谷氨酸受体.doc

1、谷 氨 酸 受 体种 类谷 氨 酸 受 体 分 为 两 类 ： 一 类 为 离 子 型 受 体 ， 包 括 ： N-甲 基 -D-天 冬 氨 酸受 体 （ NMDAR） 、 海 人 藻 酸 受 体 (KAR)和 -氨 基 -3 羟 基 -5 甲 基 -4 异 恶 唑受 体 （ AMPAR） ， 它 们 与 离 子 通 道 偶 联 ， 形 成 受 体 通 道 复 合 物 ， 介 导 快 信 号传 递 ； 另 一 类 属 于 代 谢 型 受 体 (mGluRs)， 它 与 膜 内 G-蛋 白 偶 联 ， 这 些 受 体被 激 活 后 通 过 G-蛋 白 效 应 酶 、 脑 内 第 二 信 使 等

2、组 成 的 信 号 转 导 系 统 起 作 用 ，产 生 较 缓 慢 的 生 理 反 应 。 离 子 型 受 体(1) NMDA 受 体 （ NRs） ： 其 与 突 触 的 可 塑 性 和 学 习 记 忆 密 切 相 关 。 通 过该 受 体 本 身 、 其 共 轭 的 离 子 通 道 及 调 节 部 位 3 者 形 成 的 复 合 体 而 发 挥 功 能 ，对 Ca2+高 度 通 透 。 每 个 NMDA 受 体 上 含 有 两 个 谷 氨 酸 和 两 个 甘 氨 酸 结 合 识 别位 点 ， 谷 氨 酸 和 甘 氨 酸 均 是 受 体 的 特 异 性 激 活 剂 。 到 目 前 为 止

3、已 克 隆 出 5个 亚 基 ， NMDAR1、 NMDAR2(A-D)其 中 NMDAR1 可 单 独 形 成 功 能 性 纯 寡 聚 体NMDAR， 但 NMDAR2 亚 基 却 不 具 备 该 功 能 。 有 研 究 表 明 NMDAR 可 能 是 由NMDAR1 和 NMDAR2 不 同 的 亚 基 组 成 的 一 个 异 寡 聚 体 。 （ 2） KA/AMPA 受 体 ： 它 们 也 是 受 配 基 调 控 的 离 子 通 道 ， 对 Na+、 K+有 通 透 性 ， 研 究 证 明 ， 一 些 受 体 亚 型 对 Ca2+也 有 通 透 性 。 AMPA 家 族 包 括4 个 结

4、 构 极 为 相 似 的 亚 基 GLUR1-4， 各 亚 基 的 氨 基 酸 序 列 的 同 源 性 高 达 70%。由 于 氨 基 酸 残 基 的 疏 水 性 分 布 ， 在 靠 近 羧 基 端 的 部 分 构 成 4 个 跨 膜 区 。AMPA、 L-谷 氨 酸 及 KA 均 可 激 活 这 类 离 子 通 道 ， 并 有 AMPA 的 高 亲 和 力 结 合 位 点 。 天 然 的 AMPAR 是 由 这 4 种 亚基 形 成 的 五 聚 体 。 每 个 单 位 的 分 子 量 为 108kd。 AMPA 受 体 的 4 种 亚 基 在 第4 个 跨 膜 区 上 游 均 含 有 1 个

5、 由 38 个 氨 基 酸 残 基 组 成 的 特 殊 区 段 ， 该 区 存在 2 个 结 构 相 似 区 ， 分 别 由 受 体 基 因 上 的 2 个 相 临 的 外 显 子 编 码 。 但 各 亚基 的 DNA 编 码 在 翻 译 后 要 经 过 一 些 如 ： 磷 酸 化 、 糖 基 化 等 修 饰 ， 这 些 修 饰 是通 道 功 能 的 重 要 调 节 方 式 。 离 子 型 谷 氨 酸 受 体 功 能 的 多 样 性 是 通 过 不 同 亚 基组 装 、 选 择 性 基 因 结 合 和 转 录 前 mRNA 的 编 辑 等 方 式 来 实 现 的 。 在 大 鼠 中 通 过 分

