代谢型谷氨酸受体与神经发生的关系

张军峰v,刘 勇*(西安交通大学医学院神经生物学研究所,西安710061)中图分类号:R338 文献标识码:A 文章编号:1006-2084(2009)22-3386-04

摘要:谷氨酸作为成熟的神经元中最主要的兴奋性神经递质,可以影响神经发生,其中代谢型谷氨酸受体具有重要作用。本文回顾总结了代谢型谷氨酸受体分类、分子结构和各亚型突触分布,以及各组代谢型谷氨酸受体对神经发生的作用和可能机制。关键词:代谢型谷氨酸受体;神经发生;神经干细胞

MetabotropicGlutamateReceptorsandNeurogenesis ZHANGJun-feng,LIUYong.(InstituteofNeurobiology,MedicalSchoolofXicanJiaotongUniversity,Xican710061,China)Abstract:Glutamate,asthemostimportantpermanentexcitatoryneurotransmitterinmatureneu-rons,caninfluenceneurogenesis,andthemetabotropicglutamatereceptors(mGluRs)playanimportantroleinthisprocess.Thispaperreviewsthecategorization,molecularconstitutionandsynapticdistribu-tionofmGluRs.Also,theeffectofmGluRsonneurogenesisandthemechanismsaresummarized.Keywords:Metabotropicglutamatereceptors;Neurogenesis;Neuralstemcells

谷氨酸(glutamate,Glu)是哺乳动物中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质,对突触兴奋性的传导起调节作用,在生理状态下参与神经系统的发育、学习和记忆等的调节。谷氨酸受体(glutamaterecep-tors,GluRs)按与配体结合后的效应不同分为两类:离子型谷氨酸受体(ionotropicglutamatereceptors,iGluRs,包括N-甲基-D-天冬氨酸受体、A-氨基羟甲基恶唑丙酸受体和海人酸受体)和代谢型谷氨酸受体(metabotropicglutamatereceptors,mGluRs)。通常把mGluRs当作神经递质受体,因为它们能与突触间的Glu结合,并参与调节突触可塑性,然而有资料显示mGluRs还有其他功能:¹不同的mGluRs亚型在胚胎脑发育的早期就有表达并具有功能[1-4];º在多血症患者的外周细胞中发现有mGluRs,而这些细胞都不受Glu能末端支配;»在中枢神经系统及中枢神经系统外的癌瘤细胞中也检测到了mGluRs;¼在细胞核膜上也发现了功能性mGluRs,这些地方是无法接触到突触传递的Glu[5-7];½mGluRs亚型有长C末端结构域,其拥有/结构活性0,在没有胞外Glu的情况下也可以被激活[8]。因此,认为mGluRs或许可以调节发育的细胞或者外周组织的细胞以及癌瘤细胞的生理过程。本文就mGluRs与神经发生的相互关系及研究进展综述如下。1 mGluRs的分类、分子结构和突触分布1.1 mGluRs的分类 mGluRs属于G蛋白耦联受体家族,根据氨基酸序列的同源性、药理学特性和细胞内信号转导机制的差异,将8种已克隆的mGluRs分成3组[9-12]:¹Ñ组mGluRs包括mGluR1和mGluR5,主要通过耦联Gq激活磷酯酶C,促进细胞内磷酯酰肌醇二磷酸水解为三磷酸肌醇和二酰甘油,导致胞内Ca2+浓度升高;ºÒ组mGluRs包括mGluR2和mGluR3,与Gi/o耦联后被激活,抑制环磷腺苷的形成和电压敏感的Ca2+通道,激活K+通道;»Ó组mGluRs包括mGluR4、mGluR6、mGluR7和mGluR8,也是与Gi/o耦联,激活后抑制腺苷酸环化酶的活性。