2023年7月18日发(作者：)

AMPA的结构功能及研究进展

摘要：AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionic acid)受体是离子型谷氨酸受体中重要的一类亚型, 在中枢神经系统内主要介导快速的兴奋性突触传。其在在中枢神经系统的信号传导、 神经发育以及突触的可塑性等方面有重要的影响。AMPA受体在突触后膜的动态表达与长时程增强、长时程抑制的诱发和维持有关，参与调节学习记忆活动。

关键词：谷氨酸受体，AMPA，突触可塑性

引言：谷氨酸是有脊椎动物中枢神经系统中重要的兴奋性神经递质。除了作为一种兴奋性氨基酸产生作用以外，作为学习和记忆的分子底物，谷氨酸在神经元的长时程增前中也起到一定的作用。[1]谷氨酸主要受AMPA、NMDA、KA三种离子型谷氨酸受体调节， AMPA、NMDA、KA谷氨酸受体与突触前膜末端释放的谷氨酸结合引起突触后膜的去极化。三种谷氨酸受体在与谷氨酸结合后各有着独特的作用。[2]其中，AMPA 受体主要在中枢神经系统的信号传导、 神经发育以及突触的可塑性等方面有重要的影响。[3]研究表明，学习可引起谷氨酸型突触长久的突触增强。这种可塑性的变化对记忆和学习的维持是必须的，并且与突触中AMPA谷氨酸受体在膜表面的运输与磷酸化有有关。，而AMPA受体的运输和磷酸化主要由组成AMPA的亚基构成所决定。[34]

受体的结构与功能

1.1AMPA受体的结构 AMPA受体最早由Tage Honore博士发现。通过实验证明AMPA需要与老鼠脑膜上的特定位点结合才能发生作用。[5] AMPA受体是由GluR1-4（GluRA-D）四个不同亚基组成的四聚体，其形成起始于粗面内质网各个亚基的合成。海马神经元中大量内化的AMPA受体含有GluR1亚基，成年海马AMPA受体主要由GluR1和GluR2或GluR2和GluR3所组成的异聚体构成， 而GluR2和GluR4组成的受体只存在于幼年海马和其他成熟脑区。[6]每个亚基都有 1个大的 N端、 3个跨膜区域、 1个形成孔的发夹结构和1个位于胞质侧的 C端，亚基中的C基末端对AMPA受体功能的调节有着重要的作用。[2]

1.2AMPA受体的磷酸化作用 蛋白质磷酸化在神经元的功能调节中有着很重要的作用，它存在与大多数的类型细胞中。通过操纵神经细胞中蛋白激酶的活性、分析在AMPA受体和兴奋性突触传递中结果的改变，对蛋白质的磷酸化在AMPA受体谷氨酸调节功能中的作用有了初步的了解。[7] AMPA受体的磷酸化的主要蛋白激酶有PKA、PKC、CaMKII，这些蛋白激酶通过与AMPA受体亚基上的的位点结合进而产生磷酸化的作用。AMPA受体各亚基最主要的磷酸化位点分别是：GluR1C末端的Ser-831和Ser-845位点；GluR2C 末端的Ser-863和Ser-880位点；GluR4C末端的Ser-830和Ser-842位点。[8]这些位点都在各亚基的C基末端，由此可见，亚基C基末端结构域在AMPA受体磷酸化的过程中起着重要的作用。AMPA受体功能磷酸化依赖性的改变在突触可塑性活性依赖性形态中有着重要的作用，例如突触的长时程增强和长时程抑制。

1.3AMPA受体的调节因子 AMPA受体进入突触后，需要被固定或锚定于突触膜上才能发挥其功能，目前研究表明介导这一过程的主要反应蛋白有谷氨酸受体反应蛋白（GRIP）、AMPA受体结合蛋白（ABP）和N-乙基马来酰亚胺敏感因子 （NSF）。GluR2和GluR3的胞质侧C端非常相似，都能和GRIP和ABP紧密结合。GRIP和ABP存在于突触膜和胞内斑点样内涵体，二者的C端都可以和6或7个PDZ区结合，分别在海马神经元和培养的海马脑片上表达不能和GRIPABP结合的突变GluR2，都发现野生型GluR2在突触膜表达水平明显高于突变的GluR2， 这说明GluR2和GRIPABP的结合[9]

