馬 婧，劉曉莉，喬德才

(北京師范大學(xué)體育與運(yùn)動(dòng)學(xué)院，北京 100875)

鈣/鈣調(diào)蛋白依賴(lài)性蛋白激酶Ⅱ(calcium/calmodulin-dependent protein kinase Ⅱ，CaMKⅡ)是一種依賴(lài)于鈣/鈣調(diào)蛋白(calmodulin，CaM)的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，在腦組織中表達(dá)豐富，海馬腦區(qū)其含量甚至達(dá)到神經(jīng)元總蛋白的2%[1]。CaMKⅡ是N-甲基-D-天門(mén)冬氨酸受體(N-methyl-D-aspatate receptor，NMDAR)下游的一個(gè)重要信號(hào)分子，能夠被Ca2+/CaM結(jié)合而激活。激活的CaMKⅡ在Thr286發(fā)生自身磷酸化，產(chǎn)生自發(fā)活性，由Ca2+依賴(lài)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉且蕾?lài)狀態(tài)，使得CaMKⅡ在胞內(nèi)Ca2+濃度降低后，仍能長(zhǎng)時(shí)間保持較高活性。鑒于這一特性，CaMKⅡ被認(rèn)為是一個(gè)“記憶分子”，在突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶中發(fā)揮重要作用。長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(long-term potentiation，LTP)和長(zhǎng)時(shí)程抑制(long-term depression，LTD)是突觸可塑性的兩種主要形式。CaMKⅡ在LTP中的重要作用已研究的比較廣泛，且被普遍認(rèn)可。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡ在LTD中也發(fā)揮重要作用[2]。此外，近期一系列研究報(bào)道，許多神經(jīng)精神疾病的發(fā)生都與腦內(nèi)CaMKⅡ的功能異常有關(guān)，包括藥物成癮、精神分裂癥、癲癇等[3]。本文對(duì)CaMKⅡ在LTP、LTD中的作用，CaMKⅡ?qū)ν挥|可塑性方向的調(diào)控，以及CaMKⅡ在這些神經(jīng)精神疾病中的作用做一綜述。

1 CaMKⅡ的分子結(jié)構(gòu)和特征

CaMKⅡ由12個(gè)亞基組成兩個(gè)六聚體環(huán)，疊在一起形成同心環(huán)結(jié)構(gòu)。CaMKⅡ一共有4種亞型，分別為α、β、γ、δ[4]，其中腦組織中主要表達(dá)α和β亞型。前腦α ∶β的含量比約為3 ∶1，小腦α ∶β的含量比約為1 ∶3。胞內(nèi)的CaMKⅡ主要分布在突觸后致密區(qū)(postsynaptic density，PSD)，是PSD的主要成分，占PSD總蛋白的2%～6%[5]。0.1 μm2的PSD中大約含有80個(gè)CaMKⅡ全酶，1個(gè)蘑菇狀棘的PSD中大約含有90～240個(gè)CaMKⅡ全酶[6]。