其中mGluR1、mGluR3、mGluR5、mGluR6、mGluR7和mGluR8受体亚型由于剪接变体的存在,又分为几种亚亚型。如mGluR1又可以分为mGluR1a、b、c、d和e。1.2 mGluRs的分子结构 mGluRs的拓扑结构包括3部分:N末端的胞外结构域、G蛋白耦联受体的特异性7次跨膜区和胞质内的C末端尾[13]。其中N末端部分有Glu结合位点[14-16],C末端的胞内结构域可以与G蛋白耦联作用引发信号转导[17,18]。而剪接变异就经常发生在C末端的结构域,通过外显子跳跃或者不同内在剪接体的选择,产生不同的剪接变异体。mGluR1的剪接变异体C末端的自然丢失,会导致激动剂效能的降低,由此推断C末端可能决定激动剂的效能。1.3 mGluRs的分布 各组mGluRs既可分布在突触前,又能分布在突触后,Ñ组mGluRs主要是位于突触前,通过调节离子型Glu受体调节神经元的兴奋性[19-21],而Ò、Ó组mGluRs主要是作为突触前受体来调节Glu和其他神经递质的释放[22]。2 神经发生广义的神经发生指神经发育的所有过程,包括神经干细胞的增殖、迁移和分化。而神经元的形成,可以通过增加或改变前体细胞向神经元定向分化的方法来增加,为了更好地了解神经发生,将增殖效应与影响细胞命运和存活的效应区分开来讨论。近年来越来越多的研究发现,神经发生不仅存在于胚胎发育过程中,在哺乳动物包括人类非人类的灵长类动物的成体中也持续存在着神经发生,而在成体中神经发生主要存在于前脑的2个脑区:侧脑室的室下区(subventricularzone,SVZ)[23,24]和海马#3386#医学综述2009年11月第15卷第22期 MedicalRecapitulate,Nov2009,Vo.l15,No.22齿状回的颗粒下层[25-28]。当今,人们主要把干细胞或干细胞样细胞作为关注对象来研究神经发生。3 各型mGluRs与神经发生的关系在成体各种脑损伤后可能存在着类似于胚胎中枢神经系统发育过程中神经发生的过程;Glu在中枢神经系统发育过程中以及在成体各种脑损伤高水平表达,暗示着其与神经发生的相关性;以往的研究主要集中在iGluRs上,随着20世纪80年代mGluRs的发现,mGluRs在神经发生中的作用也日益受到重视。mGluRs胚胎发育过程中的表达分布情况以及脑损伤后表达水平的变化都揭示了其与神经发生密切相关。3.1 Ñ组mGluRs与神经发生 虽然Ñ组mGluRs的信号通路相同,但是激活mGluR1和mGluR5的作用却不完全相同。有研究报道,mGluR5可以促进小脑颗粒细胞存活,但mGluR1无此功能[29]。阻断mGluR5可以抑制颗粒细胞存活,而抑制mGluR1可以阻止浦肯野细胞存活[30]。但是关于Ñ组mGluRs对神经发生的作用,基本上比较一致。激活Ñ组mGluRs,无论是对体外培养的神经球,还是在体神经发生区,都会有促进增殖和存活的作用,其中mGluR5的研究比较多。DiGiorgiGerevini等[3]检测大鼠从胚胎12d到出生后mGluR1a-b、-2、-3、-4a、-4b、-5a亚型的mRNA表达情况,结果发现除了mGluR4外其他亚型都表达,但在胚胎脑中只有mGluR5蛋白有表达。在E15,mGluR5主要脑室周围的细胞中表达,在E18开始弥散性表达。在生后,除了其经典的表达位点外,mGluR5在激活的发生区如SVZ和小脑的外颗粒层都有表达,但未见其他mGluRs亚型表达。Cappuccio等[31]也检测了在大鼠胚胎和生后脑中mGluRs的表达情况,发现在胚胎的所有脑区都有mGluR5蛋白表达,而且在生后的脑中激活的神经发生区也有规律的表达。而在培养的未分化状态小鼠胚胎干细胞中也有mGluR5表达,但用MPEP阻断mGluR5后,逆转录-聚合酶链反应和免疫杂交显示,维持胚胎干细胞自我更新的两种主要的转录因子Oc-t4和Nanog以及碱性磷酸酶的表达和磷酸化减少,并促进胚胎干细胞分化。这些资料说明mGluR5对大脑早期发育很重要。DiGiorgiGerevini等[32]进一步发现,培养的小鼠神经祖细胞表达功能性mGluR3和mGluR5,药物阻断这两种受体后,神经祖细胞的增殖和存活减少了,而激活mGluR5可以明显地促进细胞增殖。