2023年7月17日发(作者：)

中国行为医学科学2006年3月第15卷第3期　ChinJofBehavioralMedSci,March2006,Vol15,No.3・281・・综述・蛋白激酶信号通路在海马神经元可塑性中的作用亓晓丽林文娟海马作为中枢神经系统的关键组成部分,在情绪应激、学习和记忆过程中扮演重要角色[1]。海马神经元的可塑性变化包括CA3区锥体细胞树突缩短,齿状回颗粒细胞增生抑制,长时程增强(LTP),长时程抑制(LTD)等被认为是海马发挥上述功能的基础[2]。最近的研究表明丝裂素激活的蛋白激酶(MAPK)信号系统作为真核细胞内各种信息传递的最后通路和共同通路,能够将细胞外的各种刺激信息转移到细胞核内,是海马发生一系列可塑性变化的分子基础[3]。因此,深入的研究MAPK信号通路在海马可塑性变化中的作用是揭示海马参与学习、记忆及应激调节功能作用机制的根本切入点。一、MAPK信号通路MAPK是广泛存在于真核细胞内的蛋白激酶,调节细胞多种功能变化。MAPK介导的信号传导被认为是细胞内信号传递的最后通路,实现了细胞外信息向细胞核内转移,是调节细胞增殖、分化和凋亡等核反应的共同途径或汇聚点。MAPK的信号传递依靠三个顺次激活的激酶完成,其激活顺序为MAPK蛋白激酶激活MAPK蛋白激酶,MAPK蛋白激酶进而激活MAPK。处于激活状态的MAPK能够调节和激活细胞内的多种底物蛋白,包括细胞骨架蛋白、转录因子以及其他调节激酶。MAPK最初在生长因子信号传递和应激反应中被鉴定,此后的研究表明它在成人的脑神经元中发挥重要的调节功能,能够调节多个系统的可塑性变化和学习、记忆过程。目前已经有三条这样的通路被鉴定。分别为细胞外调节蛋白激酶(Extracellularregulatedproteinkinases,ERK)通路,即ERK/MAPK通路;p38/MAPK通路;c2Jun氨基末端激酶(c2JunN2terminalkinases,JNK)通路,即JNK/MAPK通路。MAPK中ERK/MAPK通路是目前研究最广泛也是最经典的参与学习、记忆和各种可塑性变[4]化的通路。因此,本文主要对ERK/MAPK通路在海马可塑性中的作用进行综述。二、ERK/MAPK信号通路在海马可塑性变化中的作用ERK分为ERK1和ERK2,ERK1/2可以被细胞外的多种信号所激活,例如,应激激素和神经递质等。Ca2+内流对这种激活尤其重要。应激可引起即可早基因的激活至少是通过N2甲基2D2天门冬氨酸(N2methyl2D2aspartate,NMDA)型谷氨酸受体激活引起的Ca2+内流激活ERK所致。应激也能够导致c2AMP反应原件结合蛋白(cyclic2AMP2responsiveelement(CRE)2bind2ingprotein,CREB)的磷酸化,也可部分通过NMDA受体的激活所致,而CREB也是ERK依赖性的转录因子。强迫性游泳应激在引起ERK通路激活的条件下也使NMDA受体NR1亚单位磷酸化水平提高,因此,NMDA受体介导的Ca2+内流可能是[5]MEK(MAPK/ERKkinase,MEK)2ERK通路激活的条件。同时NMDA受体依赖性Ca2+水平升高,是应激时谷氨酸对海马神经元发挥兴奋性毒性作用的机制之一。在动物发育时期应用NMDA受体的抑制剂能够提高颗粒细胞的增殖程度,在成年期应用NMDA的兴奋剂能够显著的抑制颗粒细胞的增殖。谷氨酸在心理应激引起的精神障碍中发挥关键作用,其他神经递质如去甲肾上腺素,52羟色胺和多巴胺等的异常都是在谷氨酸异常的基础上变化的[6]。因此,可以初步推测谷氨酸水平的增高是应激导致海马发生可塑性变化的主要原因,而谷氨酸导致海马发生可塑性变化的机制之一可能为ERK/MAPK信号通路的激活。此外,有研究资料指出强迫性游泳应激的确能够使海马ERK/MAPK通路的磷酸化水平发生迅速而短暂的提高,然而此研究没有发现p38信号通路的变化,与其他研究存在差异,可能与应激的模式以及应激时间有关。15分钟的急性强迫性游泳使海马p2MEK1/2在海马的幅度大约提高了4.5倍。同时强迫性游泳导致海马磷酸化CREB的水平升高,值得提出的是p2MEK在海马升高的幅度比MAPK升高幅度要明显得多,可能反映级联信号通路的级联反应时差[7]。MAPK信号通路关键成分的抑制剂发现对了解和阐明此信号通路的功能具有重要意义。