6、 子 克 隆 技 术 ， 已 发 现 5 种 KA 受 体 亚 型 （ GLUR5-7、 KA-1、 KA-2） ,利 用 逆 转 录 PCR 及 膜 片 钳 技 术 揭 示 ： KA 受 体 是 由 同 类的 不 同 亚 基 组 成 的 异 质 组 合 体 。 亚 基 的 组 成 对 受 体 的 功 能 和 特 性 影 响 特 别 大 ，因 为 异 质 的 KA 复 合 物 中 出 现 编 辑 的 GLUR5 或 GLUR6 会 阻 碍 Ca2+的 通 透性 。 细 胞 可 能 通 过 RNA 编 辑 改 变 结 构 ， 达 到 调 控 通 道 的 Ca2+流 量 。 代 谢 型 谷 氨 酸

7、 受 体 (mGLuRs)这 是 通 过 G-蛋 白 偶 联 ,调 节 细 胞 内 第 二 信 使 的 产 生 而 导 致 代 谢 改 变 的 谷氨 酸 受 体 ， 其 可 分 为 不 同 的 8 个 亚 型 mGLUR1-8,根 据 氨 基 酸 序 列 的 同 源 性及 其 药 理 学 特 征 和 信 号 转 导 机 制 的 不 同 ， 可 将 其 分 为 3 组 , mGLUR1、 mGLUR5; mGLUR2-3; mGLUR4、 mGLUR6-8。 组 可 被 Quis 强 烈 活 化 并 与 磷 脂 酶 C 途 径 (PLG)相 偶 联 ； 、 组 均 可 与 腺 苷 酸 环 化 酶

8、 系统 (AC)被 动 偶 联 。 编 辑 本 段 相 关 论 文D-Ser NMDA 受 体 的 一 种 新 的 调 控 因 子 陈 福 俊 陈 福 俊 ， 何 德 富 ， 周 绍 慈 （ 华 东 师 范 大 学 上 海 市 脑 功 能 基 因 组 学 重 点 实 验 室 ， 上 海 200062） 摘 要 ： 最 近 研 究 证 实 哺 乳 动 物 神 经 系 统 中 存 在 内 源 性 的 D-Ser。 这 种内 源 性 D-Ser 在 神 经 系 统 中 的 分 布 与 NMDA 受 体 的 分 布 相 平 行 ， 进 一 步 的 研究 表 明 ， D-Ser 由 突 触 旁 星 形

9、胶 质 细 胞 产 生 ， 而 作 用 于 突 触 后 NMDA 受 体 上的 Gly 结 合 位 点 ， 对 NMDA 受 体 的 功 能 进 行 调 控 。 本 文 将 综 述 D-Ser 在 神 经系 统 中 的 分 布 、 合 成 及 其 生 理 机 能 。 Abstract: The viewpoint that there is no endogenous D-serine in mammalian nervous system has changed based on recent published reports. The study indicated that the d

10、istribution of this kind of endogenous D-serine parallels with that of NMDA receptor in nervous system. Further study suggested that the D-serine produced in astrocytes regulates the function of NMDA receptor through the glycine-binding site of the receptor. This paper reviews the distribution, synt

11、hesis and physiological function of D-serine in nervous system. NMDA 受 体 （ N-methyl-D-aspartate receptor） 是 中 枢 神 经 系 统 内 一 类重 要 的 兴 奋 性 氨 基 酸 （ excitatory aminoacid, EAA） 受 体 。 NMDA 受 体 不仅 在 神 经 系 统 发 育 过 程 中 发 挥 着 重 要 的 生 理 作 用 ， 如 可 调 节 神 经 元 的 存 活 ，调 节 神 经 元 树 突 、 轴 突 结 构 发 育 及 参 与 突 触 可 塑 性 的 形