缺乏mGluR5的成年小鼠或者用mGluR5/3拮抗剂处理后,SVZ和海马齿状回中分裂增殖的神经祖细胞数明显减少。说明激活mGluR5都可以控制神经祖细胞的存活和增殖,而阻断mGluR5可以减少成年小鼠前脑神经发生区的祖细胞的数目。这就进一步明确了mGluR5的促神经发生作用。同时,Baskysa等[33]在海马组织的器官培养中,又发现Ñ组mGluRs激动剂DHPG(100Lmol/L,72h)可以轻微地增加未成熟神经元标志物TOAD-64阳性细胞数目,而且mGluR1拮抗剂LY367385(10Lmol/L,72h)明显地减少TOAD-64阳性细胞数目,但是mGluR5拮抗剂没有此作用。说明mGluR1对海马神经祖细胞的增殖可能有促进作用。最近,Gandhi等[34]用在体模型和原代神经母细胞培养,发现对不同发育脑区的前脑前体细胞的增殖,Glu通过不同亚型受体,产生不同的作用。mGluR5的激活对纹状体的增殖是必不可少的,但是对皮质祖细胞却不然。而且腹侧端脑中mGluR5介导的增殖作用主要局限在室区,其次是对增殖区有微弱作用。Glu通过多种受体机制诱导前脑神经发生区的增殖:N-甲基-D-天冬氨酸受体和mGluR5调节腹侧端脑DNA合成,A-氨基-3-羧基-5-甲基异唑-4-丙酸/红藻氨酸受体调节背侧端脑的增殖。而利用外源性的区域特异性Glu来作用于各型细胞群的增殖,对哺乳动物前脑的神经元的亚型的生成是一种重要的机制。从而提出假说,mGluR5通过亚型分布的区域特异性方式来调节前脑神经祖细胞的增殖。此外,mGluR5对胶质前体细胞也有增殖调节作用,Peavy等[35]通过免疫印迹发现在原代培养的大鼠皮质胶质细胞中仅有mGluR5表达,没有其他亚型表达。成年人中枢神经系统中胶质前体细胞表达mGluR5mRNA,激活mGluR5促进培养的星形胶质细胞增殖。说明mGluR5对细胞分化和增殖都很重要。3.2 Ò组mGluRs与神经发生 Ò组mGluRs有很强的序列同源性,而且在许多脑区有相同的分布。但关于其作用的报道却不尽一致,长期使用Ò组mGluRs拮抗剂mGluRs既可以促进体外齿状回细胞增殖[36],也有报道抑制增殖[32,37]。有报道显示,在长期使用Ò组mGluRs拮抗剂,MGS0039处理成年小鼠后增加了齿状回BrdU阳性细胞数目[36]。但是,也有相反的研究结果,DiGiorgiGerevini等[32]从小鼠胚胎前脑分离出来的神经祖细胞,在含血清的体外培养下表达功能性mGluR3,而且在培养的神经球中,用药物阻断mGluR3后细胞的增殖和存活减少了,在体研究也发现用mGluR3拮抗剂处理的成年小鼠,其SVZ和海马齿状回的增殖的神经祖细胞数目明显减少[32]。这种不一致性或者是#3387#医学综述2009年11月第15卷第22期 MedicalRecapitulate,Nov2009,Vo.l15,No.22由于应用了不同的拮抗剂,也或者是不同的实验中不同的实验设备引起的差异。最近有证据显示,mGluR3参与调节神经干细胞的分化[38]。培养的SVZ神经干细胞在去除分裂素后,分化为神经元、星形胶质细胞和少突胶质细胞,用mGluR2/3激动剂LY379268处理7d后,使干细胞局限分化为成熟的星形胶质细胞,趋向于表达GFAP+的双极和三极细胞,与B型SVZ细胞相似,可以被激活增殖,表达神经祖细胞标志物Sox-1。Brazel等[37,39]发现mGluR3并没有诱导对称分裂产生更多的干细胞,而是诱导短暂扩增细胞形成,从而促进干细胞分化。3.3 Ó组mGluRs与神经发生 此组受体与药理学鉴定的L-AP4受体相似,其中mGluR7分布最为广泛,mGluR6仅在含双极细胞胞体的视网膜内核层表达,mGluR8主要在主嗅球和副嗅球、嗅前核、梨状皮质、内嗅区、脑桥核和延髓的外侧网状核[40],由于分布局限性和缺乏高选择性激动剂/拮抗剂,上述3种亚型与神经发生相关的研究较少,而与神经发生相关研究较多的是mGluR4。mGluR4参与调节小脑颗粒细胞神经祖细胞增殖和分化。小脑颗粒细胞是中枢神经系统中为数最多的神经细胞群体,在啮齿类动物其来源于小脑皮质的外颗粒层的神经祖细胞。