樹突棘與神經(jīng)相關(guān)疾病

薛 華 馬英杰 趙東芹

( 山東師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山東省動(dòng)物抗性生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，250014,濟(jì)南 )

樹突棘(dendritic spine)是形成突觸的關(guān)鍵部位，有絲狀偽足型(filopodia)、細(xì)長(zhǎng)型(thin)、蘑菇型(mushroom)以及短粗型(stubby)四種形態(tài)(圖1)，其中前兩種是樹突棘的不成熟狀態(tài)，其突觸后致密物中含有N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)，與學(xué)習(xí)行為相關(guān)；而后兩種為成熟型樹突棘，突觸后致密物中富含α-氨基-3羥基-5甲基-4異惡唑丙酸受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate receptor，AMPAR)，與記憶存儲(chǔ)功能相關(guān).

圖1 樹突棘類型(參照Zhang H和 Muhammad U G修改)A. 用TD-Tomato熒光蛋白觀察野生型小鼠海馬初級(jí)神經(jīng)元的樹突棘形態(tài).箭頭示絲狀偽足型；菱形示細(xì)長(zhǎng)型；三角形示蘑菇型；梯形示短粗型[1].B.手工繪圖.絲狀偽足型樹突棘有長(zhǎng)脖子而沒有頭；細(xì)長(zhǎng)型樹突棘有長(zhǎng)脖子和小腦袋；蘑菇型樹突棘有長(zhǎng)脖子和大的球狀頭；短粗型樹突棘沒有脖子或短脖子[2].

樹突棘形態(tài)的維持依賴于其內(nèi)富含骨架蛋白的棘器(spine apparatus).在神經(jīng)活性因子誘導(dǎo)下能觀察到非成熟樹突棘與成熟樹突棘的雙向變化過程，代表著突觸結(jié)構(gòu)可塑性的變化[3].樹突棘形態(tài)的細(xì)微改變可以對(duì)神經(jīng)環(huán)路的連接模式以及隨后的認(rèn)知行為產(chǎn)生顯著影響.多種疾病如癲癇、神經(jīng)退行性病變等常都會(huì)表現(xiàn)出樹突棘形態(tài)與結(jié)構(gòu)的改變，進(jìn)而影響突觸的正常功能，出現(xiàn)行為認(rèn)知功能障礙.因此，改變樹突棘形態(tài)成為了疾病治療的一個(gè)新研究方向，本文就樹突棘與各類神經(jīng)相關(guān)疾病的關(guān)系進(jìn)行綜述.

1 樹突棘與阿爾茨海默癥(Alzheimer′s disease)

阿爾茨海默癥(Alzheimer′s disease，AD)，是老年人常見疾病，主要表現(xiàn)為記憶、理解、推理、計(jì)算和抽象思維等多種認(rèn)知功能減退，對(duì)患者及家人的正常生活造成不良影響.阿爾茨海默癥認(rèn)知功能失常的最直接病因是突觸連接的損壞和神經(jīng)元的萎縮[4].蘑菇樹突棘結(jié)構(gòu)對(duì)記憶存儲(chǔ)至關(guān)重要，蘑菇樹突棘的缺失可用來解釋AD記憶功能障礙.在體和離體AD動(dòng)物模型均表明，海馬神經(jīng)元蘑菇狀樹突棘均有丟失的現(xiàn)象[5]，同時(shí)在認(rèn)知行為異常之前可觀察到蘑菇狀樹突棘向細(xì)長(zhǎng)型樹突棘的轉(zhuǎn)變過程[6].AD患者前額葉錐體神經(jīng)元蘑菇狀和細(xì)長(zhǎng)型樹突棘的密度也較正常人顯著性減少[7].

研究表明，蘑菇型樹突棘的結(jié)構(gòu)和功能與Ca2+相關(guān)蛋白有關(guān)[1].基質(zhì)相互作用分子-2(stromal interaction molecule-2, Stim2)參與的神經(jīng)元Ca2+流入途徑(neuronal-store-operated calcium entry，nSOC)參與蘑菇型樹突棘穩(wěn)定性的調(diào)控，在AD小鼠模型、老化神經(jīng)元和散發(fā)性AD患者中，均發(fā)現(xiàn)Stim2蛋白表達(dá)下調(diào)，Stim2-nSOC-CaMKII(Ca2+/鈣調(diào)素依賴的蛋白激酶)通路受到損害.此外，AD的發(fā)病機(jī)制還與受損的Ca2+內(nèi)環(huán)境平衡有著密切的關(guān)聯(lián)，細(xì)胞外淀粉樣蛋白(Amyloid-β，Aβ)可以形成細(xì)胞膜上的Ca2+滲透孔，Ca2+內(nèi)流增加，并進(jìn)一步使Aβ含量增加，形成正向前反饋，驅(qū)動(dòng)AD病理改變.瞬時(shí)受體電位trp通道(transient receptor potential channels，TRPC)是一種受G蛋白調(diào)控的重要Ca2+內(nèi)流通道.G蛋白活化導(dǎo)致PIP2水解為三磷酸肌醇(inositol trisphosphate，IP3)和二?；视?diacylglycerol，DAG)，IP3與受體結(jié)合，并啟動(dòng)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)(endoplasmic reticulum，ER)中Ca2+釋放，從而清空Ca2+池，隨后Stim1蛋白易位到ER-PM( plasma membrane，PM)結(jié)點(diǎn)，并與TRPC和一些電壓門控Ca2+通道相互作用，以調(diào)節(jié)Ca2+流入.Ca2+流入胞內(nèi)后，激活鈣調(diào)蛋白依賴激酶CaMKIV及其下游的轉(zhuǎn)錄因子環(huán)磷腺苷效應(yīng)元件結(jié)合蛋白(cAMP-response element binding protein，CREB)，啟動(dòng)一系列基因轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而促進(jìn)樹突棘發(fā)育.其中TRPC6是TRPC家族中的一員，受CaMKIV-CREB信號(hào)通路的調(diào)控，參與大鼠海馬神經(jīng)元樹突棘的形成調(diào)節(jié)過程，因此TRPC6也許可以作為治療AD的靶位點(diǎn)[8].

