楊 夏(綜述),彭 生,劉功儉(審校)
(1.徐州醫(yī)學(xué)院,江蘇 徐州 221002;2.蘇州大學(xué)附屬第四醫(yī)院麻醉科,江蘇 無(wú)錫 214000)
cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路與學(xué)習(xí)記憶有著重要的關(guān)系。而對(duì)這條通路起調(diào)節(jié)作用的磷酸二酯酶4(phosphodiesterase 4,PDE-4)和細(xì)胞外調(diào)節(jié)激酶(extracellular signal regulating kinase,ERK),也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。環(huán)磷酸腺苷(cyclic AMP,cAMP)的產(chǎn)生可激活蛋白激酶A(protein kinase A,PKA)和PKC亞基進(jìn)入核內(nèi),使cAMP反應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP response element binding protein,CREB)轉(zhuǎn)錄因子特異的絲氨酸殘端磷酸化而活化,磷酸化的CREB可以與DNA分子上cAMP調(diào)節(jié)靶基因附近的 cAMP反應(yīng)元件(cAMP response element,CRE)結(jié)合,從而調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄,合成與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的蛋白。認(rèn)識(shí)cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路,并從其調(diào)節(jié)蛋白PDE-4和ERK著手探討cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路與學(xué)習(xí)記憶中樞神經(jīng)系統(tǒng)的關(guān)系,有助于進(jìn)一步明確大腦學(xué)習(xí)記憶反應(yīng)的發(fā)生機(jī)制。
1.1 cAMP/PKA蛋白 cAMP是細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)的第二信使,是激素和神經(jīng)遞質(zhì)作用于特定靶細(xì)胞后,通過(guò)激活腺苷酸環(huán)化酶催化ATP水解生成的。cAMP主要通過(guò)激活PKA使靶酶磷酸化,然后開啟基因表達(dá),在細(xì)胞生命活動(dòng)中有著重要的意義,參與調(diào)節(jié)許多細(xì)胞的代謝、基因表達(dá)、細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂等。
PKA在哺乳類體內(nèi)可表達(dá)4種調(diào)節(jié)亞基(RⅠα、RⅠβ、RⅡα、RⅡβ)和 3種 催 化 亞 基 (Cα、Cβ、Cγ),每個(gè)亞基在神經(jīng)元內(nèi)均有表達(dá),其中PKA-Cβ亞基在神經(jīng)元內(nèi)表達(dá)豐富,且為突觸可塑性所必需。已有研究證實(shí),有催化活性的PKA在長(zhǎng)時(shí)程突觸可塑性和長(zhǎng)時(shí)記憶中具有重要作用[1]。
cAMP/PKA通路對(duì)CREB的磷酸化,膜上的G蛋白耦聯(lián)受體與胞外遞質(zhì)等配體結(jié)合后活化,刺激腺苷酸環(huán)化酶增加胞內(nèi)cAMP濃度,4分子cAMP與PKA結(jié)構(gòu)亞基上的位點(diǎn)結(jié)合,具有催化活性的PKA調(diào)節(jié)亞基解離并進(jìn)入核內(nèi),磷酸化CREB從而啟動(dòng)下游靶基因的轉(zhuǎn)錄。最近研究發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)基因小鼠可產(chǎn)生一種抑制形式的PKA亞基,使海馬中PKA的活性降低,L-LTP在CA1區(qū)也明顯減少[2],進(jìn)一步證實(shí)cAMP/PKA在海馬長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation,LTP)表達(dá)中的重要作用。
1.2 CREB蛋白 CREB是細(xì)胞內(nèi)cAMP變化的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)導(dǎo)因子,調(diào)節(jié)基因的轉(zhuǎn)錄和蛋白質(zhì)的合成。CREB是一種細(xì)胞核內(nèi)調(diào)控因子,它通過(guò)自身磷酸化實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄的功能。CREB能整合鈣離子、生長(zhǎng)因子和cAMP誘導(dǎo)的信號(hào),是多條細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的作用點(diǎn),對(duì)學(xué)習(xí)記憶及各種情緒的正常調(diào)節(jié)和維持具有重要的作用[3]。