在神经祖细胞向内迁移穿过小脑皮质的过程中,其逐渐的分化未成熟的颗粒细胞,此过程受到浦肯野细胞产生的微环境的影响,如胰岛素样生长因子1和其他物质。Canudas等[41]发现培养的小脑细胞中富含表达mGluR4的颗粒细胞神经祖细胞,用mGluR4激动剂PHCCC,减少神经祖细胞数目,并使其逐渐向成熟的颗粒细胞分化。而在mGluR4剔除小鼠中,PHCCC则没有这种作用。这说明mGluR4在小脑皮质中的作用,不仅仅是局限在调节平行纤维和Purkinje细胞之间的兴奋性突触传递,还参与调节了小脑发育。Iacovelli等[42]用Ó组mGluRs激动剂L-AP4处理培养的小脑颗粒细胞后,增加了丝裂原活化蛋白激酶的磷酸化和激活,同时增加了磷酯酰肌醇3激酶的靶蛋白蛋白激酶B,而这些作用可以被Ó组拮抗剂MSOP和CPPG减弱。L-AP4也可以诱导b-连环蛋白的核转位,而b-连环蛋白是磷酯酰肌醇3激酶通络的下游效应基因。说明G蛋白耦联受体可以通过激活/抑制环磷酸腺苷的形成或者刺激聚磷酸肌醇水解,激活丝裂原活化蛋白激酶和磷酯酰肌醇3激酶通路,而调节细胞存活、增殖和分化。综上所述,不同组的mGluRs对神经发生有不同的作用,而同组的不同亚型的mGluRs作用也不相同,甚至同一亚型mGluR在不同浓度、不同时期和不同部位的作用也不尽相同。因此,需要对mGluRs在神经发生中的作用进行更深入的研究和了解,以明确其对神经发生的作用。4 各组代谢型GluRs的促增殖分化的可能机制神经发生的许多环节,如增殖、迁移和分化,都可以在外界环境和内部信号的影响下受到调节。作为G蛋白耦联受体,mGluRs可以调节多种胞内第二信使的合成,从而调节机体各种生理病理活动的发生和发展[43]。mGluRs促神经发生主要是通过以下几个方面来实现的:¹直接的促增殖作用;º促NSCs/神经祖细胞向神经元分化;»促存活、抗凋亡神经保护作用。另外,还有间接作用,如对iGluRs的调节作用、促营养因子的释放、自身受体和异身受体的作用、神经元-胶质细胞的相互作用和促血管生成等途径。作为G蛋白耦联受体家族,mGluRs的生物学功能也是通过激活胞内第二信使通路从而引起生物学效应。如Iacovelli等[42]研究发现在培养的小脑颗粒细胞中,用Ó组mGluRs激动剂L-AP4激活Ó组mGluRs后,刺激丝裂原活化蛋白激酶和磷酯酰肌醇3激酶通路,从而调节细胞增殖、分化和存活[44]。另外有很多研究报道Ñ组和Ò组mGluRs可以激活神经元和星形胶质细胞的丝裂原活化蛋白激酶或磷酯酰肌醇3激酶通路[45-47]。5 展 望由于近年来对成体神经发生的关注,激活内源性的神经发生或者移植外源性的神经干细胞已经成为治疗神经系统疾病的一种很有前途的策略。制备合适的外源性祖细胞或者募集内源性干细胞,并诱导其向特定的区域迁移,向特定的表型分化,都需要对神经发生有非常清楚的了解。这就需要借助一些与神经发生有关的神经营养因子、神经递质等物质来实现对神经干细胞的有效控制。mGluRs在哺乳动物中枢神经系统介导兴奋性神经传导,与学习记忆中的突触传递、可塑性改变、神经递质的调节等生理过程以及脑缺血、脑创伤、癫痫发作、神经元变性疾病等病理过程均有密切的关系。根据mGluRs各亚型在中枢神经系统不同功能,开发和应用一些能通过血脑屏障,高选择性的激动剂和拮抗剂,推动mGluRs与神经变性疾病的研究,达到治疗疾病的目的。参考文献[1] KinzieJM,SaugstadJA,WestbrookGL,etal.Distributionofmetabotropicglutamatereceptor7messengerRNAinthedevelo-pingandadultratbrain[J].Neuroscience,1995,69(1):167-176.[2] SampaioLF,Paes-de-CarvalhoR.DevelopmentalregulationofgroupIIImetabotropicglutamatereceptorsmodulatingadenylate#3388#医学综述2009年11月第15卷第22期 MedicalRecapitulate,Nov2009,Vo.l15,No.22