12、 成 等 ； 在 神 经 元 回 路的 形 成 中 NMDA 受 体 亦 起 着 关 键 作 用 ， 有 资 料 表 明 NMDA 受 体 是 学 习 与 记 忆过 程 中 一 类 至 关 重 要 的 受 体 1。 NMDA 受 体 受 多 种 因 子 的 调 控 ， 而 最 近 发 现了 NMDA 受 体 的 一 种 特 别 的 调 控 因 子 D 型 丝 氨 酸 （ D-Serine， D-Ser）2。 D-Ser 这 种 新 的 神 经 调 质 的 发 现 引 起 了 神 经 科 学 界 极 大 关 注 ， 本 文 将 综述 这 方 面 的 最 新 进 展 。 自 然 界 中 存 在 的

13、 氨 基 酸 绝 大 多 数 都 有 两 种 构 型 ： L 型 和 D 型 。 构 成 生物 体 中 蛋 白 质 的 氨 基 酸 通 常 都 为 L 型 ， 在 细 菌 和 无 脊 椎 动 物 体 内 曾 发 现 有 内源 性 的 D 型 氨 基 酸 3， 而 对 于 哺 乳 动 物 体 内 存 在 D 型 氨 基 酸 的 事 实 ， 过 去普 遍 把 它 归 结 于 食 物 来 源 或 肠 内 的 细 菌 所 产 生 3,4。 早 期 研 究 认 为 ， 哺 乳动 物 体 内 不 能 产 生 D 型 氨 基 酸 ， 因 为 氨 基 酸 消 旋 酶 只 发 现 在 细 菌 和 昆 虫 体 内

14、 ，而 在 哺 乳 动 物 体 内 还 未 分 离 纯 化 出 这 种 酶 。 然 而 最 近 的 研 究 报 告 表 明 在 哺 乳动 物 神 经 系 统 中 存 在 自 由 D-Ser 和 D-天 冬 氨 酸 (D-aspartate, D-Asp)5,6；另 有 研 究 报 告 报 道 ， 大 鼠 额 叶 和 顶 叶 皮 层 突 触 体 中 的 磷 酸 丝 氨 酸 磷 酸 化 酶（ phosphoserine phosphatase） 可 水 解 L 磷 酸 丝 氨 酸 （ L-phosphoserine） ， 最 终 生 成 L-Ser 和 D-Ser7。 因 而 这 类 D 型 氨

15、基 酸 在神 经 系 统 中 的 生 理 作 用 ， 很 自 然 地 引 起 了 神 经 科 学 工 作 者 的 广 泛 关 注 。 下 面将 重 点 阐 述 D-Ser 在 神 经 系 统 中 的 分 布 、 合 成 及 生 理 机 能 。 自 有 报 道 说 在 哺 乳 动 物 中 枢 神 经 系 统 中 存 在 自 由 的 D 型 氨 基 酸 以 来 ，许 多 科 学 家 便 把 注 意 力 转 向 这 类 不 参 与 构 成 生 物 体 内 蛋 白 质 的 氨 基 酸 上 来 。采 用 对 D-Ser 具 有 高 度 选 择 性 的 抗 体 ， 利 用 免 疫 组 化 的 方 法 研

16、究 发 现 ， D-Ser 主 要 存 在 于 哺 乳 动 物 脑 内 灰 质 区 中 的 型 星 形 胶 质 细 胞 内 ， 这 种 胶 质 细胞 多 位 于 突 触 旁 边 2,8。 D-Ser 分 布 的 主 要 脑 区 为 前 额 叶 皮 层 和 纹 状 体 ，小 脑 中 也 有 微 量 分 布 9。 令 人 感 兴 趣 的 是 ， 在 哺 乳 动 物 中 ， NMDA 受 体 分布 密 度 最 高 的 是 海 马 的 CA1 区 、 CA3 区 和 齿 状 回 ， 大 脑 皮 层 区 的 前 脑 皮 层 、前 扣 带 区 和 梨 状 皮 层 ， 此 外 ， 在 纹 状 体 、 丘 脑

