酒精對海馬神經(jīng)元突觸可塑性的影響

莊麗雯，王 瑩，李文媛，朱曉峰

(牡丹江醫(yī)學(xué)院,黑龍江 牡丹江 157011)

酒精依賴是一個全球性的問題，不僅增加人體健康傷害，也給公共衛(wèi)生和社會經(jīng)濟帶來嚴重危害，每年酒精依賴造成330萬人死亡，占全球死亡總數(shù)的5.9%，占全球疾病負擔(dān)的5.1%。飲酒會增加罹患多種疾病的風(fēng)險，包括肝硬化、神經(jīng)精神疾病、癌癥、循環(huán)系統(tǒng)疾病，以及道路交通事故和跌倒等傷害[1]。海馬是哺乳動物邊緣系統(tǒng)的亞結(jié)構(gòu)，在認知功能、壓力和情緒調(diào)節(jié)等方面發(fā)揮重要作用。因此探討酒精對于海馬神經(jīng)元的影響非常重要?，F(xiàn)將酒精對海馬神經(jīng)元的損傷及其分子機制予以綜述，重點剖析酒精與海馬神經(jīng)元突觸可塑性損傷的作用。

1 酒精與海馬神經(jīng)元

1.1 酒精與海馬神經(jīng)元凋亡酒精作為一種致畸劑，可誘導(dǎo)中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元在不同發(fā)育階段廣泛凋亡。酒精調(diào)控神經(jīng)發(fā)育的一種機制即誘導(dǎo)細胞凋亡[2]。凋亡是哺乳動物正常發(fā)育過程中的一個關(guān)鍵過程，具有區(qū)域特異性，在數(shù)量和潛伏期上均存在差異。早期發(fā)育過程中產(chǎn)生的細胞中有多達一半細胞發(fā)生凋亡，這對成功建立突觸連接極為重要。酒精誘導(dǎo)凋亡的機制包括通過抑制N-甲基-D-天門冬胺酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor，NMDAR)和增強γ-氨基丁酸(gamma-aminobutyric acid，GABA)能受體，導(dǎo)致發(fā)育中大腦神經(jīng)元活性下降，抑制突觸活性，誘導(dǎo)神經(jīng)元凋亡[3]。因為突觸活性對神經(jīng)細胞在妊娠期和產(chǎn)后早期的存活至關(guān)重要，突觸活性降低可能導(dǎo)致活性依賴性細胞凋亡。酒精可以誘導(dǎo)新生兒期海馬神經(jīng)元細胞發(fā)生神經(jīng)變性[4]。

1.2 酒精與海馬神經(jīng)發(fā)生在海馬齒狀回由增殖的神經(jīng)祖細胞(Neural Progenitor Cell，NPC)形成新的神經(jīng)元過程稱為海馬神經(jīng)發(fā)生。成年海馬神經(jīng)發(fā)生分為五個階段：增殖、分化、遷移、成熟和長期存活各階段依賴于突觸可塑性整合形成。從細胞產(chǎn)生到完全整合過程需要3個月時間。細胞增殖、存活、分化和成熟是正常神經(jīng)元形成的關(guān)鍵階段，而這些階段都可能受到酒精的影響。研究發(fā)現(xiàn)[5]慢性酒精暴露能夠通過降低NPC的增殖、抑制細胞存活和改變新生神經(jīng)元細胞形態(tài)，阻礙神經(jīng)發(fā)生，而且會影響新生神經(jīng)元細胞表型。長期接觸酒精會導(dǎo)致海馬齒狀回NPC增殖和神經(jīng)發(fā)生出現(xiàn)可逆性抑制，這可能會增強行為應(yīng)激反應(yīng)。反應(yīng)性神經(jīng)發(fā)生是一種補償?shù)纳窠?jīng)發(fā)生喪失的嘗試，可能是神經(jīng)再生期間組織結(jié)構(gòu)損傷修復(fù)和認知功能改善的關(guān)鍵內(nèi)在機制。測試海馬功能的時間主要集中在酒精暴露后數(shù)天至3周內(nèi)[6]，在出生6周后細胞觀察不到反應(yīng)性神經(jīng)發(fā)生的功能效應(yīng)。

