学习和记忆过程却受到损害。对前者 可能PA受体的转运来介导。L TP的诱导是通过突触后的解释是海马外结构参 与了学习和记忆过程，或者2 +细胞内Ca浓度的升高以及各种信号级联反应的 是N MDA受体介导的L TP的诱导受到损害，而激活而形成的。级 联反应激

22、活树突棘上肌动蛋白，AM PA受体介导的L TP的诱导未受影响，仍能 发生2 +促进胞饮和胞吐作用介导的突触后膜受体的插入或Ca内流，激活信号转 导通路，从而获得学习能力13移出，以及由此产生的受体功能改 变。在L TP后者则表明促进突触传递不一定产生良好的学习行14产生的分 子机制中，CaM KI I是关键因素。为，突触传递的增加可能是由兴奋性 回路增加引起CaM KI I是脑内含量比较丰富的蛋白激酶，以海马的，而兴奋性 回路的增加会破坏学习和记忆能力。8Miguel M , Yuki ko Goda . No madic AM PA recep tors and 五、结语 与展望L TP.

23、 Neuro n , 1999 , 23t431, 434 .以上研究解释了静寂突触在L TP诱导和表达L uscher C , Xia H , Beat tie EC. Role of AM PA recep tor cy2 9 中可 能的分子机制。L TP的诱导、表达和维持是一 cling in synap tic t ransmissio n and plasticity. Neuro n , 1999 ,个连续的过程，兴奋性突触 上N MDA受体和AM2 24649, 658 . t PA受体的协同作用是产生L TP的关键因 素。N M210 Nishimune A , Isaac J

24、 T , Henley J M , et al . N SF binding DA受体的激活，引起突触长期可塑性变化是诱导to GluR2 regulates synap tic t ranmissio n and plasticity. L TP的必须条件，AM PA受体在静寂突触 上的重分 Neuro n , 1998 , 21t87, 97 .布，以及AM PA受体功能和/或数LI的改变可能参11 Malinow R , Mainen ZF , Hayashi Y. L TP mechanisms :与了突触可塑性和稳定性的调节。f ro m silence to four - lane

25、 t raffic. Curr opin Neurobiol ,2000 , 10352, 357 . t21世纪是脑科学研究的世纪。通过实验技术12 Zamanillo D , Sp rengel R , Hvalby 0 , et al . Importance of 的不 断发展与进步，人们将对突触和受体动力学及AM PA recep tors for hippocampal synap tic plasticity but 受体活性调 节之间的关系做更深入的研究。这样无not for spatial learning. Science , 1999 , 2841805, 1811 .

26、t 论是对脑 本质的认识，还是对改善脑功能、发挥脑潜13 L uscher C , Nicoll RA , Malenka RC , et al . Synap tic plas2 力，都会产生深远的影响。ticit y and dynamic modulatio n of t he post synap tic mem2brane. Nat Neurosci , 2000 , 3t545, 550 .参考文献Soderling TR , Der kach VA. Post synap tic p rotein p hos2 14 1Isaac J T , Nicoll RA , Malenk

27、a RC. Silent glutamatergic p horylatio n and L TP. Trends Nerurosci , 2000 , 2375 , tsynap ses in t he mammalian brain. Can J Physiol Pharma2 80 col , 1999 , 77735, 737 tShen K , Meyer T Dynamic co nt rol of CaM KI I t ransloca2 15 2 Rumpel S , Hat t H , Got t mann K Silent synap ses in t he de2 tio

28、 n and localizatio n in hippocampal neuro ns by NMDA re2 veloping rat visual cortex : evdience for post synap tic exp res2 cep tor stimulatio n. Science , 1999 , 284tl62, 166 sio n of synap tic plasticity J Neurosci , 1998 , 188863 , tBenke TA , L ut hi A , Isaac J T , et a1 Modulatio n of AM2 16 88

29、74 PA recep tor unitary co nductance by synap tic activity Na2 Isaac J T , Nicoll RA , Malenka RC Evidence for silent 3 t ure , 1998 , 393t793, 797 synap ses : implicatio ns for t he exp ressio n of L TP Neuro n , Ype E , Alcino J S Molecular mechanisms of synap tic plas2 17 1995 , 15427, 434 t tici

30、t y and memory Curr Opin Neurobiol , 1999 , 9t209 , 4 Went hold RJ , Pet ralia RS , Blahos J I I , et al Evidence for 213 multiple AM PA recep tor co mplexes in hippocampal CAI/ Tho mas CF Involvement of hippocampal synap tic plastici2 18 CA2 neuro ns. J Neurosci , 1996 ,161982,1989 t 2related memor

31、y decline t y in ageBrain Res Rev , 1999 , Kim J H , Huganir RL Organizatio n and regulatio n of p ro5 2 30t236,249 teins at synap ses Curr Opin Cell Biol , 1999 , llt24& 254 019 Daniel Z , Rolf S , ivind H , et a1 Importance of AM PA6 Nishimune A , Isacc J T , Molnar E , et a1 N SF binding to recep

32、 tors for hippocampal synap tic plasticity but not for GluR2 regulates synap tic t ransmissio n. Neuro n , 1998 , spatial learning Science , 1999 , 28411805, 1811 21t87,97 .20 梅镇彤若干有 关学习和记忆神经机制问题的讨论生7 Isaac J T , Crair MC , Nicoll RA , et al. Silent synapses during 理科学进展，1996 , 24t27& 280 . develop ment of t halamocortical inp ut s. Neuro n , 1997 ,18t269,280 .Akt2基因与糖尿病研究发现，缺乏蛋口质Akt 2基因的大鼠对胰岛素有抵抗性，并且表现出类 似于人类？型糖尿病综合症 的