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1、脑源性神经营养因子在长时程增强中的作用【关键词】 脑源性神经营养因子 长时程增强 学习记忆 综述脑源性神经营养因子（Brainderived neurotrophic factor,BDNF）是由德国神经生物学家Barde及同事，于1982年首次从 猪脑中分离纯化出的有促进神经生长活性的一种蛋白质，它对周围和中枢 神经系统神经元的存活和发育均发挥重要作用。近年来研究表明，BDNF 通过允许和指导方式参与长时程增强（Longterm potentiation，LTP），在学习和记忆过程中发挥重要作用。现将研究 综述如下。1 BDNFBDNF分子单体是由119个氨基酸残基组成的分泌型成熟多肽，蛋白
2、等电点 为9.99。BDNF的相对分子质量为13 500，主要由折叠和无规则二级结构组成，含有3个二硫键。它主要存在 于神经系统，广泛分布在大脑皮质、海马、基底前脑、纹状体、隔区、下 丘脑、小脑、脑干及周围神经系统中，其中以海马和皮层含量最高。神经 细胞表面存在两类BDNF受体，一类是低亲和力受体，为相对分子质量约 为75 000的跨膜蛋白P75，它可与神经营养素家族所有的因子结合；第二类受 体属于酪氨酸蛋白激酶（tyrosinerelated receptor kinase，Trk），包括TrkA、TrkB和TrkC，其中TrkB与BDNF亲和力 最大，是BDNF主要的功能性受体。BDNF不
3、仅在神经系统发育过程中维持 神经元的功能，而且在神经元损伤后的再生修复以及防止神经细胞退行性 变等诸多方面发挥作用。2 LTP2.1 LTP概述 LTP是指在条件刺激（多为较高频率的强直刺激）后，相同的测试刺激诱 发突触反应长时间明显增强的现象。这种突触反应在不同实验条件下可以 有不同的表现形式，如可以是场电位、群体兴奋性突触后电位、群体峰电 位和兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）等。LTP既能长期保持，又能迅速改变，已成为突 触水平上研究学习和记忆的分子模型。根据LTP发生的时间和机制不同， 可以将其分为早发性LTP（earlyL
4、TP，ELTP）和晚发性LTP（late LTP，LLTP）。单串的高频刺激（highfrequency stimulation，HFS）通过NMDA受体的Ca2内流和蛋白磷酸化而引起 的突触修饰1诱发ELTP，持续1 2 h；重复HFS通过与长时程记忆（Longterm memory，LTM）相似的机制，合成新的蛋白质诱发LLTP，持续6 8 h。2.2 LTP与学习记忆关系 LTP与学习记忆有相互促进作用，LTP的诱导或阻断会改变学习记忆的能 力，在学习记忆的过程中也会引起相应的LTP变化。有研究者1在海马 突触可塑性与年龄相关的记忆下降的关系研究中发现，易化LTP的诱导可 改善老年鼠的记
5、忆能力；阻断LTP的诱导可直接影响海马依赖性学习行为 的获得。通过训练动物在Y型迷宫内进行分辨回避反应的学习，记忆保持 好的动物LTP效应显著增大，记忆保持差的动物LTP效应增大不明显。也有研究发现LTP与学习记忆关系不十分密切。Saucier等2用NMDA受 体的特异性阻断剂NPC17742完全阻断NMDA介导的LTP之后，只要对任务 要求熟悉的大鼠，即使没有经过训练其空间学习记忆能力仍不会受影响。 Daniel等3在GluR1亚型缺陷大鼠的研究中发现，LTP的诱导受到限制 ，但空间学习和记忆能力表现正常。总之，LTP与学习记忆关系十分复杂，就目前研究结果，大多数学者认为 LTP是学习记忆的
