MARCKS對(duì)突觸可塑性和認(rèn)知功能的影響

張 帆，萬燕杰，，徐 靜

(1徐州醫(yī)學(xué)院、江蘇省麻醉與鎮(zhèn)痛應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇徐州221002; 2上海市浦東新區(qū)公利醫(yī)院)

樹突棘的可塑性是突觸發(fā)育及神經(jīng)通路重塑的先決條件，也是大腦行使高級(jí)功能(如學(xué)習(xí)記憶)的重要機(jī)制。隨著分子生物學(xué)的迅速發(fā)展，對(duì)調(diào)控樹突棘可塑性的蛋白質(zhì)分子有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)，豆蔻酰化的富含丙氨酸的蛋白激酶C底物(MARCKS)蛋白廣泛分布于各種細(xì)胞，但主要表達(dá)于大腦皮層、海馬，因其強(qiáng)效的細(xì)胞骨架調(diào)節(jié)能力以及與認(rèn)知功能的密切聯(lián)系，引起了人們的廣泛關(guān)注［1］。本文結(jié)合文獻(xiàn)就MARCKS對(duì)突觸可塑性和認(rèn)知功能的影響作一綜述。

1 MARCKS概述

MARCKS蛋白是蛋白激酶C(PKC)的特異性底物，以磷酸化和非磷酸化的形式存在于體內(nèi)，在G蛋白偶聯(lián)受體信號(hào)途徑中具有重要的作用。MARCKS蛋白的磷酸化位點(diǎn)區(qū)域稱為效應(yīng)域(ED)，其結(jié)構(gòu)高度保守，能夠與細(xì)胞膜、PKC、鈣/鈣調(diào)蛋白(CaM)和纖維狀肌動(dòng)蛋白(F-actin)相結(jié)合。MARCKS與細(xì)胞膜的結(jié)合主要通過兩種方式，一是豆蔻?；腘端直接插入細(xì)胞膜脂雙層;二是ED中的堿性殘基與膜上的酸性磷脂的靜電吸附。任何一種單獨(dú)作用都不足以維持MARCKS蛋白與膜的穩(wěn)定結(jié)合。ED中的絲氨酸殘基是PKC磷酸化的位點(diǎn)，通過 PKC的磷酸化或與 Ca2+/CaM結(jié)合，MARCKS和細(xì)胞膜的靜電相互作用消除，從而引發(fā)MARCKS蛋白由細(xì)胞膜向胞質(zhì)的轉(zhuǎn)移，發(fā)揮其生理學(xué)效應(yīng)［2，3］。

2 MARCKS對(duì)樹突棘及神經(jīng)突形態(tài)可塑性的影響

樹突棘是樹突分支上的棘狀突起，主要由F-actin骨架、突觸后致密物、神經(jīng)遞質(zhì)受體和信號(hào)蛋白分子等組成，是神經(jīng)元間形成突觸的主要部位。MARCKS在樹突棘中起著調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架和細(xì)胞膜的作用，并以此改變棘突的形態(tài)和穩(wěn)定性［4］。Calabrese等［5］用RNAi技術(shù)干擾發(fā)育早期海馬神經(jīng)元中內(nèi)源性MARCKS的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)抑制MARCKS的表達(dá)后，樹突棘的密度、長(zhǎng)度、棘頭的寬度都明顯下降，表明突觸后膜MARCKS的聚集是樹突棘形成過程中的重要步驟，抑制MARCKS則損害正常樹突棘的形成。然而，上調(diào)MARCKS水平后，也會(huì)出現(xiàn)樹突棘密度減少、長(zhǎng)度增長(zhǎng)、棘頭寬度下降。MARCKS表達(dá)減少或過表達(dá)均會(huì)造成樹突棘形態(tài)的改變，提示維持MARCKS的生理水平對(duì)形成形態(tài)正常的樹突棘具有重要意義。