17、 、 小 脑 颗 粒 细 胞 层 也 有 较 多 分布 10。 在 D-Ser 存 在 的 脑 区 中 ， 往 往 存 在 着 大 量 的 NMDA 受 体 ， 二 者 的 分布 存 在 着 一 种 平 行 关 系 。 NMDA 受 体 是 一 种 独 特 的 双 重 门 控 通 道 (doubly gated channel)， 它 既受 膜 电 位 控 制 也 受 其 它 神 经 递 质 控 制 。 NMDA 受 体 被 激 活 后 ， 主 要 对 Ca2+有 通 透 性 ， 介 导 持 续 、 缓 慢 的 去 极 化 过 程 。 在 突 触 传 递 过 程 中 ， NMDA 受 体的 激

18、 活 需 要 非 NMDA 受 体 的 参 与 ， 其 中 主 要 是 AMPA 受 体 ( -amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate receptor)的 参 与 。 当 刺 激 达到 一 定 强 度 时 ， 突 触 前 膜 释 放 的 谷 氨 酸 作 用 于 AMPA 受 体 ， 通 过 AMPA 受 体通 道 的 离 子 流 增 强 ， 使 得 邻 近 NMDA 受 体 的 突 触 后 膜 局 部 去 极 化 ， 进 而 导 致NMDA 受 体 通 道 Mg2+阻 断 的 释 放 ， 这 时 谷 氨 酸 与 NMDA 受 体 的 结

19、 合 便 可 使 通道 打 开 。 此 外 当 有 甘 氨 酸 结 合 到 甘 氨 酸 结 合 位 点 时 ， 通 过 变 构 调 控 可 以 大 大增 强 谷 氨 酸 作 用 于 NMDA 受 体 后 所 产 生 的 效 应 ， 另 外 多 聚 胺 可 增 强 谷 氨 酸 对NMDA 受 体 的 作 用 ， 而 Zn2+却 可 以 抑 制 多 聚 胺 的 这 种 作 用 。 可 见 ， NMDA 受体 的 激 活 受 多 种 因 子 的 调 控 。 D-Ser 与 NMDA 受 体 的 共 分 布 现 象 ， 促 使 科 学 家 进 一 步 对 二 者 的 功 能 联 系进 行 研 究 。

20、最 近 的 研 究 发 现 D-Ser 是 NMDA 受 体 的 一 种 新 的 独 特 的 调 质 。Ascher 等 人 研 究 发 现 ， 在 用 快 速 灌 流 制 备 的 神 经 标 本 中 ， NMDA 受 体 的 活 性会 暂 时 丧 失 ， 但 这 种 活 性 的 暂 时 丧 失 可 为 甘 氨 酸 所 逆 转 11。 进 一 步 的 研究 表 明 NMDA 受 体 上 存 在 Gly 结 合 位 点 ， 而 NMDA 受 体 的 活 化 需 要 Gly 位 点的 共 激 活 7。 但 让 人 不 解 的 是 ， 在 中 枢 神 经 系 统 中 Gly 的 浓 度 在 前 脑

21、是 最低 的 ， 而 前 脑 中 NMDA 受 体 的 含 量 却 很 高 ； 相 反 在 脊 髓 和 后 脑 中 Gly 的 含 量最 高 ， 但 在 这 些 区 域 Gly 却 发 挥 着 一 种 抑 制 性 神 经 递 质 的 作 用 。 有 研 究 报 告显 示 在 NMDA 受 体 分 布 的 灰 质 脑 区 中 ， D-Ser 的 含 量 约 为 Gly 的 3 倍 12-14，在 前 额 叶 皮 层 ， 胞 外 D-Ser 的 量 与 Gly 相 当 ， 在 纹 状 体 D-Ser 的 含 量 约 是Gly 的 2 倍 10。 另 外 的 研 究 证 实 ， 施 加 外 源 性

