收稿日期:2002209202 修回日期:2002212203
作者简介:付欣鸽(19672),广西武鸣县人,石河子大学医学院病理教研室副教授,硕士,从事神经系统疾病发病机制的研究。
谷氨酸转运体与癫痫付欣鸽 综述 郭文平 审校(石河子大学医学院病理教研室,新疆石河子832002)
摘要:谷氨酸转运体是位于神经元和胶质细胞膜上的一种糖蛋白,它在谷氨酸的再循环,维持突触的正常传递及保护神经元免受神经兴奋毒性损害等方面有重要作用。近年来研究表明,谷氨酸转运体的减少及表达异常与癫痫及其易感性的形成有密切联系。关键词:谷氨酸; 谷氨酸转运体; 癫痫中图分类号:R741.02 文献标识码:A 文章编号:100121773(2003)0220162203
谷氨酸(Glu)是中枢神经系统中一种主要的兴奋性神经递质,通过其受体的介导参与神经系统的正常功能活动及神经系统疾病的发生。由于细胞外不存在谷氨酸代谢酶系统,Glu的清除主要依靠谷氨酸转运体(GluTs)的摄取。谷氨酸转运体主要位于神经元和胶质细胞的膜上,能逆浓度梯度从胞外摄取Glu并转运至胞内,使细胞外谷氨酸保持在较低的浓度,维持突触间谷氨酸的正常传递,保护神经元不受谷氨酸的毒性影响。近年研究发现,GluTs的表达及合成的变化与癫痫发作及其易感性的形成有一定的关系。1 谷氨酸转运体(GluTs)1.1 GluTs的分类及结构特征 1992年,最先在大鼠脑及兔肠上皮上克隆出三种不同cDNA编码的GluTs,即GLAST(或简称EAAT1),GLT1(EAAT2),EAAC1(EAAT3)。之后,又相继克隆出EAAT4和EAAT5。这五种GluTs都是糖蛋白,由500～600个氨基酸组成,有50%～56%的同源性。它们在分子结构特征上具有一些共性:①相似的疏水模式(8或10个跨膜片段);②胞内有多个相同的磷酸化位点;③胞外有多个糖基化位点;④无信号肽且氨基端和羧基端都在胞内,且在C端有一大的疏水区,这与其他神经递质转运体不同;⑤在胞质区或跨膜区含有一段保守的7肽序列AA(I/Q)FIAQ,可能与底物结合有关。1.2 GluTs在神经系统的分布及作用(表1)1.3 GluTs转运Glu的机制 神经末梢去极化将Glu释放到突触间隙,进而激活位于突触前膜和胶质细胞膜上的GluTs,GluTs将细胞外的Glu摄回。Glu在胶质细胞中的谷氨酰胺合成酶的作用下形成Gln,后者重新回到突触前神经元,在神经元内在谷氨酰胺酶的作用下变为Glu,参与Glu再循环。表1 Gluts的分布部位及主要功能
GluTs分类分布部位主要功能GLAST小脑、海马、大脑皮层和纹状体等[1]。高亲和转运Glu
GLT1大脑新皮质、海马,纹状体。同上EAAC1神经元树突(树突干和树突棘上)海马锥体细胞等。[2]维持GABA浓度
EAAT4小脑Purkinje细胞的树突和树突棘。转运Glu
EAAT5视网膜(光感受器、双极细胞和无长突细胞)。除高亲和转运
Glu外,具Glu门控Cl2通道功能
GluTs摄取Glu时需有细胞外Na+存在。目前认为胞外Glu与GluTs结合后,顺着Na+的浓度梯度共同转运至胞内,在正常情况下,该转运体每摄取1个Glu阴离子同时摄入2个Na+,并排出1个K+和1个
OH-或HCO3-,从而产生内向电流,因此称为Na+和
K+依赖性高亲和Glu摄取。当Glu和Na+进入胞内
后,Glu被释放,K+置换Na+与GluTs结合被转运出胞,随后Na+2K+泵将胞内Na+泵出胞外,将K+泵回胞内,以维持细胞内外Na+,K+的正常浓度[3]。因此,
GluTs转运Glu是一种离子依赖性的耗能过程。1.4 GluTs的正常生理功能 Glu能神经突触没有降解递质的相应的酶,只能通过GluTs清除,终止突触兴奋传递。实验表明,当使胶质细胞去极化抑制
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第23卷第2期2003年4月国外医学・生理、病理科学与临床分册
ForeignMedicalSciences・SectionofPathophysiologyandClinicalMedicine Vol.23 No.2Apr. 2003Glu摄取时,慢速失敏或不失敏的NMDA反应延长,但快速失敏的非NMDA受体介导的突触后兴奋性增强(EPSP)时程不受影响[4]。在视网膜,GluTs直接参与突触传递的功能。Gaal等[5]发现在虎蝾螈视网膜上阻断突触前传递,视锥感受器上的Glu摄取本身可以介导水平细胞的对光反射,一旦阻断转运体活动,对光反应变得很弱,提示转运体对突触后反应的动态特性有重要作用。