NSF在胞膜融合过程中发挥重要作用，能维持AMPA受体的表达。GluR2的胞质侧C端可以结合NSF。在培养的海马CA1区锥体神经元加入可以干扰NSF-GluR2反应的肽类物，引起突触电流的快速减小，而在敲除GluR2的动物则没有如此现象，延长此类肽类物的作用时间可以减少AMPA受体的膜表面表达、减小神经元对AMPA的反应和降低50%的突触传递 。这些都说明了NSF-GluR2 反应对某些AMPA受体的突触表达是必需的。观察不和NSF结合的突变GluR2的行为，结果发现，在培养海马脑片上所表达的突变GluR2不能到达突触膜，而野生型GluR2则可以到达，从而进一步证明，NSF-GluR2反应对于AMPA受体被运送至突触以及通过抵制胞吞而稳定其表达是必需的。另外，NSF也可以阻断AMPA受体从突触膜离开。[10]

受体的离子通道

2.1谷氨酸离子通道的概念 谷氨酸离子通道主要介导大部分的中枢神经系统突触的兴奋性反应，通过多重高解析度晶体图像证明它们是唯一的配体门控离子通道。在对其配体结构域晶体图像基础上的所进行的机械研究获得了更为主要的信息，包括对各种特殊现象的解释。包括特异性亚基激动剂选择性的基础；受体失敏和变构调节的机制；及部分激动剂活性的机制。而多种证据表明，AMPA受体可以结合一些调节活性及运输的辅助型亚基。这些都表明了谷氨酸受体配体门控离子通道与电压门控通道有着截然不同的特性。[11]

2.2离子通道的激活 谷氨酸配体门控离子通道与谷氨酸神经递质结合后被激活。激活物首先打开阳离子通透性通道，然后将突出前膜释放谷氨酸产生的化学信号转换为电信号导致突触后膜的去极化。[12]谷氨酸受体过度激活可引起神经元损伤，这就是谷氨酸的兴奋毒作用。谷氨酸的兴奋毒作用可见于多种神经性损伤及慢性神经退行性疾病，如脑缺血缺氧、癫痫、脑外伤、阿尔兹海默病、亨廷顿舞蹈病、帕金森病、侧索性硬化及艾滋病脑病等。其中 AMPA受体作为介导快速兴奋性神经传递的一种重要受体,其在谷氨酸的兴奋毒作用中越来越被人们重视。AMPA受体是由四种分别由不同基因编码的亚基 ，GluR1-4组成，其中 GluR2亚基由于其mRNA Q/R位点编辑引起的低钙离子通透性，使得它在 AMPA受体中的相对含量决定了AMPA受体的功能特性。GluR2亚基在多种神经元中高表达,这使得钙离子不能通过 AMPA受体内流。在多种神经性损伤或退行性疾病中，GluR2表达下调，Ca2+内流增加，引起神经元死亡，此即“GluR2假说”。[13]

离子通道的失敏Thesleff（1955）对运动神经终板上烟碱型乙酰胆碱受体的研究描述了配体门控受体通道的失敏现象。Katz 和Thesleff (1957)的在研究中得出，激动剂结合受体后既可以开放通道(激活状态)，也可以关闭通道(失敏状态)，可激活的受体的数量取决于受体进入或脱离失敏状态这两种趋势之间的动态平衡。[14]失敏在现象上可表现为激动剂持续施加时电流随时间的衰减或激动剂脉冲式施加时后继反应锋电流的压抑。由于谷氨酸的过度激活可以产生兴奋性毒性的作用，在神经系统的许多退行性疾病，如亨廷顿病、阿尔茨海默病等的发病机理中，兴奋毒性可能是导致受损神经元死亡的最后通路。抑制离子型谷氨酸受体的激活是阻断神经元死亡通路的一种途径。目前，用于控制谷氨酸突触传递的各类方法主要包括受体拮抗剂的使用和脱敏的调节。受体拮抗剂在动物实验中确实起到了一定的作用,它们减轻了动物模型中癫痫发作、局部缺血、神经性疼痛等症状，但由于受体拮抗剂毒性大、剂量不好掌握或是药理作用不确定而难以在临床广泛开展。[15]

受体与突触可塑性

3.1突触与突触可塑性 人类大脑突触由神经细胞和神经胶质细胞组成，数量庞大的神经元相互接触进行信息传递，是神经系统完成各种功能的基础。而突触则是神经元与神经元接触并进行信息传递的特殊部位。神经元之间连接和通讯主要通过两类突触：以

