・综 述・高亲和力谷氨酸转运体3杨　如　杨雄里(中国科学院上海生理研究所,上海200031)摘要　高亲和力谷氨酸转运体主要位于神经元和胶质细胞的细胞膜上,能逆浓度梯度从胞外向胞内摄取谷氨酸,中止谷氨酸能传递,使胞外谷氨酸浓度保持在较低水平,以保护神经元不受谷氨酸的毒性影响。

近年来,随着高亲和力谷氨酸转运体的克隆,有关研究迅速发展。

本文从高亲和力谷氨酸转运体的克隆、分子结构特征、表达分布、生理功能、结构2功能关系等方面对近年的进展加以综述。

关键词　谷氨酸转运体;兴奋性氨基酸;神经递质学科分类号　Q424High2Aff inity G lutamate T ransporters　YAN G Ru,YAN G Xiong2Li(S hanghai In2stit ute of Physiology,Chi nese A cademy of Sciences,Shanghai200031)Abstract　High2affinity glutamate transporters are located predominantly in the plasmamembrane of neurons and glial cells.They have the capacity to take up glutamate fromthe extracellular space into the cells against its concentration gradient to terminate gluta2matergic transmission and to keep the extracellular glutamate concentration at low levelsto protect neurons from glutamate toxicity.As glutamate transporters were recentlycloned,the research in this field has been greatly advancing.This article focuses on re2cent progress in the study of molecular structure,distribution of expression,physiologi2cal significance,structure2function relationships of these transporters.K ey w ords　G lutamate transporter;Excitatory amino acid;Neurotransmitter谷氨酸是中枢神经系统兴奋性突触传递的主要神经递质。

由于胞外不存在谷氨酸代谢酶,谷氨酸清除的主要途径之一是由高亲和力谷氨酸转运体摄取谷氨酸。

高亲和力谷氨酸转运体(以下简称为谷氨酸转运体)分为G LAST(或简称EAA T1)、G L T1(EAA T2)、EAAC1 (EAA T3)、EAA T4和EAA T5等5个类型[1～5],虽然它们在其它组织也有分布,但主要位于神经元和胶质细胞的细胞膜上,其作用是逆浓度梯度从胞外将谷氨酸摄入神经元和胶质细胞内,在突触部位适时中止谷氨酸能传递,并使胞外谷氨酸浓度保持在较低水平,保护神经元不受谷氨酸的毒性影响。

这种转运将氨基酸摄取与同向转运Na+和逆向转运K+相偶联,又与同向转运H+(或逆向转运OH-)相偶联。

一般认为,转运体只起转运递质的作用,但近来发现,有些谷氨酸转运体有类似通道的特性,对氯离子有很高的通透性。

3　国家重点基础研究规划(G1999054000)、国家自然科学基金(39770256)和上海生命科学研究中心资助课题 一、谷氨酸转运体的分子结构特征及其在神经系统的分布1992年,几个实验室[1～3]同时独立地克隆了EAAC1、G L T1和G LAST三种真核生物的谷氨酸转运体。

之后,其它实验室[4,5]又相继克隆出EAA T4和EAA T5。

这些转运体均由500～600个氨基酸组成,有较高的同源性(其中36%～55%的氨基酸序列是相同的),而EAAC1、G L T1和G LAST之间的同源性则为51%～55%[6,7]。

不论是真核还是原核生物,其谷氨酸转运体具有相似的分子结构特征。

这些共同的特征包括:(1)8或10个跨膜区段;(2)胞外环或胞浆内有富含丝氨酸的基序(motif,EAA T5尚不清楚),在胞质区或跨膜功能区,有共同的功能区AA(I,V)FIAQ,可能与底物结合有关;(3)几个相同的P KA和P KC磷酸化位点(EAA T5尚不清楚);(4)第二个胞外环都有一个糖基化位点;(5)其近C末端有一个大的疏水区,与其它神经递质转运体不同。

附图显示克隆的人EAAC1的拓扑模型。

附图　人EAAC1结构的拓扑模型含10个跨膜区段(疏水区内跨膜区的确切数尚不清楚),SSSS为富含丝氨酸的基序,AAXFIAQ表示与底物结合有关的功能区,Ser87为PKC磷酸化位点,箭头表示位于第二个胞外环上的糖基化位点。

G L T1、G LAST、EAAT4和EAAT5的拓扑模型均相似(据Kanai等.1993改绘)G L T1和G LAST主要表达于脑内的胶质细胞,G L T1尤表达于前脑、海马、大脑皮层和纹状体等部位。

与G L T1相比,小脑的Bergmann胶质细胞G LAST特别丰富。

在膜上,G L T1和G LAST不仅可单独表达,亦可同时表达于不同部位[8]。

清除积聚的谷氨酸,防止兴奋性毒性主要由G L T1和G LAST完成。

近来有报道,G LAST和G L T1也可以在某些脑区(如脊髓接收初级传入区域)的神经元上表达。

EAAC1在中枢神经系统(包括视网膜)普遍存在,主要表达于突触后神经元,特别是其树突干和树突棘上。

它也可在突触前表达,如在海马的CA1～胞、深层细胞核团的突触前终扣、突触后靠近G ABA能纤维终末均有染色。

由于G ABA能神经元的G ABA主要从L2谷氨酸经α2脱羧形成,蒲肯野氏细胞轴突终末的EAAC1可能给这些细胞提供大量的谷氨酸,以维持其递质库中G ABA的浓度。