目前已经发现并且被广泛应用的抑制剂是PD98059和U0126,这两种复合物都是ERK的上游激酶MEK的强有力的抑制剂,这两种抑制剂都非ATP竞争性抑制剂,而是特异性的抑制MEK的上游激酶Raf,从而抑制ERK的活性。运用MEK抑制剂能够特异性的阻断某些形式的突触可塑性为MEK参与此突触可塑性提供了令人信服的证据。突触可塑性被认为是脑神经元进行信息加工的关键过程,能够解释许多复杂的行为,例如,学习和记忆。中枢神经系统最集中的突触可塑性研究主要在海马神经元回路,其形式主要是LTP和LTD。在海马的组织切片中能够诱导LTP产生的高频电刺激能够激活ERK信号通路。PD98059能够抑制ERK的激活也能够抑制LTP的形成。目前研究最广泛的突触可塑性是经典的LTP,发生在海马CA32CA1的突触环路中,它的形成需要谷氨酸受体亚型NMDA的激活。ERK不仅参与这种经典的LTP,也参与海马CA1区非NMDA受体依赖性LTP,以及齿状回几种形式的LTP[8]。LTP被认为是学习和记忆过程最可能的分子机制,但LTP与学习和记忆的关系仍然值得继续探索。最近的研究指出MEK抑制剂抑制LTP的同时也影响了学习和记忆功能。进一步证明了ERK在学习和记忆过程中的作用。在哺乳动物中,能够证明ERK信号通路参与长时程记忆的最深入的研究是空间学习和恐惧性条件反射。Morris水迷宫是广泛用来测量动物的空间学习和记忆能力的测验。在此测验中动物需要学习并记忆隐藏平台的位置。当动物在迷宫中进行水下平台探索时,海马组织中的ERK被激活。向海马中注入PD98059或SL327(ERK更强有力的抑制剂,能够穿透血脑屏障),能够损伤动物记忆平台的能力。Dash等将MEK抑制剂PD98059注入投射向海马的皮质区,也损伤了动物在迷宫中的作业能力[9]。上述实验都说明ERK信号通路参与空间学习和记忆的神经突触的可塑性变化。ERK参与突触传递的调节。上述的实验表明ERK参与学习、记忆以及LTP的形成,然而,ERK参与这些可塑性变化的分子水平的机制并没有被阐明。近年来的研究指出突触传递功基金项目:国家自然科学基金(33070482);中国科学院创新工程资助(KSCX222203)作者单位:100101北京,中国科学院心理研究所脑-行为研究中心・282・中国行为医学科学2006年3月第15卷第3期　ChinJofBehavioralMedSci,March2006,Vol15,No.3能也是ERK依赖性的。α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异倾阶丙酸(a2amino232hydroxy252methyl242isoxazolepropionicacid,AMPA)型谷氨酸受体的增加在LTP的形成中扮演重要的角色。而ERK参与了AMPAR介导的突触传递。Malinow在近期的实验中明确的指出了ERK的活性和AMPAR传递性的关系。他们利用AMPA基因和其他基因的重组体研究了海马组织切片上ERK信号传递对AMPAR的反应性和突触可塑性的作用。其结果发现Ras(Raf的上游调节蛋白)的激活使突触AMPAR的反应性明显增强,应用PD98059能够抑制这种现象,说明[10]ERK参与了AMPAR反应的变化。Ca2+/Ca2+调节蛋白依赖性蛋白激酶Ⅱ(Calcium/calmodulin2dependentproteinkinaseⅡ,CaMKⅡ)的活化能够引起AMPAR转位的增加,这种现象能够被PD98059所阻断,说明CaMKⅡ能够诱导AMPAR插入突触,并且CaMKⅡ对AMPAR的这种调节要依赖ERK。而。由此可以初步推测,CaMKⅡ可能是通过ERK信号通路调节AMPAR在突触的转位,进而调节突触可塑性和学习、记忆过程。这些结CaMKⅡ参与突触可塑性以及学习过程的调节[11]中K+通道以ERK依赖的方式被磷酸化,从而调节各种刺激引起的海马的可塑性变化。在LTP的产生过程中ERK位点附近的K+通道磷酸化水平增高[14]。ERK磷酸化后的一条很重要的去向就是转移到细胞核,引起基因表达的调控。因此调节基因表达的转录因子可能是ERK在细胞核水平的底物之一。Elk1是学习过程中ERK依赖性的转录因子。在齿状回LTP的形成过程中Elk1对MEK抑制剂非常敏感。动物暴露于情境依赖性条件反射过程中,Elk1也以ERK依赖的方式被磷酸化[15]。这些都说明Elk1以ERK依赖的方式参与了可塑性的调节。转录因子CREB是ERK信号通路在调节可塑性中的另一个也是目前研究最充分的底物蛋白。