2 酒精對樹突棘形成的作用

樹突棘是樹突干上一種微小隆起物，可以接收和調(diào)節(jié)鄰近神經(jīng)元突觸傳入，一個神經(jīng)元包含上千個樹突棘。樹突棘形態(tài)對于控制個體突觸功能非常重要。樹突棘的長度和形狀差別較大，樹突棘分類：(1)粗短型頸部寬，頭部不明顯；(2)蘑菇型頭大頸短；(3)瘦長型頭小頸細；絲狀偽足型頸部長而無頭。有研究表明成熟穩(wěn)定蘑菇型樹突棘能更好保持形狀，并具有較強突觸連接，而較不穩(wěn)定的短粗型樹突棘更易發(fā)生結(jié)構(gòu)可塑，并具有相對較弱的突觸連接。除棘頭部形態(tài)外，棘頸部立體形態(tài)也能夠影響突觸可塑性。雙腎上腺皮質(zhì)激素(Doublecortin，DCX)是目前研究成年神經(jīng)發(fā)生和新生神經(jīng)元形態(tài)有價值的內(nèi)源性標記物[7]。DCX作為一種微管相關(guān)磷酸化蛋白，參與微管重組和新生神經(jīng)突形成。因此在樹突延長和樹突分支過程中，DCX在神經(jīng)祖細胞分化方面發(fā)揮重要作用，能夠?qū)⑿律傻纳窠?jīng)元的樹突分支量化。有研究發(fā)現(xiàn)[5]慢性酒精顯著降低成年新生神經(jīng)元樹突分支所有形態(tài)測量數(shù)據(jù)，包括樹突節(jié)點數(shù)量、樹突末端數(shù)量及樹突頂端的總樹突長度。研究表明長期飲酒會破壞神經(jīng)祖細胞內(nèi)細胞骨架相關(guān)蛋白DCX表達，導(dǎo)致新生神經(jīng)元形態(tài)和功能受損。

3 酒精與突觸可塑性

突觸是神經(jīng)元之間相互連接并傳遞信息的結(jié)構(gòu)。即一個神經(jīng)元的軸突末梢與另一神經(jīng)元的樹突或胞體相接觸并進行信息傳遞的接觸點。突觸可以根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)的不同特征分類。按傳遞效果分為興奮性突觸和抑制性突觸。突觸是學(xué)習(xí)和記憶的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)，其結(jié)構(gòu)受到體內(nèi)外各種因素的影響。大量研究證實過度攝入酒精可以對神經(jīng)系統(tǒng)，特別是突觸造成損傷。突觸可塑性包括突觸傳遞可塑性、突觸發(fā)育可塑性和突觸形態(tài)可塑性。Bliss等[8]最初在海馬區(qū)內(nèi)記錄到一種突觸可塑性現(xiàn)象，命名為長時程增強(long-time potentiation，LTP)。除此之外，還有長時程抑制(long-time depression，LTD)。兩者均為突觸可塑性在電生理的表現(xiàn)。迄今為止，這仍然是研究突觸可塑性最好的模型之一。除LTP和LTD之外，突觸的超微結(jié)構(gòu)變化能夠通過幾種不同的神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)，特別是中腦邊緣多巴胺系統(tǒng)的作用在成癮發(fā)病機理中發(fā)揮作用。谷氨酸能和氨基丁酸能系統(tǒng)也與突觸重塑性有關(guān)，并受到接觸酒精和濫用藥物的影響。

3.1 細胞骨架蛋白及其結(jié)合蛋白細胞骨架肌動蛋白可以動態(tài)調(diào)節(jié)樹突棘的形態(tài)動力學(xué)，肌動蛋白在棘突形態(tài)形成中發(fā)揮重要作用。肌動蛋白是真核細胞最主要的骨架成份之一，它以球狀肌動蛋白(G-actin)(游離單體存在)和纖維狀肌動蛋白(F-actin)(棘細胞骨架主要成分)兩種形式存在，并且G-actin與F-actin之間可以相互轉(zhuǎn)換。肌動蛋白循環(huán)的改變可以影響與酒精相關(guān)行為和可塑性。肌動蛋白作為一種動態(tài)結(jié)構(gòu)，持續(xù)進行組裝和解聚。F-actin是肌動蛋白解聚速率和聚合速率之間局部平衡的產(chǎn)物。棘突擴大取決于F-actin的組裝和穩(wěn)定，而棘突收縮和消除需要F-actin解聚。肌動蛋白解聚因子/絲切蛋白(actin depolymerizing factor，ADF/cofilin)活性與樹突棘減小相關(guān)，但在某些情況下可以促進突觸強化。并且ADF/cofilin可以促進肌動蛋白動力學(xué)改變，從而影響樹突棘運動和形狀。Shibasak研究發(fā)現(xiàn)[9]酒精戒斷10h后，G-actin表達上調(diào)，F(xiàn)-actin表達下降，其中F-actin表達下降是通過ADF/cofilin活化上調(diào)導(dǎo)致。但酒精戒斷期間涉及G-actin和F-actin轉(zhuǎn)換的調(diào)節(jié)機制至今尚未明確。