在培养的海马细胞和离体脑片上观察到,抑制GluTs摄取,突触间隙内Glu清除减慢,突触后膜受体激活增强,延长NMDA受体和AMPA受体诱导的EPSP时程,增加AMPA受体诱导的EP2SP幅度。然而有人认为抑制GluTs摄取,突触间隙内Glu浓度升高,反馈作用于突触前Glu能神经元自身受体,使Glu释放减少,因此降低NMDA受体和非NMDA受体诱导的EPSP幅度。近年研究表明,GluTs兼有信号转导的功能,在GluTs第三个胞内功能区有一15个残基的片段,其靠近N端和C端各有一个保守的碱性氨基酸序列,其总体模式与新近发现的IGF211和α2肾上腺素受体的一段基序吻合,这段基序在与不同种类的异源三聚体G蛋白的Gα亚基结合至关重要。而结合位点也位于这个有7次跨膜区受体的第三个胞内环,提示GluTs可能在信息转导中起作用。如GluTs特异性配体L2trans22,42PCD能抑制经由β2肾上腺素受体介导的cAMP积聚;在垂体细胞GH3,Glu经由GluTs,而非Glu受体使胞浆钙增加。2 谷氨酸转运体与癫痫2.1 GluTs在癫痫时的表达变化及其意义 目前认为神经胶质细胞上的GluTs在保持细胞外液的Glu和GABA的动态平衡中起重要作用。推测GluTs的变化与癫痫的发生可能有密切的联系。电刺激大鼠杏仁核诱导癫痫发作,24h后,梨状皮层和杏仁核内GLAST表达下降,海马区EAAC1表达增加,而GLT1在上述各脑区无明显变化。发作1个月后,只有EAAC1表达持续增加,而GLAST和GLT1表达无明显变化。另一研究显示,在海马非硬化病人的CA1和CA2区GLT1上调,而在硬化病人GLAST和GLT1下调[6]。对遗传性癫痫易感的大鼠研究显示:GLT1mRNA在海马、大脑皮层和纹状体中表达下调,而EAAC1mRNA在纹状体中表达下调。Gorter[7]等研究显示,EAAC1在CA1～CA3区的颗粒细胞层增加,在齿状回颗粒细胞一直减少。提示EAAC1在海马区表达增加,一方面促进向细胞内转运Glu,同时增加GABA的合成,这与癫痫发作时GABA合成和释放的增加来对抗过多Glu的代偿机制是相似的;另一方面齿状回可能缺乏摄取机制导致Glu增加,促使苔藓纤维抽芽,为海马兴奋性的增高奠定了基础。至于GLAST在梨状皮层和杏仁核发作初始表达降低,后无明显变化,可能是由于随Glu含量的逐渐增加引起GLAST代偿性的表达,故GLAST又恢复正常。通过海人酸诱(KA)导的癫痫大鼠研究表明[8],海马、齿状
回、梨状皮层的GLT1在癫痫发作后4h表达增加,在海马区EAAC1mRNA点燃后4h表达明显降低,5d后CA1区EAAC1mRNA降低更明显,齿状回EAAC1mRNA在癫痫发作后表达增高维持较长时间。由此推测,EAAC1参与癫痫性发作,在海马区EAAC1mR2NA的表达水平下降,可能是由于KA使海马区Glu水平升高,导致神经元兴奋性中毒,而齿状回EAAC1
mRNA表达增加,可能是由于存活神经元的代偿反应。海人酸诱导的Glu释放使星形胶质细胞GluTs短期表达,而缺乏对GLAST和GLT1的长期作用。海马区EAAC1的减少,又导致Glu大量聚集和GABA合成的减少,使神经元中毒死亡,此机制可能是海马区产生兴奋性中毒的基础。2.2 GluTs致痫的可能作用机制 Rothstein等[9]用GluTs反义寡核苷酸在培养的大鼠脊髓薄片剔除GLT1和GLAST后,发现前脚运动神经元数目减少,而剔除EAAC1则无此现象。大鼠脑室内注射GLT1
和GLATS的反义寡核苷酸后,海马和纹状体细胞外Glu浓度增加,形态异常的神经元数目也增加,Tsuru等[10]在GLAST敲除鼠中发现细胞外Glu浓度也增加。这是因为神经元不含谷氨酰胺酶,胞内Glu浓度比胞外高,这种跨膜浓度差与其GluTs的最大转运能力相近,而胶质细胞有谷氨酰胺酶,使Glu变成谷氨酰胺,故维持胞内Glu在最低水平。这样,胶质细胞膜的GluTs就有较强的能力摄取Glu,表明痫性发作导致的GluTs的功能改变,使Glu转运失去平衡,最终导致Glu在突触间隙的聚集,引起兴奋性毒性反应。与GLT1和GLAST不同,EAAC1可能与降低突触间的Glu浓度有关。大鼠脑室注入EAA1反义寡核苷酸,1周后动物出现明显的惊厥,而剔除GLT1和GLAST
没有出现这种现象[11]。这显然是因为EAAC1作为突触后膜GluTs,可快速与Glu结合,降低突触间隙的Glu浓度。在剔除EAAC1后,Glu介导的突触传递也增强。对颞叶癫痫伴海马硬化的患者研究显示[12],在
Ammon角和CA1辐射层GLT1减少,EAAC1在锥体层和颗粒细胞中增加,而在神经元严重丢失区EAAC1
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第2期付欣鸽,等:谷氨酸转运体与癫痫 第23卷