22、的 D-Ser 可 以 增 强 NMDA 受体 调 节 的 神 经 传 递 作 用 。 此 外 采 用 放 射 性 同 位 素 3H 标 记 D-Ser 研 究 发 现 ，D-Ser 选 择 性 结 合 于 Gly 结 合 位 点 15。 大 量 实 验 结 果 表 明 ， D-Ser 对NMDA 受 体 似 乎 与 Gly 有 着 类 似 的 作 用 ， D-Ser 也 是 NMDA 受 体 上 Gly 位 点 的一 种 内 源 性 配 基 。 进 一 步 的 研 究 则 惊 人 的 发 现 D-Ser 是 由 突 触 旁 星 型 胶 质细 胞 产 生 而 作 用 于 突 触 后 神 经 元

23、 上 NMDA 受 体 的 。 如 Fig. 1 所 示 ， 当 突 触 前 膜 兴 奋 时 ， 释 放 兴 奋 性 氨 基 酸 递 质 谷 氨 酸 到 突 触 间 隙 ，其 中 一 部 分 Glu 作 用 于 突 触 后 膜 上 的 NMDA 受 体 ， 另 一 部 分 则 扩 散 到 了 邻 近的 星 形 胶 质 细 胞 ， 作 用 于 其 上 的 非 NMDA 受 体 ， 后 者 的 激 活 导 致 贮 存 于 胞 浆中 的 D-Ser 由 星 形 胶 质 细 胞 释 放 出 ， 然 后 结 合 于 突 触 后 膜 上 的 NMDA 受 体16， 从 而 与 Glu 共 同 作 用 ，

24、激 活 NMDA 受 体 。 Fig. 1 The active mechanism of D-serine（ cited from Snyder SH, revised partly） 而 D-Ser 的 清 除 和 灭 活 则 依 赖 于 D 型 氨 基 酸 氧 化 酶 ， 在 三 十 年 代 便 发现 哺 乳 动 物 体 内 存 在 D 型 氨 基 酸 氧 化 酶 17， 但 对 其 作 用 一 直 没 有 定 论 。D 型 氨 基 酸 氧 化 酶 是 一 种 高 度 选 择 性 的 酶 ， 只 降 解 中 性 D 型 氨 基 酸 。Snyder 等 采 用 组 织 化 学 的 方 法

25、研 究 发 现 ， D 型 氨 基 酸 氧 化 酶 在 脑 内 的 分 布存 在 区 域 差 异 ， 其 浓 度 与 D-Ser 的 分 布 相 平 行 2。 在 生 理 条 件 下 D 型 氨 基酸 氧 化 酶 的 最 佳 底 物 是 D-Ser 和 D-丙 氨 酸 ， 在 脑 片 实 验 中 也 证 实 了 D 型 氨基 酸 氧 化 酶 可 降 低 NMDA 受 体 的 神 经 传 递 作 用 ， 而 对 Gly 和 D-Asp 无 明 显 影响 ， 表 现 出 对 D-Ser 的 高 度 选 择 性 13。 可 见 通 过 D 型 氨 基 酸 氧 化 酶 的 作用 可 及 时 清 除 释

26、 放 入 突 触 间 隙 的 多 余 的 D-Ser， 以 防 止 其 持 续 作 用 于 NMDA受 体 ， 从 而 维 持 了 NMDA 受 体 的 正 常 生 理 功 能 。 D-氨 基 酸 的 产 生 依 赖 氨 基 酸 消 旋 酶 ， 胞 内 是 否 存 在 专 一 的 丝 氨 酸 消 旋 酶呢 ？ Snyder 等 的 工 作 使 这 一 问 题 获 得 了 圆 满 的 解 答 ， 他 们 从 大 鼠 脑 内 分 离 出一 种 氨 基 酸 消 旋 酶 ， 这 种 消 旋 酶 专 一 催 化 L-Ser 转 化 为 D-Ser， 遂 将 其 命名 为 丝 氨 酸 消 旋 酶 (ser