研究表明CREB调节的基因转录是多种形式的学习和记忆过程所必需的。CREB的磷酸化能够募集其他转录因子和cAMP反应原件CRE结合,从而调节其所调控基因的转录和表达。而这些表达的基因产品可能就参与可塑性的调节。当神经元处于活动状态时,CREB的磷酸化水平迅速升高,从而调节CRE依赖基因的转录,CREB的这种磷酸化状态的维持能够被MEK抑制剂所阻断,从而证明ERK信号通路参与CREB的调节。虽然CREB是ERK依赖性的,但ERK并不能够直接调节CREB的磷酸化过程,相反,ERK是借助其下游的激酶Rsks和Msks调节CREB,CREB133果都表明ERK的激活对AMPAR的反应是必需的。但是,从ERK到AMPAR反应的中间环节并不清楚。ERK参与结构可塑性的调节。许多的研究已经指出结构可塑性的形成需要ERK的激活。在培养的海马神经元中,可以看到海马神经元在反复的去极化条件下,才能够使树突棘和伪足增加。单次神经元去极化并不能够引起这种结构的变化,同时也只有反复的去极化才能够引起ERK的持续激活,说明ERK的激活和结构的可塑性变化条件是相同的,揭示二者之间位上的色氨酸能够被Rsk1、Rsk2、Rsk3和Msk6所磷酸化。Rsk2作为ERK依赖性CREB的激酶同时参与神经营养因子的信号通路。Rsk2调节神经元活动时ERK依赖性CREB的磷酸化,当Rsk2突变时学习能力就会受到损伤。Msk基因剔除鼠在接受各种刺激时,CREB的磷酸化能力受到很大的损伤。能够促使细胞内cAMP增多的物质也能够使ERK转位到细胞核,进一步说明ERK参与了cAMPs的转录和调控[16]。转录因子最重要的功能就是与基因的控制元件结合,进而调控相关基因的表达。目前已知ERK依赖性转录因子是CREB和Elk1。因此可以初步推测能够和CREB和Elk1结合可能存在关联性。在海马组织切片上进行的实验进一步证实了这一点。持续的ERK激活不仅与树突棘的形成有关,而且为其所必需。MEK抑制剂U0126在抑制ERK激活的同时也抑制了新的树突棘和伪足的形成。ERK的激活和树突棘的形成是NMDAR依赖性的,并且MEK抑制剂能够阻断树突棘的形成[12]。脑源性神经营养因子(brainderivedneurotrophicfactor,BDNF)是中枢神经系统突触传递和可塑性变化的重要调节因的DNA顺式作用元件所控制的基因产品参与了可塑性的调节。利用含有与转录因子结合的DNA元件的DNA序列作为报告基因是探测参与学习、记忆和突触可塑性变化基因的有力手段。已经有研究结果表明MEK抑制剂能够抑制CRE报告基因的转录,这种现象在海马组织切片和活体动物都得到证明[17]。然而,含有CRE报告基因的基因序列如何?以及哪一种含有CRE报告基因的基因在LTP的形成中是必不可少的呢?这些问题都值得对MAPK信号通路感兴趣的研究者探讨。此外,转录因子Elk1也能够识别血清反应元件(serumresponseelements,SREs),因此,含有SREs元件的基因可能也是ERK子,能够在突触前和突触后发挥很重要的作用,BDNF能够增加海马CA1区锥体细胞树突棘的密度。DBNF的这种作用是借助ERK信号系统完成的,MEK抑制剂PD98059和U0126都能够抑制DBNF对树突棘的这种作用。上述实验进一步证明了ERK不仅参与长时程突触可塑性和海马依赖的学习、记忆过程,ERK也能够参与突触结构的重塑过程。当然,ERK参与结构可塑性的机制并不清楚,仍需要继续探索。它可能使突触蛋白磷酸化直接调节这种可塑性,或者增强突触蛋白mRNA的翻译过程,或者启动蛋白质基因的转录等,也可能同时在这几个水平上发挥对突触可塑性的调控。三、ERK信号通路的底物MAPK信号通路作为细胞内各种信息传递的共同通路和最后通路,实现了细胞外信息向细胞核信息的传递,最终产生各种生理、生化或病理性结果。因此,ERK信号通路必然存在各级底物。能够诱导LTP产生的各种刺激都能够使磷酸化ERK的免疫活性显著增高,并且P2ERK广泛分布在海马神经[13]信号通路的靶基因。目前对于此通路的特定基因的研究结果比较少。例如,在海马LTP形成前,向齿状回注入MEK抑制剂,则即刻早基因Zif268在此区的表达明显减少。即刻早基因Arc被认为在LTP和记忆中发挥作用[18],在BDNF诱导LTP形成时运用MEK抑制剂能够抑制此基因转录的上调。上述资料初步推测Zif268和Arc可能以ERK依赖的方式参与海马的可塑性调节。