代毅聰，陳鳳容，王昆華

（1）國家衛(wèi)生健康委員會毒品依賴和戒治重點實驗室，云南昆明 650032；2）昆明醫(yī)科大學附屬第一醫(yī)院胃腸與疝外科，云南昆明 650032；3）云南省消化疾病防治工程技術(shù)研究所，云南昆明 650032；4）昆明醫(yī)科大學第一附屬醫(yī)院科研實驗中心，云南昆明 650032）

谷氨酸（glutamate，Glu）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)（Central nervous system，CNS）中主要的且最豐富的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)，其在哺乳動物體內(nèi)參與大多數(shù)興奮性突觸活動，在神經(jīng)發(fā)育、突觸可塑性、學習與記憶[1]、感覺、心血管和神經(jīng)內(nèi)分泌控制及運動和其他生命功能活動有重要作用[2]。目前已知谷氨酸轉(zhuǎn)運體有兩種類型:高親和力轉(zhuǎn)運體（即興奮性氨基酸轉(zhuǎn)運體，excitatory amino acid transporters，EAATs）和低親和力轉(zhuǎn)運體（即囊泡谷氨酸轉(zhuǎn)運體，vesicular glutamate transporters，VGLUTs）。儲存在囊泡中的Glu 通過低親和力轉(zhuǎn)運體的攝取系統(tǒng)胞吐釋放，激活快速作用的興奮性，離子感受器和緩慢作用的變性感受器進而介導神經(jīng)傳遞。位于神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞質(zhì)膜上的高親和力轉(zhuǎn)運體可迅速終止谷氨酸的作用，并將其細胞外濃度維持在興奮毒性水平以下。形成神經(jīng)元與膠質(zhì)細胞之間的“谷氨酸-谷氨酰胺循環(huán)”，由此可以看出，谷氨酸轉(zhuǎn)運體在機體生命活動中發(fā)揮著重要作用。越來越多證據(jù)表明：興奮性毒性與各種神經(jīng)系統(tǒng)疾病相關(guān)，包括肌萎縮性脊髓側(cè)索硬化癥（amyotrophic lateral sclerosis，ALS）、阿爾茨海默?。╝lzheimer's disease，AD）、帕金森?。╬arkinson's disease，PD）、錳中毒、精神分裂癥、癲癇和自閉癥等。本文在簡要介紹兩種谷氨酸轉(zhuǎn)運體的基礎(chǔ)上，將重點闡述谷氨酸轉(zhuǎn)運體與神經(jīng)精神疾?。òǔ砂a）方面的研究進展。

1 谷氨酸轉(zhuǎn)運體分類和功能

1.1 高親和力谷氨酸轉(zhuǎn)運體

EAATs 是位于神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細胞膜上的糖蛋白。其一方面參與突觸興奮性信號的傳遞，另一方面在細胞外谷氨酸再攝取、保護神經(jīng)元免受興奮性毒性損害等方面發(fā)揮重要作用。早在1992 年至1997 年，學者[3]陸續(xù)發(fā)現(xiàn)5 種EAATs：GLAST（L-glutamate-L-aspartate transporter，或EAAT1）、GLT-1（glutamate transporter-1，或 EAAT2）、EAAC1（excitatory aminoacid carrier-1，或EAAT3）、EAAT4 和EAAT5。近些年，GLT-1 具有功能性的，但很少量的剪切變異體被發(fā)現(xiàn)GLT-1a、GLT-1b/GLT-1v 和GLT-1c。

SLC1A3 基因位于5 號染色體上編碼的GLAST/EAAT1 主要表達于小腦，在脊髓、前腦、內(nèi)耳及視網(wǎng)膜等處也有少量表達[4]，GLAST/EAAT1在發(fā)育階段高表達[5]。GLAST 在預防興奮性毒性神經(jīng)元方面起著關(guān)鍵作用。