CaMKⅡ單體由C-末端結(jié)合區(qū)、中間調(diào)節(jié)區(qū)和N-末端催化區(qū)組成[3]。C-末端結(jié)合區(qū)是不同單體組裝在一起形成六聚體環(huán)的連接部位。調(diào)節(jié)區(qū)又包括自身抑制區(qū)、鈣調(diào)蛋白結(jié)合區(qū)和自身磷酸化位點(diǎn)(Thr286和Thr305/306)。靜息狀態(tài)下，CaMKⅡ的催化區(qū)被自身抑制區(qū)覆蓋，處于無(wú)活性狀態(tài)。一定的刺激使NMDAR通道打開(kāi)，Ca2+內(nèi)流，Ca2+/CaM與CaMKⅡ的調(diào)節(jié)區(qū)結(jié)合，使得CaMKⅡ的分子構(gòu)象發(fā)生改變，催化區(qū)暴露出來(lái)，解除了自身抑制區(qū)對(duì)活化位點(diǎn)的抑制作用[3]。同時(shí)，αCaMKⅡ的Thr286位點(diǎn)(βCaMKⅡ的是Thr287位點(diǎn))發(fā)生自身磷酸化，產(chǎn)生自發(fā)活性。自身磷酸化的亞基可以繼續(xù)磷酸化其相鄰亞基，使CaMKⅡ由Ca2+依賴(lài)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉且蕾?lài)狀態(tài)，在Ca2+濃度降低后，仍能長(zhǎng)時(shí)間保持較高的激酶活性。CaMKⅡ的自發(fā)活性與Ca2+濃度變化的頻率、持續(xù)時(shí)間以及幅度直接相關(guān)。一個(gè)全酶共有12個(gè)亞基可以發(fā)生自身磷酸化，因此可以將不同頻率的Ca2+濃度變化分級(jí)轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩筒煌募っ富钚?。此外，Thr286自身磷酸化后，能夠增強(qiáng)相鄰亞基與Ca2+/CaM結(jié)合的親和力(這種現(xiàn)象叫做CaM捕獲)，使得相鄰亞基中已經(jīng)去磷酸化的Thr286重新磷酸化，繼續(xù)提高CaMKⅡ的活性。除了Thr286位點(diǎn)，CaMKⅡ的Thr305/306位點(diǎn)也能發(fā)生自身磷酸化，其磷酸化后能夠阻止CaMKⅡ與CaM的進(jìn)一步結(jié)合，因此，Thr305/306磷酸化的作用是抑制CaMKⅡ活性的提高，將CaMKⅡ的活性限制在一個(gè)較低的水平。

2 CaMKⅡ與突觸可塑性

突觸可塑性被認(rèn)為是學(xué)習(xí)與記憶的細(xì)胞機(jī)制。突觸可塑性主要有兩種形式，即LTP和LTD。大量的研究已經(jīng)證實(shí)，CaMKⅡ在海馬腦區(qū)的突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶中發(fā)揮著重要作用。

2.1CaMKⅡ與LTPLTP最初由Bliss等[7]于1973年在家兔海馬腦區(qū)的前穿質(zhì)纖維-齒狀回通路發(fā)現(xiàn)，是指給突觸前纖維一個(gè)短暫的高頻刺激后，突觸傳遞效率明顯增強(qiáng)，且這種增強(qiáng)能夠維持?jǐn)?shù)小時(shí)，甚至數(shù)天的現(xiàn)象。此后，研究者們對(duì)海馬腦區(qū)的LTP展開(kāi)了大量的研究，發(fā)現(xiàn)CaMKⅡ及其Thr286的自身磷酸化對(duì)于海馬LTP的形成是必需的。例如，1992年，Silva等[8]發(fā)現(xiàn)，特異性缺失CaMKⅡ的小鼠海馬腦區(qū)的LTP受損，為CaMKⅡ參與LTP的形成提供了最早的直接證據(jù)。Stanton等[9]發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是胞外孵育，還是向胞內(nèi)灌注CaMKⅡ的拮抗劑KN-62，均能阻斷海馬腦區(qū)LTP的產(chǎn)生。抑制CaMKⅡ Thr286自身磷酸化的突變小鼠(286位點(diǎn)的蘇氨酸突變?yōu)楸彼?，其海馬腦區(qū)的LTP嚴(yán)重受損[10]。

LTP的誘導(dǎo)和維持是突觸前和突觸后的聯(lián)合作用，以突觸后機(jī)制為主。CaMKⅡ無(wú)論是在突觸前機(jī)制，還是突觸后機(jī)制中均發(fā)揮重要作用。突觸前，激活的CaMKⅡ可以磷酸化突觸素Ⅰ(synapsin Ⅰ)，促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。突觸素I是神經(jīng)元特有的一種位于突觸前的蛋白質(zhì)。非磷酸化狀態(tài)的突觸素Ⅰ與突觸前的突觸囊泡結(jié)合，在突觸囊泡周?chē)纬?個(gè)“小籠子”，或?qū)⑼挥|囊泡與細(xì)胞骨架中的F-肌動(dòng)蛋白連接，使突觸囊泡不能輕易地與突觸前膜融合，因此，抑制神經(jīng)遞質(zhì)的釋放。激活的CaMKⅡ能夠磷酸化突觸素Ⅰ，突觸素Ⅰ磷酸化后，與突觸囊泡脫離，突觸囊泡得以“出籠”，或使突觸囊泡從F-肌動(dòng)蛋白上釋放，突觸囊泡與突觸前膜融合，從而促進(jìn)神經(jīng)遞質(zhì)的釋放[11]。在CaMKⅡ的作用下，突觸素I被磷酸化，導(dǎo)致興奮性神經(jīng)遞質(zhì)釋放增多，這可能是LTP的突觸前機(jī)制之一。