在神經(jīng)系統(tǒng)中,CREB作為細(xì)胞內(nèi)多種信號(hào)通路的一個(gè)重要組成部分,其下游效應(yīng)包括影響神經(jīng)元的存活與生長(zhǎng)、突觸的可塑性和長(zhǎng)期記憶的形成[4]。實(shí)驗(yàn)證實(shí),CREB活性的降低可抑制長(zhǎng)時(shí)程記憶的形成,其數(shù)量的增加或活性的增強(qiáng)可促進(jìn)長(zhǎng)時(shí)程記憶的形成[5]。研究已證實(shí),受cAMP調(diào)節(jié)的下游蛋白CREB參與了氯胺酮導(dǎo)致未成年大鼠學(xué)習(xí)記憶障礙的形成[6],CREB直接參與了水迷宮空間學(xué)習(xí)記憶的形成[7]。而另一研究證實(shí)大鼠紋狀體邊緣區(qū)及海馬等腦區(qū)的CREB在空間學(xué)習(xí)記憶的早期就開始參與長(zhǎng)時(shí)記憶的形成[8]。
1.3 磷酸化的 CREB蛋白(phosphorylated CREB,P-CREB)CREB磷酸化是許多信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的一個(gè)會(huì)聚點(diǎn),在神經(jīng)元的生長(zhǎng)、突觸可塑性、學(xué)習(xí)和記憶功能、損傷和再生等方面起著重要作用。CREB的轉(zhuǎn)錄活性主要依賴于第133位絲氨酸殘基(Ser133)的磷酸化(即P-CREB)。CREB的Ser133位點(diǎn)被磷酸化后,它就成為活性狀態(tài),可啟動(dòng)多種基因的轉(zhuǎn)錄,引起細(xì)胞內(nèi)多種長(zhǎng)期生物學(xué)效應(yīng)。記憶的形成依賴P-CREB通路誘導(dǎo)下游基因的表達(dá)[9]。研究證實(shí),中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)遞質(zhì)的合成、基因表達(dá)、細(xì)胞增殖等均被通過(guò)以P-CREB為第二信使系統(tǒng)起作用的神經(jīng)遞質(zhì)調(diào)控。
學(xué)習(xí)記憶行為訓(xùn)練前向大鼠海馬內(nèi)注入CREB的反義寡核苷酸可導(dǎo)致其在Morris水迷宮中的空間學(xué)習(xí)缺陷,而訓(xùn)練前雙側(cè)穹隆海馬傘被切斷的大鼠,也可因海馬CREB磷酸化的水平不能升高而致逃避性記憶受損[10]。研究發(fā)現(xiàn)[11]CREB 磷酸化介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄,還可以促使新的突觸鏈接的生成,提高神經(jīng)元的存活率,緩解腦損傷后認(rèn)知障礙。
1.4 cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路與LTP LTP是哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)貯存信息的主要機(jī)制,是學(xué)習(xí)記憶的細(xì)胞基礎(chǔ),已成為神經(jīng)元可塑性的一種有效模型。越來(lái)越多動(dòng)物實(shí)驗(yàn)證明,cAMP/PKA/CREB在介導(dǎo)晚期的LTP及記憶過(guò)程中的不可替代的作用。不同的蛋白激酶,包括胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶2(extracellular signal-regulated kinase 2,ERK2)、PKA、鈣-鈣調(diào)素激酶Ⅳ(CaMKⅣ)等,均可通過(guò)磷酸化CREB誘導(dǎo)或促進(jìn)L-LTP,并改善動(dòng)物的學(xué)習(xí)記憶功能[12-15]。
Montarolo等[16]發(fā)現(xiàn)軟體動(dòng)物海兔可顯示出一種稱為長(zhǎng)時(shí)程易化的類似記憶的敏化行為,而且表明這種長(zhǎng)時(shí)程易化需要cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路的活動(dòng),從而提出了首個(gè)關(guān)于學(xué)習(xí)記憶的活動(dòng)依賴性基因表達(dá)的機(jī)制。在脊椎動(dòng)物方面,F(xiàn)lorian等[17]在研究中發(fā)現(xiàn),外界刺激引發(fā)的效應(yīng)可通過(guò)使CREB磷酸化,進(jìn)而激活細(xì)胞內(nèi)蛋白激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng),誘導(dǎo)靶細(xì)胞基因表達(dá)而引發(fā)LTP。CREB低轉(zhuǎn)錄小鼠可導(dǎo)致LTP及長(zhǎng)期記憶都顯著受損[18],CREB高表達(dá)則產(chǎn)生記憶力及LTP顯著增強(qiáng),社會(huì)認(rèn)知功能顯著增加[19]。
cAMP的調(diào)控主要由核苷酸環(huán)化酶的合成作用與PDE-4的水解作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。磷酸二酯酶4(Phosphodiesterase 4,PDE-4)是cAMP特異性水解酶,PDE能催化環(huán)腺苷酸的3',5'-磷酸二酯鍵的水解,生成無(wú)活性的5'-核苷單磷酸酯,使cAMP水平下降,進(jìn)而可以調(diào)節(jié)cAMP/PKA/CREB等信號(hào)通路,影響細(xì)胞內(nèi)CREB調(diào)節(jié)的基因的表達(dá),使得參與學(xué)習(xí)記憶的一些蛋白質(zhì)不能夠被合成,從而干擾長(zhǎng)期記憶的形成。
