突觸可塑性與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系的研究進(jìn)展*

楊美麗 綜述，吳振綱，肖 堯，林 君 審校

(1.福建醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院神經(jīng)內(nèi)科，福建 泉州 362000；2.泉州市醫(yī)學(xué)高等?？茖W(xué)校外科教研室，福建 泉州 362000)

突觸可塑性是認(rèn)知領(lǐng)域近年來的熱點研究，其研究的主要代表和最廣泛的是為長時程增強(qiáng)(LTP)與長時程抑制(LTD)。他們通過激活受體而引發(fā)，本文就突觸的可塑性與學(xué)習(xí)記憶及其相關(guān)的分子機(jī)制綜述如下。

1 突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶的關(guān)系

學(xué)習(xí)記憶是大腦高級活動過程，涉及各種神經(jīng)元、突觸之間相互作用，相互聯(lián)系形成的復(fù)雜過程。突觸可塑性指組成神經(jīng)系統(tǒng)基本單位之細(xì)胞間的信息傳遞程度之可調(diào)節(jié)性，即突觸結(jié)構(gòu)與傳遞效能改變。突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶相互影響、密不可分，突觸可塑性是學(xué)習(xí)記憶改變的基礎(chǔ)，學(xué)習(xí)記憶又反過來引起突觸的面積、數(shù)量、體積等增加，形成新的神經(jīng)回路。EUAN等[1]認(rèn)為，可塑性突觸可能是為維持其相對穩(wěn)定隨外部環(huán)境改變而發(fā)生適應(yīng)性變化的特性，可能是一個關(guān)鍵和獨特的生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，與學(xué)習(xí)和記憶有關(guān)。

2 學(xué)習(xí)記憶相關(guān)表觀遺傳學(xué)分子機(jī)制

學(xué)習(xí)記憶的形成涉及基因轉(zhuǎn)錄、蛋白質(zhì)合成和突觸可塑性改變等一系列的分子、細(xì)胞、神經(jīng)環(huán)路的變化。學(xué)習(xí)記憶的鞏固與維持需要合成新的蛋白質(zhì)和RNA?！氨碛^遺傳學(xué)”是一種動態(tài)分子機(jī)制，用以描述環(huán)境與基因組之間動態(tài)的相互作用，可以持久影響基因的轉(zhuǎn)錄，并將生物體的表現(xiàn)特征描述為“表型”。其遺傳機(jī)制分為以下幾類：DNA甲基化、組蛋白修飾及 RNA修飾等。

2.1DNA甲基化 DNA甲基化是可逆性修飾，可以調(diào)節(jié)LTP/LTD 的作用，還可以發(fā)生經(jīng)驗依賴性改變從而影響基因表達(dá)，對海馬突觸的可塑性調(diào)節(jié)、記憶提取鞏固、聯(lián)想學(xué)習(xí)起關(guān)鍵作用[2-3]。有研究表明，突觸可塑性需要DNA甲基化活性，動物實驗表明同時敲除小鼠的DNMT1與DNMT3a會引起神經(jīng)元的后期發(fā)育異常，基因組DNA 的總甲基化水平下降，LTD增強(qiáng)，LTP消失，小鼠出現(xiàn)海馬依賴的識別記憶障礙[4]。進(jìn)一步還發(fā)現(xiàn)，海馬的依賴性學(xué)習(xí)可以引起皮層基因特異性的高甲基化修飾，藥物抑制甲基化也會出現(xiàn)認(rèn)知能力衰退和前腦退化等。