生長(zhǎng)錐是神經(jīng)軸突生長(zhǎng)的執(zhí)行單元，向外部突出絲狀偽足，在內(nèi)部的微管、微絲構(gòu)成的動(dòng)力骨架支撐下進(jìn)行生長(zhǎng)，從而決定軸突生長(zhǎng)導(dǎo)向。Li等［6］研究發(fā)現(xiàn)，MARCKS增加了絲狀偽足的數(shù)量和長(zhǎng)度。動(dòng)態(tài)細(xì)胞成像技術(shù)顯示，MARCKS蛋白顯著增加絲狀偽足的活動(dòng)性，并誘導(dǎo)更多的絲狀偽足從軸突上突出，推測(cè)MARCKS可能是通過對(duì)F-actin的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)引起絲狀偽足的形態(tài)變化。MARCKS也是生長(zhǎng)錐粘連復(fù)合物的調(diào)節(jié)組件，磷酸化MARCKS表達(dá)缺陷的突變細(xì)胞能夠增加生長(zhǎng)錐的粘連;相反，MARCKS表達(dá)沉默的細(xì)胞可引起生長(zhǎng)錐區(qū)粘連減少，抑制生長(zhǎng)錐擴(kuò)展，從而證實(shí)了MARCKS通過與粘連蛋白作用，起著穩(wěn)定生長(zhǎng)錐粘連的作用［7］。

3 MARCKS對(duì)樹突棘及突觸功能可塑性的影響及機(jī)制

3.1 MARCKS對(duì)長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)(LTP)的影響 LTP是突觸可塑性的重要指標(biāo)，反映了突觸水平上的信息貯存過程。MARCKS表達(dá)減少的大鼠會(huì)出現(xiàn)空間逆轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)障礙［8］。Hussain等［9］對(duì)此進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，MARCKS表達(dá)減少引起苔蘚纖維—海馬角3區(qū)通路LTP受損可能是大鼠空間功能障礙的原因。此外，PKC和MARCKS的磷酸化也涉及LTP、學(xué)習(xí)和記憶相關(guān)的突觸可塑性［10］，說明MARCKS在LTP中起重要作用。

3.2 MARCKS對(duì)學(xué)習(xí)記憶的影響和機(jī)制 突觸可塑性是學(xué)習(xí)和記憶的分子機(jī)制，樹突棘是大腦神經(jīng)元可塑性的重要位點(diǎn)。Timofeeva等［11］發(fā)現(xiàn)，腹側(cè)海馬注射MARCKS的大鼠在八臂水迷宮測(cè)試中表現(xiàn)出明顯的空間學(xué)習(xí)記憶受損，外源性MARCKS損害了海馬的某些具體功能，提示MARCKS在學(xué)習(xí)和記憶中有重要作用。Calabrese等［5］用PKC激活劑佛波酯作用于培養(yǎng)的神經(jīng)元，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，神經(jīng)元樹突棘減少以及萎縮，其原因是直接調(diào)節(jié)脂筏對(duì)樹突棘形態(tài)的維持產(chǎn)生了強(qiáng)烈影響。MARCKS的磷酸化使其由細(xì)胞膜向細(xì)胞質(zhì)易位，引起脂筏上的PIP2釋放，產(chǎn)生信號(hào)調(diào)節(jié)肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架，使細(xì)胞骨架與細(xì)胞膜之間的親和力增強(qiáng)，從而改變樹突棘的形態(tài)和運(yùn)動(dòng)。由此推測(cè)，MARCKS可能是通過調(diào)節(jié)樹突棘而在學(xué)習(xí)記憶中發(fā)揮作用。