6、神经基础之一。3 BDNF在LTP中的作用3.1 BDNF参与调节LTP实验证据 在体和离体实验均证实BDNF参与调节LTP。BDNF和其受体TrkB结合后能 诱导海马颗粒细胞产生持续的LTP；给予海马颗粒细胞能产生持久LTP的 刺激，可诱导BDNF和TrkB mRNA的表达。记忆巩固之前，将BDNF反义寡核苷酸直接注入海马齿状回 后，大鼠的记忆保持明显受到损害，齿状回的BDNF mRNA水平明显下降，而且EPSP幅度和斜率也显著减弱，提示海马BDNF基 因的表达在LTP的形成和记忆巩固过程中起着重要作用4。Aleisa等 5研究结果表明，尼古丁能通过增加CA1区BDNF蛋白的表达，使压力导
7、致的CA1区LTP的损害得到恢复。给予外源性的BDNF，能够保护海马LTP 及空间学习、记忆功能不受压力的损害6。Abidin等7通过基因敲除 方法发现，BDNF表达降低到接近50时，可减弱重复刺激引起的突触前 谷氨酸释放的效能，损害视觉皮层突触前的LTP。BDNF的分泌是LTP兴奋 依赖性的，并且由突触后神经元释放。Hartmann等8将BDNF与绿色荧 光蛋白（green fluorescent protein，GFP）相连，HFS激活谷氨酸能突触后能诱导BDNFGFP从突 触局部的分泌型颗粒中释放出来，该释放依赖于突触后谷氨酸受体的激活 和突触后Ca2的内流。3.2 BDNF对LTP的作
8、用 多数学者认为，BNDF对LTP的作用包括允许（permissive）和指导（i nstructive）两方面9。允许是指BDNF能够增强突触产生LTP的能力，但是本身并不产生LTP。目 前认为，BDNF是通过抑制突触疲劳而发挥其允许作用。突触疲劳是指连 续刺激后，EPSP幅度降低。Figurov等10用TrkBFc使成年大鼠海马 中胞内TrkB与BDNF分离，抑制BDNF信号的转导，增加了CA3CA1突触 疲劳，从而抑制了BDNF对LTP的允许作用。相反，当BDNF应用到内源性B DNF水平较低的新生大鼠海马中时，突触疲劳减弱，允许作用增强，LTP 诱导加快。PozzoMiller等11发
9、现BDNF基因敲除大鼠给予HFS后， CA1区突触疲劳增加、LTP受损，应用BDNF处理后能逆转这种变化。在Tr kB突变大鼠中也看到相类似的突触疲劳增加和LTP受损12。从CA3CA 1突触后神经元选择性删除TrkB受体后，大鼠的突触疲劳无变化，ELTP 未受损，表明BDNF抑制突触疲劳的功能可能是通过突触前TrkB信号来调 节的12。指导是指BDNF对HFS产生应答，参与LTP的形成和维持，BDNF对ELTP 和LLTP均发挥指导作用。通过将BDNF反义寡核苷酸注射到成年海马齿 状回内以降低BDNF水平4，或者在体外用TrkBIgG融合蛋白清除内源 性的BDNF10可降低ELTP幅度。在能
10、诱导LTP的强直刺激后立即给予B DNF清除剂或BDNF抗体，不仅能阻止ELTP的诱导，还能消除已形成的E LTP。ELTP的损害可以通过内源性的重组体BDNF，或者通过病毒转染 的BDNF来修复。在应用能诱导LLTP的刺激2 4 h后，BDNFmRNA增加，而该时段正好与LLTP的表达相一致。有研究人 员13发现，BDNF基因敲除大鼠及应用TrkB抗体均能阻断突触的LLTP 形成。BDNF基因敲除或TrkB抗体能损害爆发刺激（burst stimulation，TBS）诱发的LLTP，但不能损害四连串强直刺激诱发 的LLTP，推测这可能是由于四连串强直刺激能产生更多的BDNF或者其 它因子，
11、从而能够弥补LLTP的损害14。3.3 BNDF参与调节LTP的机制3.3.1 调节突触后NMDA受体 NMDA受体激活后的细胞内级联反应参与LTP的形成。强直刺激通过AMPA 受体通道的离子流增强，使NMDA受体的突触后膜去极化，NMDA受体中的 Mg2阻隔被去除，激活NMDA受体，Ca2内流，使突触后膜受体等重要蛋白质磷酸化，蛋白合成增加，从而激活一系列细胞内Ca2依赖的级联 反应，诱导LTP的产生。Murphy等15应用NMDA受体的选择性抑制剂A P5（aminophosphonovaleric acid）后，可以抑制家兔的LTP诱导。Tsien等16准确地敲除了小鼠C A1区NMDA