EAA T4仅局限于小脑,在蒲肯野氏细胞树突的突触后表达。

EAA T5(包括EAA T5A和EAA T5B)则局限于视网膜,表达于光感受器、双极细胞、无长突细胞和胶质细胞。

神经节细胞只表达EAA T5B。

二、谷氨酸转运体的特性谷氨酸转运体每转运一个谷氨酸,要联合转运2个Na+,反向转运一个K+,再同向转运一个H+或反向转运一个OH-,近来的研究更倾向于H+的同向转运。

即:1G lu(谷氨酸): 2Na+:1H+(或1OH-):1K+。

假定空的转运体是电中性的,满载的转运体携带一个G lu阴离子、2个Na+、可能还有一个H+,净电荷为1或2个,因此转运是生电的[9]。

由人运动皮层克隆的EAA T2在爪蟾卵母细胞上表达后,1mmol/L的L2谷氨酸可诱导出一个较大的(大于100nA)的内向电流(钳制电压-60mV),其中至少包括两个成分:一个瞬变电流,时间常数(τ)小于0.5ms,相对幅度为82%～86%;另一个稳态电流,τ在10～30ms 之间,相对幅度为14%～18%。

随着膜的超极化,稳态电流幅度呈指数增加,翻转电位为+ 40mV[10]。

,谷氨酸转运体有类似氯通道的特性,可通透氯离子和大量的阴离子,如ClO-4。

虽然转运时必须有谷氨酸或天冬氨酸存在,但通透氯离子的过程与底物转运并非在热力学上相耦联。

有人认为,谷氨酸或天冬氨酸与谷氨酸转运体的结合可能会改变转运体的构型,使其对氯离子通透。

虎蝾螈视网膜有sEAA T1、sEAA T2A、sEAA T2B、sEAA T5A 和sEAA T5B等5种谷氨酸转运体。

这些转运体除sEAA T5B外,在爪蟾卵母细胞上表达时,谷氨酸可诱导两个电流:一个内向整流的转运电流和一个非耦联的氯离子内流引起的外向电流,二者的总电流形成反转电位。

谷氨酸诱导的sEAA T5A的电流几乎全部由氯离子内流造成:当去除胞外氯离子、减少胞内氯离子后,L2谷氨酸则几乎不能诱导出任何电流;经计算,氯离子电流约占谷氨酸诱导电流的85%[11,12]。

Thoreson等(1996)发现,胞外去除氯离子,光感受器末梢谷氨酸的释放减少,水平细胞和ON型双极细胞的对光反应也减小。

他们还进一步发现(Thoreson等.1997),降低胞外氯离子抑制了DHP(dihydropyridine)敏感的钙离子电流(I Ca),继而抑制了光感受器信号的传递。

既然谷氨酸转运体对氯离子有通透性,它在细胞间信号传递中可能会有更主动直接的作用。

三、谷氨酸转运体的生理功能(一)在突触传递中的作用　因为谷氨酸能突触没有降解递质的相应的酶,只能通过突触前重摄取机制终止递质的作用,所以,一般认为,谷氨酸转运体在清除递质,终止突触传递中起重要作用(Dumuis等.1988)。

但有证据表明,谷氨酸转运体通常不参与快的突触后电位的形成,在海马CA1锥体细胞和小脑颗粒细胞的谷氨酸能突触,抑制谷氨酸转运体不能延长快的兴奋性突触后电位的衰减时程(Isaacson等.1993,Mennerick等.1994,Sarantis等.1993, Tong等.1994)。

Mennerick和Z orumski在培养的海马细胞上的实验进一步表明[13],当使胶质细胞去极化抑制谷氨酸摄取时,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EPSC的时程不受影响。

在视网膜,谷氨酸转运体则直接参与突触传递的过程。

G aal等[14]在虎蝾螈视网膜上发现,阻断突触前传递后,视锥光感受器上的电压依赖性谷氨酸摄取本身可以介导第二级神经元———水平细胞的对光反应;一旦阻断转运体活动,对光反应则变得很小。

鉴于转运体的活动水平与视锥膜电位密切相关,它对突触后反应的动态特性有重要影响。

谷氨酸转运体中止谷氨酸传递的作用似因脑区而异。

Wadiche等[10]用分析电压阶跃反应的稳态和前稳态电流(presteady2state currents)的方法,测定了由人运动皮层克隆、在爪蟾卵母细胞上表达的G L T1的反转速率,发现其完整的转运周期的时间常数约为70ms,而据估计,海马突触的谷氨酸衰减时间常数仅为1～2ms,二者相差一个数量级,这提示,谷氨酸转运体在这一区域未必是清除谷氨酸的主要机制。

但在虎蝾螈视网膜[14],光感受器谷氨酸转运体的特异性抑制剂———DH K(dihydrokainate,对Müller细胞上的谷氨酸转运无影响),能使谷氨酸清除速度约从每秒0.12μmol/L降低到0.031μmol/L。