2.3AMPA缝隙连接(gap junctions)为基础的电突触；以及传递递质分子的化学突触。其中，化学突触传递是有方向的，即一个神经元通过放电活动释放神经递质而提供突触输出，即为突触前神经元(presynaptic neuron)，另一个神经元通过激活递质受体和改变膜兴奋性来响应突触输入，则为突触后神经元(postsynaptic neuron)。[16]在传递信息的过程中突触本身的结构和功能又可发生变化，此即活动依赖性的突触可塑性。突触可塑性包括结构和功能两方面，突触形态结构的可塑性表现为突触活性区数量与面积的改变与突触间隙的变化以及各种亚细胞结构的改变等；突触功能的可塑性主要表现为突触传递功能的增强或减弱。而对机体活动造成直接影响的是突触功能的可塑性。突触可塑性是神经系统可塑性的主要的和关键的内容。神经活动引起的维持达数个小时直至几天的突触连接变化则称之为长时程突触可塑性，包括LTP和LTD。[17]

3.2 AMPA突触可塑性与磷酸化 AMPA受体的磷酸化在突触可塑性中有着重要的的作用。研究证明，在NMDA依赖的LTP和LTD过程中AMPA受体发生磷酸化改变。由高频刺激诱导产生的LTP可以引起Ca2+通过NMDA受体在突触中聚集，最终导致[18]通过32p标记的海马片段Barria, et al.证明在诱导产生LTP的过程中CaMKII的激活。增加CaMKII引起的GluR1的磷酸化。[19]在对CluR1上CaM-KII磷酸化的Ser-831分子机制的研究中，有数据显示CaM-KII明显增加了CluR1通道活性的高电导状态的发生概率。这些证明Ser-831的磷酸化在LTP过程中有增强突触传导的作用，增加AMPA受体信号通道的传导系数。[20]

此外，蛋白质的磷酸化在NMDA依赖的LTD中同样起到重要的作用，说明LTD在功能上与LTP相反。但通过研究证明，LTD的产生对CluR1上CaM-KII激活的Ser-831的去磷酸化只有很小的影响，而是主要引起CluR1上PKA激活Ser-845位点的去磷酸化，由低频刺激引起该位点的去磷酸化对LTD的突触传导有抑制作用。[21]

3.3AMPA受体在突触可塑性中的调节作用 研究者一直认为AMPA受体和NMDA受体共存于单个兴奋性突触上。它们共同介导哺乳动物脑内的大部分兴奋性突触的传递。直到1994年，Kullmann首次发现，NMDA受体可持续地与量子化释放的神经递质结合，结合量远超过AMPA受体与递质的结合量。这一结果提示AMPA受体和NMDA受体可能独立存在于兴奋性突触上。[22]

通过对海马CA1区电生理实验证明在突触中AMPA受体的水平可以受到快速的调控，这个实验同时也说明在一些兴奋性突触中只存在NMDA受体而没有可检测到AMPA受体。这些突触由于NMDA受体被Mg2+电压依赖性的阻断而不能对突触释放的谷氨酸产生反应被称作“静默突触”。[23]而当细胞去极化的时候，为了激活NMDA受体，AMPA受体通过膜表面的快速的插入静默突触，静默突触的激活在LTP中对突触神经递质的增强起到很大的作用。这个结果与Lledo et al的研究报告共同解释了在LTP中谷氨酸受体在突出中的分布的膜运输机制。[24]这些研究证明谷氨酸受体在突触中的插入可能介导LTP的产生。通过理论和实验都可以说明中枢神经细胞在兴奋性突触中生成的改变为了平衡其恒定的释放。O’Brien et al.通过实验证实了抑制兴奋性突触在人工培养的脊柱细胞中的递质传播会引起mEPSC振幅的增加同时伴随着相等AMPA受体在突触中的增加，反之亦然。而突触重塑的过程的时间比较缓慢，与神经AMPA受体的代谢半衰期相似。抑制兴奋性突触的传导会显著的延长AMPA受体GluR1亚基的半衰期，说明突触活性对mEPSC大小的调节是通过对雕节突触后膜AMPA受体的流通进行的。AMPA受体的数量和功能主要通过电生理和免疫化学的方法测得，实验中皮质货脊柱中的神经细胞用GABA受体拮抗剂苦味毒，AMPA受体拮抗剂CNQX，或是电压依赖性Na+通道阻滞剂TTX进行处理。[25]

4.展望

通过对AMPA受体结构和功能的研究，其作用的机制逐渐被了解。例如AMPA受体的信号转导途径对其功能，运输及对突触强度的调节有着重要的作用，但仍然有许多问题等待这我们去解决。现阶段研究的问题主要集中在更好的理解AMPA受体的分子构成及AMPA受体复合物组成和调节因子的功能。[2] 而对于分子领域的研究除了依赖于科技的进步还在与研究者的知识积累及对于不懈的研究，通过不断的交流与学习以探索出新的科研方法将对AMPA受体的研究产生突破性的进展。

参考文献：

[1]

Platt S R. The role of glutamate in central nervous system health and disease--a review[J].