3.2 脯氨酸突觸相關(guān)蛋白相互作用蛋白1(Prosapip1)Prosapip1屬于Fezzin家族，是雷帕霉素靶蛋白復(fù)合體1(mammalian target of rapamycin complex 1，mTORC1)的下游靶點[10]，作為一種腦特異性蛋白，在海馬神經(jīng)元突觸后致密物(postsynaptic density，PSD)中高度富集，是Shank3(Prosap2)結(jié)合配偶體，可以與樹突棘相關(guān)的Rap特異性GTPase活化蛋白(spine-associated Rap guanosine triphosphatase (GTPase) activating protein,SPAR)相互作用。mTORC1可以增強酒精依賴性Prosapip1翻譯，促進肌動蛋白絲形成，導(dǎo)致伏隔核(nucleus accumbens，NAc)中間型多棘神經(jīng)元(medium spiny neuron，MSN)樹突棘形態(tài)變化。過量飲酒可以導(dǎo)致NAc中PI3K/AKT通路激活，從而促進mTORC1激活[11]。

3.3 突觸后致密物(PSD)中樞神經(jīng)系統(tǒng)興奮性神經(jīng)傳遞主要發(fā)生在樹突棘。樹突棘被認為是大腦中突觸可塑性主要部位。其具有高密度的PSD，包含神經(jīng)遞質(zhì)受體集群、支架蛋白、以及多種信號分子。PSD組織具有高度動態(tài)性，在調(diào)節(jié)NMDA依賴性突觸可塑性方面發(fā)揮重要作用。此外，PSD支架和組織活性在調(diào)節(jié)肌動蛋白循環(huán)、棘形態(tài)和相關(guān)可塑性中非常關(guān)鍵。棘突能夠?qū)⒓拥鞍捉z交聯(lián)到質(zhì)膜和PSD。另外，與PSD相關(guān)的絕大多數(shù)支架蛋白和信號分子也參與調(diào)節(jié)肌動蛋白循環(huán)和棘動力學(xué)[7]。

3.4 NMDA受體NMDA型谷氨酸受體對酒精暴露特別敏感。NMDA受體(NMDAR)是海馬中谷氨酸能傳遞主要來源，NMDA表達和亞基組成對探討酒精暴露后突觸可塑性至關(guān)重要。NMDA受體是由亞基NR1、NR2和NR3等組成。實驗動物中NR2A過表達與海馬中短期記憶改善有關(guān)，并且NR2A與海馬敏感認知和電生理功能受損密切相關(guān)。NR2B表達增加與長期記憶改善有關(guān)，能夠促進形成較強的突觸連接。NR2B表達失調(diào)及其磷酸化狀態(tài)可能對酒精暴露的神經(jīng)元中谷氨酸能傳遞具有重要調(diào)節(jié)作用。NR2C亞基主要存在于小腦，NR2D亞基在發(fā)育早期短時表達。在早期發(fā)育期間，未成熟的突觸富含由NR1-NR2B異聚體組成的NMDA受體。相反成熟突觸表達更高水平NR1-NR2A異聚體受體。含有NR2B受體亞基過表達增加樹突棘密度，其在關(guān)鍵發(fā)育期間促進形成強突觸連接。NMDA受體激活鈣(Ca2 +)/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶II(Calmodulin dependent protein kinase II，CaMKII)信號傳導(dǎo)途徑，并且含NR2B受體對CaMKII親和力高于含NR2A的受體，CaMKII激活能夠調(diào)節(jié)活性依賴性突觸變化[12]。研究發(fā)現(xiàn)長期接觸酒精的小鼠前額葉皮質(zhì)內(nèi)可見增強的NR1和NR2B表達以及蘑菇型樹突棘增加[13]。慢性間歇性酒精暴露增加NR2B表達，但不增加NR2B磷酸化或PSD95。因NR2B亞基對下游激活機制具有較高親和力，其增強LTP效應(yīng)。與NR2A亞基相比，這些受體反應(yīng)性增加對大腦學(xué)習(xí)和突觸可塑性發(fā)揮重要作用，NR2B受體亞基缺失可能在老化大腦可塑性降低過程中發(fā)揮重要作用。有研究發(fā)現(xiàn)[14]MMP9影響NMDARs轉(zhuǎn)運及功能，NMDAR依賴的突觸功效長期增強，能夠促進樹突棘形態(tài)改變。