同時(shí)，Kommaddi R P等證實(shí)，正是由于突觸部位絲狀肌動(dòng)蛋白(F-actin)的解聚導(dǎo)致了AD小鼠模型中樹突棘丟失[9].隨著雙光子及PET成像技術(shù)的發(fā)展使得在活體情況下觀察大腦樹突棘結(jié)構(gòu)成為可能，通過藥物干預(yù)來穩(wěn)定蘑菇狀樹突棘或促使樹突棘完成重塑過程也已成為AD治療研究的新方向.

2 樹突棘與帕金森病(ParkKinson′s disease，PD)

帕金森病(ParkKinson′s disease，PD)患者及PD動(dòng)物模型表現(xiàn)出認(rèn)知和包括運(yùn)動(dòng)遲緩、靜止性震顫、肌肉僵直和姿勢(shì)步態(tài)異常等運(yùn)動(dòng)功能障礙.黑質(zhì)多巴胺信號(hào)通路異常導(dǎo)致基底神經(jīng)節(jié)環(huán)路變化是帕金森病的主要神經(jīng)病理特征.近年研究發(fā)現(xiàn)，帕金森病模型紋狀體投射神經(jīng)元樹突棘的密度、形態(tài)及超微結(jié)構(gòu)均發(fā)生了復(fù)雜的變化，用高爾基染色法檢驗(yàn)帕金森病患者紋狀體神經(jīng)元，發(fā)現(xiàn)樹突萎縮以及樹突棘丟失現(xiàn)象，這種變化在PD動(dòng)物模型中也得到了證實(shí)[10].

樹突棘丟失與紋狀體谷氨酸能突觸總數(shù)量相應(yīng)減少的現(xiàn)象并存，說明PD狀態(tài)下與丟失的樹突棘相連接的谷氨酸能突觸前膜可能發(fā)生皺縮或變性.在PD模型中發(fā)現(xiàn)，紋狀體內(nèi)樹突棘體積顯著增加，棘器的長(zhǎng)度和體積大幅度增加，呈片段化，并顯著延伸到樹突棘的頭部，直至到達(dá)突觸后致密區(qū)[11].

中高強(qiáng)度跑臺(tái)運(yùn)動(dòng)可以增加PD模型大鼠紋狀體內(nèi)樹突棘的密度、樹突長(zhǎng)度和分枝等[12].目前認(rèn)為，運(yùn)動(dòng)可能通過增加紋狀體包含GluR2亞基的AMPARs表達(dá)，降低Ca2+內(nèi)流和抑制Glu的驅(qū)動(dòng)作用，進(jìn)而達(dá)到逆轉(zhuǎn)紋狀體樹突棘丟失和改善PD病人行為功能障礙的治療效果.

3 樹突棘與癲癇(epilepsy)

癲癇(epilepsy)是慢性反復(fù)發(fā)作性短暫腦功能失調(diào)綜合征，是神經(jīng)系統(tǒng)常見疾病之一.神經(jīng)元突觸重塑及病理性電興奮神經(jīng)環(huán)路形成是癲癇形成最重要的病理改變.研究發(fā)現(xiàn)慢性癲癇模型中樹突棘密度較正常明顯增加，且是絲狀偽足及細(xì)長(zhǎng)型非成熟型樹突棘較正常明顯增加所致，蘑菇型成熟型樹突棘反而較正常明顯減少[13].癲癇患者棘波灶皮質(zhì)樹突病變顯著，屈曲變性，病變嚴(yán)重者樹突變得粗細(xì)不均，或呈串珠狀，多數(shù)樹突失去分枝，血管周圍樹突排列紊亂.使用海人酸(kainic acid，KA)或戊四氮(pentetrazol，PTZ)誘導(dǎo)大鼠短暫癲癇后發(fā)現(xiàn)大鼠齒狀回顆粒細(xì)胞樹突發(fā)芽，樹突總長(zhǎng)度、樹突分支點(diǎn)數(shù)及樹突野的最大伸展距離等均較對(duì)照組減少，樹突棘密度也明顯降低.