关于其他ERK依赖性基因在学习、记忆以及LTP形成中的作用目前尚未发现相关的报道。四、MAPK信号系统研究前景展望MAPK信号通路以其激酶的顺次磷酸化,实现了细胞外刺激信号向细胞核的转移,在海马依赖的学习、记忆功能以及LTP和海马结构重塑中发挥重要作用。因此,深入的探索MAPK信号系统的具体机制将对这些可塑性变化的机制阐明元的树突和胞体,这间接地说明ERK的底物可能存在于整个神经元。而且,MEK的抑制剂能够在20～30分钟的时间段内抑制LTP,如此短暂的时间,核转位、基因表达或基因产品的转移基本是不可能的,这就进一步证明存在细胞质水平的底物。近年来已经有许多研究指出ERK存在细胞质水平的底物。其中电压依赖性K+通道就是这种可能的底物之一。在海马组织中国行为医学科学2006年3月第15卷第3期　ChinJofBehavioralMedSci,March2006,Vol15,No.3・283・产生重大影响。未来MAPK信号系统研究的一个重要课题就是激酶底物的鉴定。鉴定各种激酶的直接底物,描绘出这条路径的具体机制。这就需要蛋白质组学的各种技术和方法,而这也正是蛋白质组学时代的主要任务。参与可塑性调节的基因及其生成物仍然是MAPK信号通路的研究内容,而且,目前这一方面的研究结果并不多。MAPK信号通路的最终结果就是转化为基因产品的表达,基因及其产品是调节可塑性的直接参与物,是了解可塑性分子机制的直接的靶目标,因此,基因剔除、基因突变等技术将仍然是MAPK信号通路的研究方法和策略。随着MAPK信号通路研究的不断深入,相信可塑性将不再是一块神秘的领地。参13考文献14亓晓丽,姚树桥.应激与海马可塑性及其机制的研究进展.中国行为医学科学,2003,12:3562359.朱熊兆,亓晓丽,姚树桥.心理应激与热应激对小鼠情绪及其学习和记忆能力的影响.中国行为医学科学,2004,13:P,larpsychology:vPharmacolToxicol,2002,42:,GiustettoM,LomvardasS,ationoflong2term2memory2relatedsynapticplasticityinvolv,2002,111:JT,EatonME,RajadhyakshaA,neD1receptorsmediateCREBchem,2003,87:activationofglutamateneurotransmissionintheprefrontalcortex:chiatry,2002,51:,TsimbergY,SalvadoreC,ros2ci,2004,5:361KanterewiczBI,racellularsignal2regulatedkinasecascadeisrequiredforNMDsci,2000,20:AE,ellularsignal2regulatedkinaseactem,2002,9:,QinY,ZhaoM,,2002,110:J,SchulmanH,ecularbasisofCaMKⅡRevNeurosci,2002,3:M,nkinaseCandERKinvolvemurosci,2003,17:aAlonso,,1/2acti2vationisnecessaryforBDNFtem,2004,11:vA,1couplescAMPsignalingtoadistantpoolofP42/44MAPKregulatingexcitability,synapticplasticity,learning,,2003,39:enesiF,FischerA,SchrickC,orylationofhipp2ocampalERK21/2,Elk21andp902Rsk21duringcontextualfearcondi2tioning:interactionsbetweenERK21/lNeurosci,2002,21:GR,1andMSK2arerequiredforthemitlBiol,2002,22:,ImpeyS,PinedaVV,ampalCNeuros2ci,2002,5:tionactivity2dependentarcproteinexpressionintherathippocampusimpairsthemaintenasci,2000,20:399324001.(收稿日期:2005205213)(本文编辑:冯学泉)8