The Veterinary Journal. 2007,173 (2): 278–86.

[2]

Victor A D, et al. Regulatory mechanisms of AMP receptors in synaptic plasticity[J].

Nature Reviews Neuroscience,2007,8:101-113.

[3] 郑掸颖，罗建红，赵卉.AMPA受体的内化及其分子机制[J].细胞生物学杂志，2004，26(3)：216-220.

[4] Song I, Huganir R L. Regulation of AMPA receptors during synaptic plasticity. Trends

Neurosci. ，2002，25 (11): 578–88.

[5]

Honore T, et al. The binding of [3H]AMPA, a structural analogue of glutamic acid, to rat brain

membranes. Journal of Neurochemistry ,1982,38 (1): 173–178.

[6] 张和平，周文霞，张永祥. AMPA受体的代谢[J]. 军事医学科学院院刊，2004，28(1)：74-77.

[7] Raymond L A, et al. Phosphorylation of amino acid neurotransmitter receptors in

synaptic plasticity. Trends Neurosci. 1993,16(4):147–153

[8] 刘勇. AMPA受体与小脑的运动性学习记忆功能[J]. 国外医学卫生学分册，2003，30(6)：351-356.

[9]

Burette A, et al. Differential cellular and subcellular localization of AMPA receptor-

binding protein and glutamate receptor-interacting protein[J]. The Journal of Neuroscience，2001，21(2):495-503.

[10] Shi S, et al. Subunit-specific rules governing AMPA receptor trafficking to synapses in

hippocampal pyramidal neurons[J]. CELL,2001,105(3):331-343.

[11]

Mayer M L. Glutamate receptor ion channels[J]. Current Opinion in Neurobiology, 2005，15 (3):282-288.

[12]

Armstrong N, et al. Measurement of Conformational Changes accompanying

Desensitization in an Ionotropic Glutamate Receptor[J]. 2006, 127(1):85-97.

[13] 贾玉红，马天舒，姜妙娜. AMPA受体 GluR2亚基研究进展[J]. 大连医科大学学报，2009，31(4)：338-341.

[14] 鲁涛，杨雄. AMPA受体失敏和快速兴奋性突触传递[J]. 生理科学进展，1997，28

(3)：197-202.

[15] 肖林，孙长凯，刘少君. 谷氨酸受体脱敏机制及神经保护作用[J]. 中国神经科学杂志，2003，19(5)：322-327.

[16] 徐春， 章晓辉. 学习和记忆的突触模型：长时程突触可塑性[J]. 自然杂志，2009，31(3)：136-141.

[17] 韩太真 突触可塑性与长时程增强现象的研究进展[J]. 西安交通大学学报（医学版），2005，26(4)：305-315.

[18] Fukunaga K. et al. Long-term potentiatio is associated with an increased activity of

Ca2+/calmodulin-dependent protein kinase II[J].

J Biol Chem.,1993,268(11): 7863–7867. [19] Barria, A. et al. Regulatory phosphorylation of AMPA-type glutamate receptors by

CaM-KII during long-term potentiation[J]. Science,1997,276(5321):2042–2045.

[20]

Derkach V, Barria A, Soderling TR. Ca2+/calmodulin-kinase II enhances channe

lconductance of α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate type glutamate

receptors[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 1999,96(6): 3269–3274.

[21] Lee, H-K. et al. Regulation of distinct AMPA receptor phosphorylation sites during

bidirectional synaptic plasticity[J]. Nature,2000,405(6789):955–959.

[22] 许琳，张均田. 突触长时程增强形成机制的研究进展[J]. 生理学进展，2001，31(4)：298-301.

[23] Liao D, Hessler NA, Malinow R. Activation of postsynaptically silent synapses during

pairing-induced LTP in CA1 region of hippocampal slice[J].

Nature,1995,375(6530):400-404.

[24] Lledo, P.M. et al. Postsynaptic membrane fusion and long-term potentiation[J].

Science 1998,279(5349):399–403.

[25] O’Brien R J. et al. Activity-dependent modulation of synaptic AMPA receptor

accumulation[J]. Neuron,1998(21): 1067–1078.