最新的研究發(fā)現(xiàn),cAMP含量增加可以逆轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)記憶能力的減退,Vecsey等[20]采用睡眠剝奪導(dǎo)致大鼠出現(xiàn)記憶力減退后,再給予PDE-4抑制劑增加cAMP含量,則逆轉(zhuǎn)了這種記憶力減退。而另有研究發(fā)現(xiàn),PDE4抑制劑(例如rolipram)能夠增加腦內(nèi)cAMP濃度,激活cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路,促進(jìn)記憶形成[11,21]。之前也有學(xué)者發(fā)現(xiàn)給予大鼠 N-甲基-D-天冬氨酸受體阻滯劑MK801后大鼠出現(xiàn)顯著遺忘,再注射PDE-4抑制劑則可逆轉(zhuǎn)這種遺忘效應(yīng)[22];給予毒蕈堿M受體激動(dòng)劑東莨菪堿可以引起工作記憶和參照記憶的損害,應(yīng)用PDE-4抑制劑逆轉(zhuǎn)這兩種記憶的損害[23],并推測(cè)這些作用可能與PDE-4抑制劑可以通過(guò)增加海馬cAMP含量,增加海馬神經(jīng)元LTP,增強(qiáng)海馬的突觸可塑性有關(guān)。
3.1 ERK對(duì)學(xué)習(xí)記憶的影響 ERK是重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶,它的底物包括轉(zhuǎn)錄因子、組蛋白、細(xì)胞內(nèi)其他重要的激酶以及K+通道等。這些物質(zhì)都是細(xì)胞內(nèi)的重要組成成分,是學(xué)習(xí)記憶形成過(guò)程中必不可少的。ERK信號(hào)通路與腦內(nèi)LTP的形成以及學(xué)習(xí)記憶功能有重要的聯(lián)系[18]。ERK信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的激活參與了短時(shí)記憶形成和短時(shí)記憶向長(zhǎng)時(shí)記憶的轉(zhuǎn)化即記憶的鞏固過(guò)程[24]。
ERK信號(hào)的激活可以強(qiáng)化長(zhǎng)時(shí)程突觸易化及LTP[25]。Silva 等[26]利用基因工程技術(shù),在研究Ⅰ型神經(jīng)成纖維細(xì)胞瘤與精神發(fā)育遲緩的關(guān)系中發(fā)現(xiàn),學(xué)習(xí)功能的降低與海馬Ras/ERK信號(hào)通路的缺損密切相關(guān)。Kelleher等[27]利用轉(zhuǎn)基因技術(shù)研究發(fā)現(xiàn),ERK可直接參與調(diào)控樹突蛋白合成,且此蛋白合成為L(zhǎng)TP形成及記憶功能所必需。此外,LTP的誘發(fā)需要N-甲基-D-天冬氨酸受體的激活,此過(guò)程主要由Kv4家族成員編碼的A型鉀離子通道調(diào)控,ERK的激活可以引起Kv4-2α亞基磷酸化,從而引起A型鉀離子電流下調(diào),誘導(dǎo)動(dòng)作電位(AP)放大,增強(qiáng)樹突胞膜興奮性,從而誘發(fā)形成LTP。
3.2 ERK對(duì)cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路的影響ERK被激活后可通過(guò)激活核糖體S6激酶來(lái)激活CREB,從而作用于CRE,啟動(dòng)CRE依賴性的轉(zhuǎn)錄。此外,ERK也可直接磷酸化轉(zhuǎn)錄因子CREB。
Kelly等[10]的研究證明,MAPK/ERK 信號(hào)通路參與了海馬內(nèi)學(xué)習(xí)記憶的鞏固,ERK介導(dǎo)的磷酸化CREB參與了海馬神經(jīng)元晚期LTP的維持和長(zhǎng)時(shí)程記憶的形成。cAMP/PKA/CREB通路的中PKA誘導(dǎo)Rap 21和B 2Raf結(jié)合引發(fā)MAPK/ERK磷酸化,進(jìn)而導(dǎo)致CREB激活,參與PKA依賴型LTP形成及突觸可塑性變化[28]。另外,近期有實(shí)驗(yàn)證實(shí),ERK參與了氯胺酮導(dǎo)致的學(xué)習(xí)記憶障礙形成的過(guò)程[29],通過(guò)與PDE-4交叉對(duì)話(cross-talking)調(diào)節(jié)cAMP的含量,形成 cAMP/ERK 調(diào)節(jié)通路[30]。PDE4抑制劑(rolipram)能使N-甲基-D-天冬氨酸受體的激活,從而激活MAPK/ERK/CREB信號(hào)通路,在神經(jīng)保護(hù)及學(xué)習(xí)記憶過(guò)程中發(fā)揮重要作用[31]。
在cAMP/PKA/CREB信號(hào)通路及相關(guān)調(diào)控蛋白PDE-4和ERK對(duì)學(xué)習(xí)記憶的影響及機(jī)制方面,人們已做了大量研究并取得顯著成果,但把三者之間聯(lián)系起來(lái),是否能為臨床提供一條新的治療途徑及篩選新的有效藥物,預(yù)防麻醉引起的術(shù)后學(xué)習(xí)記憶障礙,還要進(jìn)一步探索。
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