GLT-1/EAAT2 由SLC1A2基因編碼，GLT-1/EAAT2 的mRNA 也僅在腦內(nèi)表達，分布較廣泛，在海馬、大腦皮層和紋狀體中均有較高表達，而在小腦表達量極微[6]。GLT-1/EAAT2 是成人大腦中突觸谷氨酸梯度的關(guān)鍵介質(zhì)，也是星形膠質(zhì)細胞主要的谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白，其突觸中谷氨酸清除率90%以上[7]。GLT-1/EAAT2 水平與星形膠質(zhì)細胞中谷氨酸脫氫酶（Glutamate dehydrogenase，GDH）活性相關(guān)，表明GLT-1/EAAT2 在谷氨酸-谷氨酰胺突觸循環(huán)中起關(guān)鍵作用[5]。有報道稱，在海馬發(fā)育的體外模型中，星形膠質(zhì)細胞GLT-1/EAAT2 表達與神經(jīng)元活動密切相關(guān)[8]，表明神經(jīng)元與膠質(zhì)細胞之間的動態(tài)相互作用參與了腦發(fā)育過程中突觸谷氨酸的穩(wěn)態(tài)維持。

與其他EAAT 亞型相比，EAAC1/EAAT3 由SLC1A1基因編碼，在皮質(zhì)早期發(fā)育階段高表達[9]。盡管GLAST/EAAT1 和GLT-1/EAAT2 是主要的中樞神經(jīng)系統(tǒng)突觸谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白，EAAC1/EAAT3也稱為興奮性氨基酸載體，廣泛表達于海馬CA1-CA4 區(qū)和皮質(zhì)錐體細胞層，尤其是在突觸后膜上[10]。在成人大腦的膠質(zhì)細胞GLAST/EAAT1 和GLT-1/EAAT2 與神經(jīng)元EAAC1/EAAT3 之間目前尚未發(fā)現(xiàn)存在相互作用[11]。

研究表明[12]，人EAAT4 基因（SLC1A6）定位于19 號染色體，小鼠基因（SLC1A6）定位于10號染色體的中心體區(qū)域。而人EAAT5 基因（SLC1A7）定位于1號染色體，小鼠基因（SLC1A7）定位于4 號染色體。EAAT4 局限于小腦蒲肯野細胞表達[13]。EAAT5 則局限于視網(wǎng)膜的神經(jīng)元和膠質(zhì)細胞上，表達于光感受器、雙極細胞、無長突細胞等[14]。

1.2 低親和力谷氨酸轉(zhuǎn)運體

VGLUTs 分布于囊泡膜上，能夠特異地將突觸囊泡外的Glu 轉(zhuǎn)運進入并突觸囊泡內(nèi)，還能通過突觸囊泡和質(zhì)膜融合將谷氨酸轉(zhuǎn)運到突觸前囊泡中，在突觸活動中啟動胞吐[15]。

SLC17家族編碼三個VGLUTs 的基因分別位于人類不同的染色體上，SLC17A7編碼VGLUT1 定位于19q13，mRNA 表達在端腦、小腦顆粒層、小腦前核和內(nèi)側(cè)韁核[16]。SLC17A6編碼VGLUT2 定位于11p14.3，mRNA 表達主要集中在間腦和下腦干[17]。研究發(fā)現(xiàn)[17]，VGLUT1 和VGLUT2 可明確地標記谷氨酸能神經(jīng)元，它們被認為是谷氨酸能神經(jīng)元最可靠的標記。通過軸突末端的多重免疫熒光或體細mRNA 的原位雜交確認在這些區(qū)域中，VGLUT1和VGLUT2 的神經(jīng)元共表達很少見[18]，而互補分布模式在大腦中無所不在。VGLUT1 和VGLUT2 在大多數(shù)興奮性突觸上保證了谷氨酸的囊泡攝取。VGLUT3 亞型與其他兩種VGLUTs 具有相同的結(jié)構(gòu)和功能特征[19]。