4 MARCKS的分子調(diào)節(jié)機(jī)制

目前普遍認(rèn)為，MARCKS在樹突棘的遷移與發(fā)育階段及神經(jīng)功能狀態(tài)有關(guān)，但對(duì)具體調(diào)控分子及信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路的研究尚在探索階段。新近研究表明，MARCKS的磷酸化不僅受到PKC的調(diào)節(jié)，Ras同系基因家族成員A/Rho相關(guān)卷曲螺旋形成蛋白激酶(RhoA/ROCK)通路在MARCKS蛋白的ED區(qū)Serl59位點(diǎn)也參與其磷酸化的調(diào)節(jié)。ROCK抑制劑H-1152能夠抑制PKC激活劑佛波酯對(duì)MARCKS蛋白Ser159位點(diǎn)的磷酸化，ROCK直接參與了對(duì)MARCKS蛋白 ser159位點(diǎn)的磷酸化調(diào)節(jié)。另外，PKC抑制劑Ro-31-8220和RhoA抑制劑HA1077、Y27632都能夠抑制MARCKS的磷酸化活性，證實(shí)PKC和RhoA/ROCK通路對(duì)MARCKS的磷酸化具有調(diào)節(jié)作用。同時(shí)，佛波酯對(duì)RhoA的活化可以被Ro-31-8220抑制，推測(cè)PKC可能位于RhoA/ROCK通路上游，兩者共同調(diào)節(jié) MARCKS的磷酸化活性［3，12］。此外，MAPK、Cdks等蛋白激酶也可以磷酸化MARCKS上的絲氨酸/蘇氨酸殘基［14］。泛素—蛋白酶體系統(tǒng)可降解MARCKS，導(dǎo)致肌動(dòng)蛋白重組和樹突棘萎縮［15］。

5 與MARCKS相關(guān)的認(rèn)知功能障礙

樹突棘對(duì)大腦神經(jīng)元可塑性具有重要作用，它的數(shù)量以及形態(tài)的變化與神經(jīng)突觸可塑性密切相關(guān)［4］。在細(xì)胞分子水平，MARCKS異常表達(dá)可影響樹突棘的形態(tài)功能可塑性，而行為學(xué)的研究也表明，MARCKS與認(rèn)知功能存在密切聯(lián)系［5，11］。多數(shù)學(xué)者以阿爾茨海默病(AD)作為模型，對(duì)MARCKS與認(rèn)知功能障礙進(jìn)行了較為深入的研究。

AD是一種常見的老年性腦神經(jīng)退行性病變，臨床表現(xiàn)為認(rèn)知障礙、神經(jīng)病學(xué)及精神病學(xué)改變。在AD患者腦內(nèi)的淀粉樣斑塊中，發(fā)現(xiàn)有與小膠質(zhì)細(xì)胞活化相關(guān)的MARCKS磷酸化。體外實(shí)驗(yàn)證實(shí)，β樣淀粉蛋白(Aβ)可誘導(dǎo)巨噬細(xì)胞和小膠質(zhì)細(xì)胞中MARCKS的磷酸化，說明MARCKS的磷酸化與AD的病理變化密切相關(guān)［16］。韓振蘊(yùn)等［17］研究表明，側(cè)腦室注射Aβ(1～40)可明顯增加老齡大鼠海馬MARCKS mRNA表達(dá)，并且導(dǎo)致老齡大鼠學(xué)習(xí)記憶障礙。提示MARCKS表達(dá)異?？赡苁茿β(1～40)致神經(jīng)元可塑性降低的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。上述動(dòng)物模型和體內(nèi)外研究都說明，MARCKS與認(rèn)知功能存在密切聯(lián)系，其磷酸化表達(dá)升高或其mRNA水平升高時(shí)，均不同程度地影響認(rèn)知功能;而在細(xì)胞水平導(dǎo)致的樹突棘形態(tài)和功能可塑性改變也是認(rèn)知功能障礙的分子生物學(xué)特征之一。

綜上所述，樹突棘形態(tài)的穩(wěn)定性及可塑性對(duì)大腦行使正常的認(rèn)知功能必不可少。樹突棘數(shù)量和形態(tài)的改變與多種神經(jīng)疾病有關(guān)。機(jī)體可通過多種機(jī)制對(duì)MARCKS的表達(dá)水平及功能狀態(tài)在不同層面進(jìn)行調(diào)控，使其有利于神經(jīng)功能的實(shí)現(xiàn)。MARCKS與認(rèn)知功能及AD的多種影響因素(如突觸的可塑性、Aβ、淀粉樣斑塊等)密切相關(guān)，在AD的臨床癥狀及病理變化中都具有重要的意義。因此，深入探討MARCKS的作用及調(diào)控其機(jī)制，有助于為治療認(rèn)知功能障礙提供新的靶點(diǎn)及理論基礎(chǔ)。

［1］Higo N，Oishi T，Yamashita A，et al.Expression of protein kinase-C substrate mRNA in the motor cortex of adult and infant macaque monkeys［J］.Brain Res，2007，1711:30-41.