Frmpd2在癲癇模型突觸重塑過程中發(fā)揮了重要功能[14].Frmpd2是一種支架蛋白，特異表達(dá)于成年海馬、皮質(zhì)神經(jīng)元突觸后膜區(qū)域，通過其PDZ2結(jié)構(gòu)域，將NMDAR的NR2A亞基錨定與質(zhì)膜，從而增強(qiáng)突觸NMDAR興奮性傳遞，同時(shí)還可通過其Ferm結(jié)構(gòu)域結(jié)合F-actin，促進(jìn)成熟樹突棘數(shù)量增多，最終有效調(diào)控海馬神經(jīng)元的興奮性，增強(qiáng)癲癇的易感性.

4 樹突棘與缺血性腦中風(fēng)(ischemic hemispheric stroke)

缺血性腦中風(fēng)(ischemic hemispheric stroke)是指由于腦的供血?jiǎng)用}狹窄或閉塞、腦供血不足導(dǎo)致的腦組織壞死的總稱，是一種腦血管疾病.Corbett D等對(duì)沙鼠進(jìn)行雙側(cè)頸動(dòng)脈閉塞處理，發(fā)現(xiàn)與假手術(shù)動(dòng)物和只接受兩次預(yù)處理的動(dòng)物相比，耐受10 d、 30 d的沙鼠海馬一區(qū)(CA1)神經(jīng)元樹突棘密度顯著增高.當(dāng)樹突棘密度降低時(shí)，實(shí)驗(yàn)組沙鼠最初表現(xiàn)出野外適應(yīng)障礙，但隨著時(shí)間的推移，CA1樹突棘密度會(huì)增加，沙鼠行為障礙逐漸減弱，表明樹突棘可能在缺血性耐受和中風(fēng)相關(guān)的功能恢復(fù)中發(fā)揮作用[15].

此外，研究表明暴露于谷氨酸激動(dòng)劑NMDA中的大鼠海馬神經(jīng)元樹突棘密度明顯降低[16].NMDA受體通過α-肌動(dòng)蛋白與肌動(dòng)蛋白細(xì)胞骨架相連，從而將NMDA受體錨定到actin細(xì)胞骨架上.根據(jù)HalpainS等人報(bào)道，在腦缺血的過程中，興奮性氨基酸會(huì)過度激活NMAD受體，誘發(fā)樹突棘內(nèi)鈣離子濃度上調(diào)，進(jìn)而與鈣調(diào)神經(jīng)磷酸酶(calcineurin，CAN)一起發(fā)揮作用，促進(jìn)樹突棘內(nèi)F-actin的解聚，從而誘導(dǎo)樹突棘發(fā)生萎縮、消失等現(xiàn)象[17].

同時(shí)，腦缺血可誘導(dǎo)大腦皮質(zhì)神經(jīng)元釋放尿激酶型溶酶原激活劑(Urokinase-type plasminogen activator，uPA)，而uPA可驅(qū)動(dòng)急性缺血性損傷的恢復(fù)期重新產(chǎn)生絲狀偽足型樹突棘.單體肌動(dòng)蛋白(G-actin)和F-actin是樹突棘的主要細(xì)胞骨架成分，uPA與其受體結(jié)合后，誘導(dǎo)了前纖維蛋白(profilin，PFN)在樹突棘中的快速積累和絲切蛋白(cofilin，CFL)在樹突棘中的失活，PFN會(huì)誘導(dǎo)樹突棘的棘頭端肌動(dòng)蛋白的聚合，而CFL則誘導(dǎo)肌動(dòng)蛋白從樹突棘棘頭端的解聚.因此，用uPA處理后，肌動(dòng)蛋白池中的G-Actin聚集形成F-actin，F(xiàn)-actin可重新分布到需要形成樹突棘的部位，進(jìn)而促進(jìn)樹突棘的恢復(fù)和急性缺血性損傷的恢復(fù)[18].

5 總結(jié)與展望

樹突棘的出芽、生長(zhǎng)、成熟和消退等系列動(dòng)態(tài)變化代表了神經(jīng)環(huán)路形成及重塑的過程，對(duì)腦環(huán)路的精確調(diào)控和腦功能的成熟穩(wěn)定具有重要意義.而樹突棘的生長(zhǎng)和消退過程受一系列復(fù)雜的信號(hào)通路調(diào)控，涉及的蛋白主要有GluR、RhoGTP家族、Diacylelycerol(DAG)、Drebrin、Eph/ephrin、NMDAR等，這些蛋白或單獨(dú)作用或相互依賴協(xié)調(diào)行使功能，通過不同的信號(hào)途徑調(diào)控樹突棘的形態(tài)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而完成對(duì)正常生理活動(dòng)的調(diào)控.單一通路的缺失，還可以通過對(duì)其它通路的激活得到補(bǔ)償，這對(duì)于維持正常的生理功能、認(rèn)知與學(xué)習(xí)記憶以及抵御某些疾病具有重要意義.