SLC17A8編碼VGLUT3 定位于12q23.1，在非常有限的神經(jīng)元中表達，通常表現(xiàn)出雙重神經(jīng)遞質(zhì)特異性。其mRNA 表達分布主要于中縫背側(cè)核、松果體核、下丘腦、嗅結(jié)節(jié)[20]和耳蝸內(nèi)感覺毛細胞的谷氨酸能神經(jīng)元亞群中[21]。與VGLUT1 和VGLUT2 相比不同，VGLUT3 主要標記、識別非谷氨酸能的神經(jīng)元，即5-羥色胺能、膽堿能或氨基乙二酸能。VGLUT3 出現(xiàn)在大鼠海馬和新皮質(zhì)GABA能抑制性突觸末端[22]，同時也在外周組織中出現(xiàn)。通過免疫電鏡顯示VGLUT3 存在于星形膠質(zhì)細胞中，在突觸周圍和毛細血管末端也有分布。因此，VGLUT3 同VGLUT1 和VGLUT2 具有轉(zhuǎn)運Glu 進入突觸囊泡的功能，但是由于VGLUT3 表達和分布的特性使得其不能成為谷氨酸能神經(jīng)元的標志。

2 谷氨酸轉(zhuǎn)運體在疾病中的表現(xiàn)

2.1 神經(jīng)退行性疾病中高親和力谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白的損傷

EAATs 與神經(jīng)退行性變的關(guān)系密切。研究顯示EAATs 失調(diào)與AD、PD、ALS、癲癇和錳中毒等多種神經(jīng)系統(tǒng)疾病的發(fā)病機制密切相關(guān)。

谷氨酸介導的興奮性毒性神經(jīng)元死亡與AD 病理相關(guān)，表明GLAST 和GLT-1 的失調(diào)影響AD 的發(fā)病機制。AD 患者的臨床研究顯示，GLT-1 的缺失與AD 的病理特征有關(guān)[23]。AD 實驗動物模型表明，與野生型對照組相比，丟失GLT-1 等位基因的AD 小鼠模型表現(xiàn)出加速的認知能力下降，而GLT-1 過表達在轉(zhuǎn)基因小鼠中減弱了AD 相關(guān)的認知能力缺陷[23-24]。特異性激活劑對AD 小鼠GLT-1功能的藥理學恢復也減輕了認知功能缺陷，提示GLT-1 在AD 的認知功能和神經(jīng)保護中發(fā)揮重要作用[23]。

在帕金森病人群中發(fā)現(xiàn)PD 患者血小板中的谷氨酸攝取減少了50%[25]，其疾病嚴重程度和癥狀也與谷氨酸攝取減少有關(guān)。暴露于6-羥多巴胺的PD 大鼠模型，紋狀體GLT-1 表達降低[26]。在PD小鼠模型中，GLT-1 的異常泛素化導致GLT-1 表達降低和運動功能缺失，同時伴有DA 細胞丟失[27]。綜上所述，GLT-1 發(fā)現(xiàn)提示GLT-1 在PD 的發(fā)病機制中起關(guān)鍵作用。

ALS 的機制目前尚不清楚，但越來越多的證據(jù)表明，谷氨酸介導的興奮性毒性與ALS 的發(fā)病機制密切相關(guān)[28]。對ALS 患者的尸檢證實了轉(zhuǎn)基因ALS 小鼠GLT-1 減少的結(jié)果[29]。ALS 小鼠模型中SOD1 的基因突變顯示GLT-1 的減少[30]。此外，β-內(nèi)酰胺類抗生素治療SOD1小鼠可緩解運動癥狀和延長生存期[31]。這些結(jié)果提示GLT-1 的失調(diào)與ALS 的發(fā)病機制密切相關(guān)。

在癲癇發(fā)作前，海馬細胞外谷氨酸水平顯著升高[32]。另有報道GLT-1 過表達可減輕毛果蕓香堿誘導的復發(fā)性癲癇，并阻止GLT-1 轉(zhuǎn)基因小鼠誘發(fā)的神經(jīng)元死亡[33]。表明GLT-1 在癲癇發(fā)病機制中發(fā)揮重要作用。此外，抗癲癇藥可逆轉(zhuǎn)GLAST/GLT-1 降低[34]。提示GLAST/GLT-1 可能是治療癲癇的靶點。

長期過量接觸錳會導致一種被稱為錳中毒的神經(jīng)系統(tǒng)疾病，其病理特征與偶發(fā)性PD 相似[35]。錳可以誘導多巴胺能神經(jīng)毒性，并伴有GLAST/GLT-1 功能障礙[34]。錳的神經(jīng)毒性也被認為協(xié)助AD、PD、ALS、精神分裂癥和癲癇等神經(jīng)退行性疾病的發(fā)展。