2.2組蛋白修飾 每個核心組蛋白由一個球形結(jié)構(gòu)域與暴露在核小體表面的N端尾區(qū)組成，末端含有幾個由雙向翻譯后修飾的底物組成的殘基，其中組蛋白乙?；难芯孔顬閺V泛。有研究表明，組蛋白修飾可調(diào)節(jié)與記憶存儲相關(guān)的基因表達(dá)的激活或抑制[5]。P300和CBP都是乙?；D(zhuǎn)移酶的轉(zhuǎn)錄因子，能將乙酰基轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移到賴氨酸殘基上，而組蛋白的乙?；屯挥|的可塑性有關(guān)[6]。組蛋白去乙酰化酶(HDAC)的抑制劑可以改善神經(jīng)病理性疼痛及其所致記憶損傷,其機(jī)制可能與抑制HDAC活性、上調(diào)海馬BDNF及PSD95表達(dá)有關(guān)[7]。組蛋白的轉(zhuǎn)錄后修飾在調(diào)節(jié)方式、動力學(xué)和功能上有很大差異，可持續(xù)改變細(xì)胞的分子特征，但其對記憶的長期影響有待于進(jìn)一步深入研究。

2.3RNA 修飾 幾乎所有類型的RNA都可以發(fā)揮修飾作用，但人們對其了解較少，近年來隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使得研究整個轉(zhuǎn)錄組的RNA修飾成為可能。研究編碼RNA和非編碼RNA的動態(tài)修飾對于闡明基因表達(dá)及RNA修飾途徑在學(xué)習(xí)記憶中的作用有著重要意義[8]。lncRNA在大腦中大量富集影響了mRNA的功能，通過DNA甲基化和組蛋白修飾等機(jī)制調(diào)節(jié)了蛋白質(zhì)表達(dá)[9]。miRNA參與了突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶等腦活動[10]。lncRNA在海馬、前額葉皮層等腦區(qū)上呈特異性表達(dá)[11]，成為研究記憶形成和存儲的新靶點。真核生物mRNA的內(nèi)部修飾如m6Am，可通過其結(jié)合蛋白Ythdf1促進(jìn)海馬的相關(guān)mRNA的翻譯，改善海馬突觸可塑性從而提高記憶能力，而敲除小鼠Ythdf1可引起二者的損傷[12]。

3 突觸可塑性相關(guān)分子蛋白及其分子機(jī)制

3.1神經(jīng)生長相關(guān)蛋白(GAP-43) GAP-43廣泛存在于神經(jīng)組織中尤其在生長、分化和再生的軸突末端及突觸前膜含量極高的特異性磷蛋白[13]，在神經(jīng)纖維的生長發(fā)育、分化和損傷修復(fù)等方面具有重要作用，與突觸可塑性相關(guān)[14]。GAP-43作為鈣調(diào)素的聚集池，受Ca2+依賴調(diào)控，釋放CaM活化GAP-43，調(diào)節(jié)神經(jīng)末端活力；而當(dāng)GAP-43激活后又可以與膜骨架蛋白如肌動蛋白發(fā)生作用，影響軸突、突觸及樹突棘形態(tài)的變化，因此GAP-43常常被作為研究神經(jīng)可塑性的首要標(biāo)志物。

3.2突觸素(SYN) SYN是主要位于突觸囊泡膜上的一種能特異結(jié)合Ca2+的糖蛋白，是突觸囊泡中的膜蛋白[15]，因其相對分子質(zhì)量為38 kDa又命名為P38，SYN在突觸可塑性和認(rèn)知功能中發(fā)揮重要作用，突觸的數(shù)量、密度及傳遞效能可以通過SYN含量來表達(dá)[16]，其參與了突觸囊泡的活化、轉(zhuǎn)運和分泌等活動，影響了神經(jīng)元突觸的結(jié)構(gòu)和調(diào)節(jié)神經(jīng)遞質(zhì)的分泌，在突觸可塑性中發(fā)揮一定的作用。

3.3致密蛋白 95(PSD-95) PSD-95是突觸后結(jié)構(gòu)中的一種支架蛋白，其表達(dá)對于維持突觸結(jié)構(gòu)及突觸可塑性十分重要。PSD-95過表達(dá)會使大鼠海馬EPSC的振幅與頻率增強(qiáng)，敲減PSD-95使EPSC減弱[17]。PSD-95結(jié)構(gòu)域具有串集和錨定做用，N端的PDZ結(jié)構(gòu)域與谷氨酸受體、NMDA受體結(jié)合，作用于突觸的特定靶位點上，從而介導(dǎo)下游信號遞質(zhì)的傳遞[18]；還能串集其他特定分子形成特定的信號復(fù)合物，有效地整合信號分子、調(diào)節(jié)分子和靶蛋白分子，參與突觸的連接和維持，進(jìn)而影響突觸結(jié)構(gòu)可塑性和功能可塑性[19]。