研究發(fā)現(xiàn)，CaMKⅡ的自發(fā)活性對(duì)于LTP的誘導(dǎo)是必需的，而對(duì)于LTP的維持卻不是必需的。Buard等[14]使用低濃度(5 μmol·L-1)的tatCN21抑制CaMKⅡ的自發(fā)活性，能夠明顯損害LTP的誘導(dǎo)和記憶的獲得，但并不影響LTP的維持和記憶的儲(chǔ)存。CaMKⅡ/NMDAR復(fù)合體對(duì)于LTP的維持是必需的。對(duì)已經(jīng)成功誘導(dǎo)出LTP的腦片孵育較高濃度的tatCN21短肽(20 μmol·L-1的tatCN21能夠與CaMKⅡ結(jié)合，競(jìng)爭(zhēng)性抑制CaMKⅡ與NR2B亞基的結(jié)合)，抑制CaMKⅡ /NMDAR復(fù)合體的形成，結(jié)果發(fā)現(xiàn)LTP的維持嚴(yán)重受損，而將tatCN21洗脫后，LTP又得以恢復(fù)[15]。因此，CaMKⅡ/NMDAR復(fù)合體對(duì)于LTP的維持是必需的。

2.2CaMKⅡ與LTDLTD是突觸可塑性的另外一種形式。1977年，Lynch等[16]最早報(bào)道了海馬腦區(qū)存在突觸傳遞活力依賴(lài)性的抑制現(xiàn)象，即LTD。近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，LTD過(guò)程中，CaMKⅡ也會(huì)被激活，CaMKⅡ及其自發(fā)活性對(duì)于LTD也是必需的。敲除CaMKⅡ或者抑制CaMKⅡ的自發(fā)活性，均能阻斷LTD的形成[2]。有文章報(bào)道，CaMKⅡ能夠磷酸化AMPAR 的GluA1-Ser567位點(diǎn)，促進(jìn)AMPAR從突觸位點(diǎn)上移除，減少AMPAR在突觸后膜上的數(shù)量，從而產(chǎn)生LTD[17]。在LTD中，CaMKⅡ還能磷酸化AMPAR調(diào)節(jié)支架蛋白A-激酶錨定蛋白79/150(AMPA-receptor regulatory scaffold protein A-kinase anchoring protein 79/150，AKAP79/150)，使AKAP79/150從突觸上移除，樹(shù)突棘皺縮。關(guān)于CaMKⅡ在LTD中的其他作用機(jī)制仍不清楚，還需要進(jìn)一步研究。

2.3CaMKⅡ?qū)ν挥|可塑性方向的調(diào)控傳統(tǒng)認(rèn)為，CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化只發(fā)生在LTP過(guò)程中。但近年來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是代謝型谷氨酸受體 (metabotropic glutatamate receptor，mGluR) 依賴(lài)的LTD，還是NMDAR依賴(lài)的LTD中，CaMKⅡ的Thr286都會(huì)發(fā)生自身磷酸化。因此，無(wú)論誘導(dǎo)LTP還是LTD，CaMKⅡ都會(huì)被激活，并發(fā)生Thr286自身磷酸化，產(chǎn)生自發(fā)活性，但是其自發(fā)活性的高低以及時(shí)間常數(shù)明顯不同。