2.2 低親和力谷氨酸轉(zhuǎn)運體異常與疾病相關(guān)

VGLUTs 是減弱谷氨酸神經(jīng)傳遞的理想靶點，降低其活性會減少谷氨酸在突觸囊泡中的儲存及其隨后的釋放，可能有助于治療神經(jīng)退行性疾病，如ALS、AD 和亨廷頓病，以及癲癇和疼痛的治療。一些化合物可以阻止突觸囊泡對谷氨酸的攝取，但其功效可能受到中樞神經(jīng)系統(tǒng)和突觸囊泡的限制。動物模型證明VGLUTs 是囊泡積累和谷氨酸突觸釋放所必需的。SLC17A7 基因敲除小鼠通常只能活到斷奶，而通過積極的照顧，存活下來的動物是盲的[36]。SLC17A6 敲除小鼠在出生時即死亡，但是對野生型和條件性SLC17A6 敲除的研究表明VGLUT2 在記憶、疼痛、瘙癢和獎賞方面的作用[37]。SLC17A8 基因敲除小鼠失聰，并有癲癇發(fā)作和痛覺改變。在人類疾病方面，SLC17A8 的突變與DFNA25 位點的非綜合征性耳聾有關(guān)[38]。該疾病是一種常染色體顯性遺傳，SLC17A8 基因缺失的小鼠聽力正常，表明該突變表現(xiàn)為顯性負性[21，38]。

3 谷氨酸轉(zhuǎn)運體功能障礙與精神疾病的關(guān)系

谷氨酸在關(guān)鍵神經(jīng)回路中的傳遞在成癮相關(guān)行為（包括運動敏化和藥物尋求）的啟動和表達中起著關(guān)鍵作用。在甲基苯丙胺[39]、酒精和海洛因[40]給藥后，谷氨酸受體包括蛋白質(zhì)和基因表達的改變也有報道。在動物實驗中，甲基苯丙胺[41]、可卡因[42]均可使細胞外谷氨酸水平升高。上述表明攝入精神刺激劑與大腦的谷氨酸釋放增強有關(guān)[43]。此外，藥物誘導的神經(jīng)可塑性通過長時程增強[1]參與成癮藥物戒斷后恢復覓藥行為，即復吸[44]。綜上所述，細胞外谷氨酸受大腦不同區(qū)域谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白的調(diào)控，谷氨酸轉(zhuǎn)運體在調(diào)節(jié)谷氨酸水平方面發(fā)揮重要作用。

3.1 谷氨酸轉(zhuǎn)運體功能紊亂在酒精成癮的機制

研究指出[45]，急性酒精暴露會降低細胞外谷氨酸濃度，而慢性酒精暴露則會增加細胞外谷氨酸濃度。長期接觸酒精導致谷氨酸輸出功能增加，而且還可導致谷氨酸轉(zhuǎn)運能力受損。研究表明，大鼠長期暴露于酒精，大腦皮層谷氨酸轉(zhuǎn)運減少[46]。而酗酒者尸檢的基底外側(cè)杏仁核中GLAST 和GLT-1 水平顯著下降[47]。長期暴露于高劑量的酒精會降低EAAT3 和EAAT4 的活性[48]。然而，大鼠慢性攝入酒精EAAT1 和EAAT3 在頂葉皮層的表達沒有變化，EAAT2 在高劑量酒精喂養(yǎng)的大鼠中表達下調(diào)[48]。在尸體前額葉皮層樣本中，EAAT1 的表達在酗酒者中顯著升高，這表明神經(jīng)適應可能發(fā)生，從而逆轉(zhuǎn)細胞外谷氨酸水平的升高[49]。

酗酒還會改變VGLUTs 在大腦中央獎賞區(qū)域的表達，尤其是在伏隔核。在反復剝奪酒精后[50]，大鼠伏隔核區(qū)VGLUT2 選擇性升高，但作為大腦認知回路一部分的VGLUT1 水平的表達保持不變。這表明攜帶谷氨酸的VGLUT2 神經(jīng)元數(shù)量的增加與伏隔核中多巴胺與谷氨酸比例的顯著變化有關(guān)。