3.4Ca2+/鈣調(diào)蛋白依賴性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ) CaMKⅡ是主要位于突觸后膜的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶[20]，是一種與大多數(shù)細(xì)胞功能有關(guān)的10～14個單體組成的低聚物。靜息期CaMKⅡ被絲狀肌動蛋白的束縛，與PSD不能結(jié)合,而依賴NMDA受體的Ca2+進(jìn)入棘突后能激活CaMKⅡ，使其游離并移位到PSD，并與NMDA受體相互作用，影響LTP發(fā)生與維持。同時內(nèi)流的Ca2+又與鈣調(diào)蛋白結(jié)合，形成Ca2+/Cam復(fù)合體，使其自磷酸化，以再生的方式發(fā)生在低聚物的相鄰單體之間。在鈣離子脫離后，CaMKⅡ仍然保留了40%～60%的活性，并且能夠磷酸化鄰近的CaMKⅡ，募集更多的CaM，產(chǎn)生了強(qiáng)大的級聯(lián)反應(yīng)，這種磷酸化狀態(tài)的傳播能大大延長CaMKⅡ的活動[21]。GOH等[22]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)阻斷CaMKⅡ的磷酸化時，海馬區(qū)LTP受到明顯抑制，CaMKⅡ的這些相關(guān)特性有可能是導(dǎo)致記憶形成的原因之一[23]。

3.5腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子(BDNF) BDNF是由β折疊和N級結(jié)構(gòu)組成的堿性蛋白質(zhì)，其含有3個二硫鍵，屬于神經(jīng)營養(yǎng)因子家族。有研究發(fā)現(xiàn)，BDNF會增加樹突棘密度，還可能支持突觸特異性蛋白合成，而這些蛋白是穩(wěn)定突觸可塑性和維持記憶所必需的[24-25]。有研究顯示，BDNF參與正常海馬功能，支持海馬LTP，促使整個中樞神經(jīng)系統(tǒng)尤其海馬體的神經(jīng)元和信號傳導(dǎo)水平的興奮和可塑性發(fā)生深刻變化，因此BDNF 在改善突觸可塑性和認(rèn)知方面發(fā)揮內(nèi)在作用[26]。

3.6蛋白激酶C(PKC) PKC是一種由多個同工酶組成的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶家族，對學(xué)習(xí)和記憶功能產(chǎn)生重要作用。研究表明激活PKCs可促進(jìn)LTP的形成[27]。PKMs通過參與抑制細(xì)胞胞吐作用的過程，增加PSD-95和AMPA受體GluA2亞基的聚集。PKC亞型可參與神經(jīng)突和突觸結(jié)構(gòu)及功能的調(diào)節(jié)[28]。PKCε活化后誘導(dǎo)BDNF表達(dá)增高，而PKC抑制劑可以阻斷神經(jīng)突生長。因此，通過PKC 和BDNF等激活突觸發(fā)生分子級聯(lián)反應(yīng)在突觸水平減緩、停止或逆轉(zhuǎn)疾病的進(jìn)展，對多種形式的記憶障礙具有普遍的治療價值。