CaMKⅡ在LTP過(guò)程中的自發(fā)活性水平要明顯高于LTD過(guò)程。通過(guò)熒光共振能量轉(zhuǎn)移技術(shù)檢測(cè)單個(gè)突觸棘中CaMKⅡ的實(shí)時(shí)活性，發(fā)現(xiàn)LTP刺激誘導(dǎo)后，CaMKⅡ的活性迅速升高，并在1 min內(nèi)又迅速回落，表現(xiàn)出1個(gè)明顯的活性尖峰[18]。而LTD刺激誘導(dǎo)后，CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化增加緩慢，CaMKⅡ的活性在5 min時(shí)達(dá)到峰值，然后持續(xù)穩(wěn)定在較低的水平[19]。因此，決定突觸可塑性向LTP還是LTD方向發(fā)展的決定因素不在于CaMKⅡ是否發(fā)生Thr286自身磷酸化，而在于其磷酸化后自發(fā)活性水平的高低和時(shí)間特性，以及由此引發(fā)的CaMKⅡ的進(jìn)一步調(diào)節(jié)作用，例如CaMKⅡ的Thr305/306是否發(fā)生自身磷酸化，以及CaMKⅡ與不同蛋白的結(jié)合等。

Thr305/306是CaMKⅡ活性的抑制性位點(diǎn)，在LTD過(guò)程中，Thr305/306發(fā)生自身磷酸化，將CaMKⅡ的活性限制在較低水平。而在LTP中，Thr305/306不發(fā)生自身磷酸化，使得CaMKⅡ能夠被大幅度激活，而處于較高的活性狀態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，持續(xù)表達(dá)有活性CaMKⅡ的T286D突變小鼠，直接誘導(dǎo)出LTD還是LTP，取決于Thr305/306的磷酸化同時(shí)被促進(jìn)，還是被抑制。如果Thr305/306的磷酸化被促進(jìn)，則誘導(dǎo)出LTD；而如果Thr305/306的磷酸化被抑制，則誘導(dǎo)出LTP。此外，在LTP和LTD過(guò)程中，CaMKⅡ被激活運(yùn)輸?shù)絇SD后，其結(jié)合的蛋白分子也不同。在LTP中，CaMKⅡ激活后，與突觸后膜上NMDAR的NR2B亞基結(jié)合[20]。而在LTD中，CaMKⅡ可能與突觸后膜上的densin-180結(jié)合，因?yàn)閐ensin-180敲除的小鼠表現(xiàn)出海馬LTD的受損[21]。

3 CaMKⅡ與神經(jīng)精神疾病

近期一系列研究發(fā)現(xiàn)，許多神經(jīng)精神疾病的病人或模式動(dòng)物的腦區(qū)，包括藥物成癮、精神分裂癥、癲癇等，都表現(xiàn)出CaMKⅡ的功能異常。CaMKⅡ的功能障礙導(dǎo)致谷氨酸能信號(hào)通路異常以及突觸可塑性異常，可能是這些神經(jīng)精神疾病的發(fā)病機(jī)制之一[3]。

3.1CaMKⅡ與藥物成癮藥物成癮是一種反復(fù)發(fā)作的慢性腦部疾病，其主要特征為強(qiáng)迫性用藥和高復(fù)發(fā)性[22]。藥物成癮的“谷氨酸穩(wěn)態(tài)假說(shuō)”認(rèn)為，皮層投射到伏隔核的谷氨酸能突觸傳遞異?？赡苁撬幬锍砂a的病理機(jī)制，且有證據(jù)表明，CaMKⅡ 在其中發(fā)揮重要的調(diào)節(jié)作用。慢性苯丙胺和可卡因暴露導(dǎo)致伏隔核腦區(qū)αCaMKⅡ的活性異常升高，而且可卡因暴露后，αCaMKⅡ啟動(dòng)子的表觀(guān)遺傳狀態(tài)發(fā)生改變。慢性可卡因暴露引起伏隔核腦區(qū)轉(zhuǎn)錄因子△FosB與αCaMKⅡ啟動(dòng)子的特異性結(jié)合，隨后激活的CaMKⅡ磷酸化△FosB的Ser27位點(diǎn)，并增加其穩(wěn)定性，最終導(dǎo)致藥物的突觸和精神興奮作用所需的前饋循環(huán)[23]。利用藥理學(xué)方法阻斷伏隔核腦區(qū)CaMKⅡ的活性，能夠降低對(duì)苯丙胺和可卡因的行為敏感化；而在伏隔核過(guò)度表達(dá)CaMKⅡ，能夠提高對(duì)苯丙胺的敏感化以及成癮性。