12、受体R1基因，发现突变后小鼠的CA1区缺失LTP，从而进一步 证实了NMDA受体在LTP中起着重要作用。BDNF与TrkB结合后增强海马突触后NMDA受体的磷酸化，迅速增加神经元 之间的突触传递，从而诱导LTP，NMDA受体拮抗剂MK801和Trk抑制剂K 252a均能抑制BDNF所增强的突触传递17。Lin等18发现经BDNF 孵育5 min后的大脑皮质或海马突触后致密物（postsynaptic densities，PSD）的NMDA受体亚单位NR2B磷酸化增强，并且发现，BD NF促进NR2B磷酸化呈剂量依赖性，在BDNF浓度为2 ngml- 1时达到最大，这表明BDNF是通过增强NR2
13、B的磷酸化来调节突触后LTP。 BDNF也可以通过依赖NMDA受体亚单位NR2B的机制，使AMPA受体亚单位G luR1发生磷酸化来调节LTP。Wu等19发现经BDNF孵育后的神经突触体 和PSD的GluR1磷酸化增加，NMDA可使神经突触体和PSD的磷酸化分别提 高3.8和2倍，而NMDA受体拮抗剂AP5和MK801能阻断神经突触体和PSD 的GluR1磷酸化。3.3.2 启动MAPK转导途径 MAPK即有丝分裂原激活蛋白激酶（mitogenactivated protein kianse），是BDNF与TrkB受体结合后激活的信号转导通路之一。在应 用能诱导LLTP的强直刺激过程中或之前，
14、用MAPK抑制剂U0126或者PD9 8059处理海马切片，CA1区LLTP的幅度明显降低，这提示MAPK途径在L LTP中起着重要作用。行为学研究对MAPK的激活在BDNF调节LTP中的作用提供了间接证据。将 抗BDNF抗体注入海马CA1区后，MAPK激活程度降低，长期记忆受损；相 反，海马内注射重组体BDNF后，MAPK激活程度增加，长期记忆改善20 。Gooney等21发现在进行Morris水迷宫行为训练和保持LTP的大鼠 ，其齿状回BDNF的释放增加，MAPK磷酸化增加，认为LTP的形成与MAPK 的激活有关。Rosenblum等22发现BDNF可以使MAPK成员ERK/（extrac
15、ellu lar regulated kinase/）发生核易位，激活即刻早期基因（Immediatelyearl y genes，IEGs）Zif268、Homer 的表达，这些表达的蛋白参与LLTP的形成和突触的巩固。Ying等23 在海马内微量注射BDNF后导致齿状回ERK激活，局部灌注ERK抑制剂PD9 8059和U0126能完全消除BDNFLTP的诱导，但对已经建立的BDNFLTP 无作用；同时发现BDNF可以导致Arc mRNA和蛋白水平上调，参与LLTP的形成，而U0126能阻止Arc的上调。 cAMP反应性元件结合蛋白（cAMP response element binding
16、 protein，CREB）的激活是MAPK信号转导途径的关键步骤，它能启动蛋 白的表达，参与LLTP的维持24。以上结果提示BDNF通过激活MAPK信 号转导途径促进Zif268、Homer和Arc等蛋白的合成，参与LTP的形成。3.3.3 其它 BDNF还可以通过PLC和PI3K信号转导途径参与LTP，但是目前相关研 究甚少。Minichiello等25发现，TrkB中与PLC结合位点突变的 大鼠海马LTP严重受损，而Shc位点突变的大鼠海马LTP未受损。Mizuno 等26研究PI3K信号途径在空间学习和记忆中的作用，发现注射BDNF 寡核苷酸或PI3K抑制剂后大鼠的空间学习能力下降，这表明PI3K信号 转导途径的激活对空间记忆很