3.2 谷氨酸轉(zhuǎn)運體功能紊亂在藥物成癮的機制

在實驗動物中，甲基苯丙胺給藥后海馬內(nèi)的神經(jīng)元轉(zhuǎn)運體EAAT3 增加。大鼠大腦皮層VGLUT1和紋狀體VGLUT2 基因表達增加[51]。使用頭孢曲松可抑制與甲基苯丙胺有關(guān)的亢奮，還可抑制安非他明誘導的大鼠行為敏化[52]。

另有報道[53]，嗎啡急性處理時VGLUT1 下調(diào)；慢性處理時EAAT2 的表達下調(diào)，而VGLUT1 的表達上調(diào)。EAAT2 是調(diào)節(jié)線索誘導的可卡因覓藥行為的關(guān)鍵因素，這意味著EAAT2 基因參與藥物依賴及其相關(guān)精神病提供了證據(jù)。

3.3 谷氨酸轉(zhuǎn)運體功能障礙對行為認知的影響

研究表明[54-55]，谷氨酸轉(zhuǎn)運體功能障礙是導致抑郁癥的病理生理學基礎(chǔ)。腦室內(nèi)灌注星形膠質(zhì)細胞谷氨酸再攝取抑制劑二氫紅藻氨酸可使大鼠產(chǎn)生抑郁行為[56]，提示谷氨酸攝取功能紊亂在抑郁癥的病理生理中起重要作用。

Zink 等[57]研究發(fā)現(xiàn)，海馬和大腦皮層膠質(zhì)谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白EAAT2 的表達明顯受到抑制。EAAT4和VGLUT1 的表達水平降低，但GLAST 和EAAT3的轉(zhuǎn)錄水平?jīng)]有明顯變化。有報道[42]，慢性不可預知性應激（chronic unpredictable stress，CUS）可降低大鼠海馬的GLT-1 水平。而慢性給藥GEBR-7b可逆轉(zhuǎn)CUS 誘導的GLT-1 的下調(diào)，其抑郁樣行為改善，在一定程度上是通過調(diào)節(jié)大鼠海馬內(nèi)GLT-1 的水平來實現(xiàn)的。

EAATs 失調(diào)與精神分裂癥有關(guān)。精神分裂癥患者EAAT1 表達降低[58]，EAAT2 基因變異與精神分裂癥的嚴重程度相關(guān)[59]。在轉(zhuǎn)錄水平上，精神分裂癥患者大腦中EAAT2 的N-糖基化水平降低[60]。總之，EAAT1/2 可能參與了精神分裂癥的發(fā)病機制。

GLT-1 表達失調(diào)改變了谷氨酸從突觸間隙清除能力，導致自閉癥動物模型的發(fā)病機制[61]。GLT-1 的缺失導致小鼠突觸過度興奮和病理重復性行為，提示GLT-1 在調(diào)節(jié)皮質(zhì)突觸中發(fā)揮重要作用[62]，且可能存在聯(lián)系，這值得進一步探索。

4 小結(jié)

EAATs 的發(fā)現(xiàn)在神經(jīng)科學的研究中對谷氨酸的傳遞深入研究獲得了突飛猛進的進展。本課題組在前期研究結(jié)果提示通過調(diào)節(jié)GLT-1 改善甲基苯丙胺戒斷期焦慮癥狀，在后續(xù)研究中我們以谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白為靶點，更好地治療藥物依賴和復發(fā)。隨著VGLUTs 的深入研究，對CNS 中谷氨酸的精細調(diào)控的理解更進一步，同時它們作為標志物的特性則為探索CNS 重要高級功能，如認知功能、情緒和藥物依賴等提供了準確和有力的工具。在疾病模型中觀察到的轉(zhuǎn)運蛋白功能失調(diào)的具體途徑，從而導致對疾病的發(fā)病機制有更好的理解。谷氨酸轉(zhuǎn)運蛋白的藥物靶向化是一個開闊的探索方向，它將擴展筆者對高級功能障礙的理解，并有助于識別潛在的治療靶點，尤其是作為藥物靶標用于開發(fā)治療谷氨酸能系統(tǒng)相關(guān)疾病的藥物具有重要價值。