3.5 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF)腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(brain derived neurotrophic factor，BDNF)和活性調(diào)控骨架相關(guān)蛋白(Activity regulates skeleton-associated proteins，Arc)是突觸可塑性重要的調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物。神經(jīng)營養(yǎng)素在整個大腦的樹突形態(tài)和棘密度中發(fā)揮重要調(diào)控作用，BDNF被證實可以增強海馬細胞中樹突長度和復(fù)雜性。BDNF還能夠增強海馬CA1區(qū)樹突棘密度[15]。BDNF還能調(diào)節(jié)棘呈現(xiàn)不穩(wěn)定及不成熟表型。有研究發(fā)現(xiàn)血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor，VEGF)對于腦室下區(qū)(subventricular zone，SVZ)中由祖細胞產(chǎn)生的新嗅球神經(jīng)元樹突狀生長至關(guān)重要[16]。有研究發(fā)現(xiàn)[17]在酒精戒斷大鼠中中央杏仁核(central amygdala，CeA)和內(nèi)側(cè)杏仁核(Medial amygdaloid nucleus，MeA)的BDNF和Arc基因表達和樹突棘密度(dendritic spine density，DSD)減少，并且CeA中的BDNF信號與樹突棘均與大鼠酒精戒斷焦慮樣行為有關(guān)。曲古抑菌素A(Trichostatin A,TSA)是HDAC的抑制劑，使用TSA治療能夠降低BDNF、Arc和DSD缺陷，將樹突棘密度恢復(fù)至可控制水平，減輕焦慮樣行為。此外BDNF影響突觸可塑性的一種機制是通過改變NMDA受體活性，BDNF高表達能夠增強海馬和新皮質(zhì)錐體神經(jīng)元中NMDA受體介導(dǎo)的反應(yīng)活性[18]。

3.6 組蛋白去乙?；?HDAC2)組蛋白去乙?；?Histone deacetylases，HDACs)是一類組蛋白去乙酰酶，HDACⅠ類中的HDAC2，是突觸可塑性和樹突棘改變重要調(diào)節(jié)基因。研究發(fā)現(xiàn)[19]通過HDAC2的小干擾RNA(siRNA)輸注到CeA中，可以降低大鼠焦慮樣和飲酒行為，并且上調(diào)BDNF和Arc表達，增加樹突棘密度。另外HDAC2對其他神經(jīng)認知領(lǐng)域，如學(xué)習(xí)和記憶至關(guān)重要[19-20]。研究表明HDAC2增加是阿爾茨海默病樣神經(jīng)功能缺損中基因表達下降重要原因。通過注射HDAC2 shRNA靶向逆轉(zhuǎn)相關(guān)基因表達，恢復(fù)正常水平的突觸可塑性[21]。神經(jīng)元中HDAC2過表達降低對維持樹突棘密度[如BDNF、Arc和神經(jīng)肽Y(neuropeptide Y,NPY)]重要基因的表達。相反，HDAC2缺陷型小鼠樹突棘密度和突觸數(shù)量增加，與記憶形成增加相一致，導(dǎo)致焦慮和尋求酒精的行為增強。降低HDAC2可以逆轉(zhuǎn)酒精成癮的分子機制和行為結(jié)果，從而HDAC2可作為潛在酒精依賴治療靶點。

4 結(jié)論

綜上所述，酒精是海馬神經(jīng)元發(fā)生發(fā)展、突觸組織和功能的重要調(diào)節(jié)劑，酒精暴露會引起海馬神經(jīng)元凋亡，以及樹突棘形態(tài)和突觸可塑性變化。這些改變可以誘導(dǎo)神經(jīng)元表型改變，未來的研究應(yīng)該繼續(xù)闡明酒精依賴對海馬神經(jīng)元突觸可塑性的影響，這可能為臨床干預(yù)提供新的分子靶點。