3.2CaMKⅡ與精神分裂癥精神分裂癥是一種涉及多個(gè)腦區(qū)的復(fù)雜的精神障礙，關(guān)于其發(fā)病機(jī)制主要有“多巴胺功能紊亂假說(shuō)”和“谷氨酸能功能低下假說(shuō)”。使用NMDAR的拮抗劑苯環(huán)己哌啶(phencyclidine，PCP)和氯胺酮能夠誘導(dǎo)出精神分裂癥樣行為，基于此，“谷氨酸能功能低下假說(shuō)”被提出。越來(lái)越多的證據(jù)提示，精神分裂癥與谷氨酸能系統(tǒng)的多種基因有關(guān)，包括NMDAR的亞基、NMDAR下游的激酶CaMKⅡ等[3]。精神分裂癥的發(fā)病機(jī)制可能與CaMKⅡ的功能降低有關(guān)。雜合的CaMKⅡ敲除小鼠，具有不成熟的海馬齒狀回(dentate gyrus，DG)腦區(qū)，并且表現(xiàn)出一系列與精神分裂癥患者相似的異常行為，包括多動(dòng)、工作記憶障礙、社交退縮等。缺乏CaMKⅡ錨定蛋白densin-180的模式小鼠，表現(xiàn)出短期記憶受損、感覺(jué)運(yùn)動(dòng)門(mén)控功能障礙、筑窩能力受損、攻擊性增加等一系列精神分裂癥行為表現(xiàn)[21]。

3.3CaMKⅡ與癲癇癲癇是谷氨酸能與GABA能神經(jīng)傳遞失衡，導(dǎo)致的神經(jīng)元大量同步化放電引起的。在不同的癲癇模式動(dòng)物中，均發(fā)現(xiàn)CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化水平降低。有趣的是，雖然在癲癇發(fā)作后24 h， CaMKⅡ Thr286的磷酸化水平恢復(fù)正常，但是CaMKⅡ的總含量降低了35%[24]。CaMKⅡ活性和表達(dá)含量的降低反映了機(jī)體的一種穩(wěn)態(tài)機(jī)制，有利于降低癲癇中大量神經(jīng)元同步化興奮而產(chǎn)生的Ca2+超載的影響[24]。此外，癲癇發(fā)作過(guò)程中，CaMKⅡ在胞內(nèi)的分布也發(fā)生變化，由PSD轉(zhuǎn)移至胞質(zhì)中[25]。

CaMKⅡ的功能正常對(duì)于腦區(qū)行使其正常生理功能是必需的。CaMKⅡ活性過(guò)高或過(guò)低，都可能導(dǎo)致神經(jīng)精神疾病的發(fā)生。某些神經(jīng)精神疾病伴隨著腦區(qū)CaMKⅡ活性的異常升高。例如，除了藥物成癮，在注意力缺陷多動(dòng)癥、敲除ATRX的智力障礙、帕金森病等模式動(dòng)物中，也都發(fā)現(xiàn)CaMKⅡ Thr286的自身磷酸化增加，CaMKⅡ的活性提高。另外，還有一些神經(jīng)精神疾病伴隨著CaMKⅡ功能的降低。例如，在創(chuàng)傷后應(yīng)激障礙模型動(dòng)物和雙相情感障礙病人中，都檢測(cè)到CaMKⅡ的表達(dá)降低。

4 總結(jié)與展望

盡管CaMKⅡ在海馬腦區(qū)突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶中的重要作用已經(jīng)被人們熟知，但是由于腦區(qū)不同，其表達(dá)水平、亞型構(gòu)成以及功能也不相同，CaMKⅡ在其他腦區(qū)的突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶中的作用尚未被完全揭示。此外，雖然在許多神經(jīng)精神疾病中檢測(cè)到CaMKⅡ的活性異常，但是其中的因果關(guān)系，以及CaMKⅡ在病因中的具體作用機(jī)制仍不清楚。因此，對(duì)CaMKⅡ的研究仍有很長(zhǎng)的路要走。揭示CaMKⅡ在調(diào)節(jié)突觸功能以及神經(jīng)精神疾病中的作用及分子機(jī)制，是我們探究大腦功能和研究疾病分子基礎(chǔ)的核心焦點(diǎn)。