3.7鈣結(jié)合蛋白家族(CLSTNs) CLSTNs是一種主要表達(dá)在錐體神經(jīng)元突觸后膜和轉(zhuǎn)運囊泡中的細(xì)胞黏附分子鈣黏素超家族，其包括3個家族成員 CLSTN1、CLSTN2 和CLSTN3，參與調(diào)控學(xué)習(xí)記憶。CLSTNs能將細(xì)胞外水解信號與細(xì)胞內(nèi) Ca2+激活信號關(guān)聯(lián)[29]。CLSTN1參與突觸后分子復(fù)合體組分，激活突觸后膜下和胞內(nèi)Ca2+的信號途徑和參與胞內(nèi)轉(zhuǎn)運，從而調(diào)控突觸可塑性，形成和維持 LTP和LTD[30]。CLSTNs 蛋白水解過程及其介導(dǎo)的細(xì)胞功能尚需進(jìn)一步研究。

3.8N-甲基-D-天冬氨酸受體(NMDARs) NMDARs是一種非常重要的離子型谷氨酸受體，其NR2B成為近年研究熱點?！癗R2B”亞基一度被認(rèn)為是聰明基因，其和NR1亞基結(jié)合形成NMDARs復(fù)合物，才開始具有功能。NMDAR拮抗劑通過防止谷氨酰胺合成酶活性的改變及氧化應(yīng)激，減輕了神經(jīng)細(xì)胞凋亡率和大腦皮層脂質(zhì)、蛋白質(zhì)和DNA過氧化損傷[31]，其對學(xué)習(xí)和記憶的“雙向調(diào)節(jié)”作用的生物學(xué)價值越來越被人們所重視。CUI等[32]推測LTP的形成可能是轉(zhuǎn)化及整合長期記憶必需的過程，認(rèn)為增加NR2BA與NR2B的比例，對維持大腦長期記憶具有關(guān)鍵作用。

3.9神經(jīng)連接蛋白-1(NL1) NL1是一種神經(jīng)黏附分子，位于興奮性突觸后膜上，在突觸的形成發(fā)育和突觸可塑性的調(diào)控中發(fā)揮重要作用。有研究表明，NL1被蛋白水解酶分解后可產(chǎn)生胞質(zhì) CTD片段,其通過蛋白結(jié)合作用和激活肌動蛋白重組可提高樹突棘和突觸的數(shù)目[33]。海馬內(nèi)注射針對NL1基因的SiRNA和NL1基因敲除等處理均可降低海馬興奮性突觸后電流，引起空間學(xué)習(xí)記憶能力和海馬CA1區(qū)的損傷。LTPNL1的胞外區(qū)和突觸前膜neurexin的結(jié)合對LTP的形成是至關(guān)重要的[34]。

4 神經(jīng)遞質(zhì)分子機(jī)制

中樞膽堿能釋放的乙酰膽堿是形成記憶功能的必要神經(jīng)遞質(zhì)和長期記憶的基礎(chǔ)。很多研究也說明了去甲腎上腺素、多巴胺、γ-氨基丁酸及谷氨酸都是重要的神經(jīng)遞質(zhì)和學(xué)習(xí)記憶密切相關(guān)[35]。GABA受體是海馬神經(jīng)元突觸可塑性的必要條件，并對記憶產(chǎn)生影響[36]。近年研究顯示，在調(diào)控情緒、覺醒運動、認(rèn)知行為、學(xué)習(xí)記憶等行為方面，腦內(nèi)多巴胺及多巴胺 D1、D2 受體具有至關(guān)重要的作用[37]。D1受體促使齒狀顆粒細(xì)胞的 AMPA/NMDA 比率增加，表明突觸傳遞增強(qiáng)，影響新對象識別記憶。越來越多的神經(jīng)遞質(zhì)被發(fā)現(xiàn)與學(xué)習(xí)記憶相關(guān)，與突觸可塑性相關(guān)[38]。

綜上所述,可以看出各種表觀遺傳修飾、突觸可塑性相關(guān)蛋白、神經(jīng)遞質(zhì)等分子機(jī)制在學(xué)習(xí)記憶相關(guān)的突觸可塑性中發(fā)揮了不同程度的作用，今后可塑性機(jī)制的研究深入，必將為學(xué)習(xí)記憶及神經(jīng)系統(tǒng)相關(guān)疾病的預(yù)防及診療提供更全面、有效、合理的理論依據(jù)。