［2］Solomonia RO，Apkhazava D，Nozadze M，et al.Different forms of MARCKS protein are involved in memory formation in the learning process of imprinting［J］.Exp Brain Res，2008，188(2):323-330.

［3］Shiraishi M，Tanabe A，Saito N，et al.Unphosphorylated MARCKS is involved in neurite initiation induced by insulin-like growth factor-I in SH-SY5Y cells［J］.Cell Physiol，2006，209(3):1029-1038.

［4］Matus A.MARCKS for maintenance in dendritic spines［J］.Neuron，2005，48(1):4-5.

［5］Calabrese B，Halpain S.Essential role for the PKC target MARCKS in maintaining dendritic spine morphology［J］.Neuron，2005，48 (1):77-90.

［6］Li H，Chen G，Zhou B，et al.Actin filament assembly by myristoylated alanine-rich C kinase substrate-phosphatidylinositol-4，5-diphosphate signaling is critical for dendrite branching［J］.Mol Biol Cell，2008，19(11):4804-4813.

［7］Gatlin JC，Estrada-Bernal A，Sanford SD，et al.Myristoylated，alanine-rich C-kinase substrate phosphorylation regulates growth cone adhesion and pathfinding［J］.Mol Biol Cell，2006，17(12):5115-5130.

［8］Betti M，Ambrogini P，Minelli A，et al.Maternal dietary loads of α-tocopherol depress protein kinase C signaling and synaptic plasticity in rat postnatal developing hippocampus and promote permanent deficits in adult offspring［J］.Nutr Biochem，2011，22(1):60-70.

［9］Hussain RJ，Stumpo DJ，Blackshear PJ，et al.Myristoylated alanine rich C kinase substrate(MARCKS)heterozygous mutant mice exhibit deficits in hippocampal mossy fiber-CA3 long-term potentiation［J］.Hippocampus，2006，16(5):495-503.

［10］Yi H，Kim SH，Park HG，et al.The effect of systemic injection of cyclosporin A on thephosphorylation ofthePKC substrates MARCKS and GAP43 in the rat hippocampus［J］.Neurosci Lett，2011，497(1):17-21.

［11］Timofeeva OA，Eddins D，Yakel JL，et al.Hippocampal infusions of MARCKS peptides impair memory of rats on the radial-arm maze［J］.Brain Res，2010，1308:147-152.

［12］Tanabe A，Kamisuki Y，Hidaka H，et al.PKC phosphorylates MARCKS Ser159 not only directly but also through RhoA/ROCK［J］.Biochem Biophys Res Commun，2006，345(1):156-161.

［13］Yamaguchi H，Shiraishi M，F(xiàn)ukami K，et al.MARCKS regulates lamellipodia formation induced by IGF-I via association with PIP2 and beta-actin at membrane microdomains［J］.Cell Physiol，2009，220(3):748-755.

［14］Toledo A，Arruti C.Actin modulation of a MARCKS phosphorylation site located outside the effector domain［J］.Biochem Biophys Res Commun，2009，383(3):353-357.

［15］Meller R，Thompson SJ，Lusardi TA，et al.Ubiquitin proteasomemediated synaptic reorganization:a novel mechanism underlying rapid ischemic tolerance［J］.Neurosci，2008，28(1):50-59.

［16］Eun SY，Kim EH，Kang KS，et al.Cell type-specific upregulation of myristoylated alanine-rich C kinase substrate and protein kinase C-alpha，-beta I，-beta II，and-delta in microglia following kainic acid-induced seizures［J］.Exp Mol Med，2006，38(3):310-319.

［17］韓振蘊(yùn)，蘇芮，范吉平.淀粉樣蛋白(1～40)對(duì)癡呆老齡大鼠海馬MARCKS mRNA表達(dá)及學(xué)習(xí)記憶的影響［J］.中國(guó)病理生理雜志，2010，26(7):1404-1406.