27、ine rasemase)。 丝 氨 酸 消 旋 酶 由 339 个 氨 基 酸 残 基组 成 ， 分 子 量 为 36.3KD。 尔 后 他 们 通 过 分 析 丝 氨 酸 消 旋 酶 的 结 构 和 检 索 基因 库 后 ， 得 出 这 一 酶 的 全 序 列 cDNA， 并 在 体 外 进 行 了 表 达 ， 而 且 成 功 地 在培 养 细 胞 中 合 成 了 D-Ser。 免 疫 组 化 研 究 表 明 ， 这 种 丝 氨 酸 消 旋 酶 大 量 存 在于 前 脑 及 灰 质 区 的 型 星 形 胶 质 细 胞 中 ， 而 这 里 正 是 NMDA 受 体 和 D-Ser 分布 广

28、泛 的 脑 区 18。 这 也 进 一 步 说 明 D-Ser 是 生 物 体 内 源 性 的 物 质 。 以 往 被 认 同 的 神 经 递 质 和 神 经 调 质 都 是 由 突 触 前 膜 或 突 触 后 膜 产 生 ， 作用 于 突 触 前 膜 或 突 触 后 膜 上 的 受 体 ， 而 D-Ser 这 种 独 特 的 神 经 调 质 则 是 由突 触 旁 的 神 经 胶 质 细 胞 产 生 作 用 于 突 触 后 膜 上 的 NMDA 受 体 ， 这 就 使 我 们 想到 脑 内 数 量 远 多 于 神 经 元 的 神 经 胶 质 细 胞 ， 除 了 能 高 亲 和 性 地 吸 收

29、GABA并 将 其 灭 活 ， 通 过 细 胞 间 液 的 物 质 交 流 参 与 神 经 元 内 Glu 和 GABA 的 代 谢 ，影 响 神 经 肽 的 合 成 及 传 统 的 支 持 、 营 养 、 修 复 、 吞 噬 诸 多 功 能 外 19， 还可 能 参 与 神 经 兴 奋 性 传 导 和 调 制 等 机 能 。 D-Ser 作 用 机 制 的 发 现 不 仅 具 有 重 要 的 理 论 意 义 ， 而 且 在 医 学 应 用 方 面也 预 示 着 广 阔 的 前 景 。 这 主 要 表 现 在 它 为 神 经 疾 病 的 治 疗 提 供 了 一 个 新 的 作用 靶 ， 例 如

30、 谷 氨 酸 浓 度 升 高 可 加 重 帕 金 森 病 、 阿 尔 茨 海 默 病 和 亨 廷 顿 病 的 症状 ， 只 要 阻 断 了 Glu 的 作 用 必 定 会 缓 解 这 些 疾 病 的 症 状 ， 现 在 就 可 以 考 虑 应用 D-Ser 的 阻 断 剂 来 达 到 同 样 的 治 疗 目 的 。 在 夏 科 氏 综 合 症 （ ALS） 与 帕 金森 病 的 动 物 模 型 中 丝 氨 酸 消 旋 酶 的 抑 制 剂 与 Glu 受 体 的 拮 抗 剂 有 着 相 同 的疗 效 ， 所 以 利 用 D-Ser 对 NMDA 受 体 的 调 控 作 用 也 可 以 作 为 治 疗 一 些 神 经 疾病 的 新 途 径 ， 如 焦 虑 、 癫 痫 、 中 风 及 精 神 分 裂 症 等 疾 病 的 治 疗 都 可 以 考 虑 应用 D-Ser 这 种 手 性 药 物 。