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1、 5-GABAA受体对认知功能的调节作用及其在突触内外分布双锚靠机制研究进展 王准，尹毅青天津医科大学肿瘤医院麻醉科 国家肿瘤临床医学研究中心 天津市“肿瘤防治”重点实验室 天津市恶性肿瘤临床医学研究中心，天津300060术后认知功能障碍（postoperative cognitive dysfunction，POCD）是指手术后新出现的学习和记忆等能力下降的神经系统并发症，发病率可因手术类型以及患者的情况而有所差异，老年人的发病率要明显高于青年人1。尽管已经受到越来越多人的关注，但是由于大脑的学习和记忆过程的复杂性以及影响因素的混杂性，POCD 的发病机制仍不明确。在学习和记忆的形成过程中，
2、突触可塑性一直被认为起到关键性作用2，在抑制性突触的作用下，兴奋性突触的可塑性可以发生改变，而影响大脑的学习和记忆能力。-氨基丁酸（-aminobutyric acid，GABA）是哺乳动物中枢神经系统主要的抑制性神经递质，通过与GABA 受体结合而起到调节神经信号传递的作用。目前已经发现的GABA 受体主要分为GABAA受体、GABAB受体和GABAC受体三类。含有5 亚单位的GABAA受体被称为5-GABAA受体，它不仅可以为多种麻醉药物提供作用位点从而产生麻醉效应，而且还在突触内外的锚靠蛋白作用下参与突触可塑性的调节，因此该受体类型有可能是POCD 发生过程中的关键位点，而且随着研究的深
3、入，其在学习和记忆过程中的重要作用也逐渐被发掘3-6。现将5-GABAA受体对认知功能的调节作用及其在突触内外分布的双锚靠机制研究进展综述如下，为临床探究预防和治疗POCD 提供新的思路。1 5-GABAA受体的结构及其在突触内外的分布1.1 5-GABAA受体的结构 在GABA 的三种类型受体中，GABAA受体是由同源亚单位构成的异五聚体，从而形成配体门控的氯离子通道受体，通过与配体结合，该类受体可以发挥离子通道的作用允许氯离子通过，从而产生快速的抑制性应答。GABAA受体的每种亚单位均具备相同的结构，包括一个较大的N 末端结构域、一个较小的C 末端结构域和四个跨膜区域（transmembr
4、ane，TM）14。在TM3与TM4之间形成的胞内结构域（intracellular domain，ICD）是多种形式的翻译后修饰（post-translation modification，PTM）的重要位点，同时也是细胞内蛋白与受体结合的作用位点，在调节受体的定位中起到非常重要的作用。迄今为止，人们在GABAA受体中一共发现了八大类共计19种亚单位，分别为：16、13、13、136。而5-GABAA受体则是指包含有5 亚单位的GABAA受体类型。不同亚单位装配成的受体可以发挥不同的功能，比如5/2结合后可以为苯二氮卓类药物提供作用位点。随着电子显微镜等新技术的应用7-8，对于受体的构成及相
5、关药物作用位点等问题可以更好地被进一步研究和解决。1.2 5-GABAA受体在突触内外的分布 5-GABAA受体在大脑中表达量不多，仅占脑内全部受体的5%，但是在海马区，这一比例可上升至25%，并且较多分布在海马区的CA1和CA3区域9。在大脑的其他区域虽然也有5-GABAA受体的分布，如大脑皮质、杏仁核、下丘脑等，但是这些区域受体的表达水平都较低10。随着进一步的研究发现，构成GABAA受体的亚单位不同，不仅影响着受体在组织上的空间定位，而且还影响受体在更细微的亚细胞水平的分布。GABAA受体在细胞膜上的分布可以分为突触内分布和突触外分布，其中含有1、2和3亚单位的GABAA受体主要分布在突
6、触内，由于对GABA的亲和力低，因此介导快速而短暂的phasic 抑制。而突触外含有4 和/或6 亚单位的GABAA受体对GABA 具有更强的亲和力，可以介导缓慢但持久的tonic 抑制10-11。初始人们认为5-GABAA受体主要定位在突触外，并在海马中产生tonic 抑制而发挥作用。但近些年的研究则发现，5-GABAA受体在突触内也有一定分布。通过分布位点不同，5-GABAA受体可同时发挥phasic 抑制和tonic 抑制两种作用9。对于受体来说，其位置的分布并非一成不变，而是一个动态调节的过程。受体可在细胞内合成并被分泌至细胞膜，并在受体的合成分泌过程中受到多种受体相关蛋白的调节。在内
7、质网中，不同类型的亚单位被装配组合成GABA 受体，成功合成的GABAA受体则被运输到高尔基体。通过与Plic-1 的结合，在内质网中的受体亚基会停留一定时间，从而使得未组装的受体亚单位有足够的时间发生多泛素化而被降解。当受体被转运至高尔基体内后，受体会与GABARAP/NSF 复合物结合，进一步促进其向质膜转运12。但是有研究发现，5-GABAA受体在突触内外的分布并不固定，通过受体在质膜上的移动，即横向扩散作用，可以实现受体在突触内外表达的再分布13-14。2 5-GABAA受体对认知功能的调节作用大脑的海马区一直被认为是与学习和记忆密切相关的脑区，而5-GABAA受体在海马区大量分布的特
8、点，使得人们将该受体与学习记忆联系在一起14。随着研究的深入，的确发现5-GABAA受体的改变可以影响实验动物的学习记忆能力。在部分敲低海马区5-GABAA受体的小鼠中可以发现，小鼠在一些海马依赖的行为如在痕迹条件恐惧试验、新事物识别试验中会发生改变，通过影响SST +/ 5-GABAA受体这一通路来改变受体的表达后，老年动物模型的认知功能发生了明显的改善15-16。这些研究都表明，5-GABAA受体在学习和记忆的过程中确实发挥着关键性作用。但是5-GABAA受体功能的调节具有双向性。作为5-GABAA受体的竞争性拮抗剂，S44819 可以使小鼠的空间学习能力和记忆能力可以得到明显的改善17。
9、而在前期实验中我们发现，L-655，708 虽然是5-GABAA受体的反向激动剂，但是却并不总能够改善实验小鼠的认知能力，而是表现出一种年龄相关性：在青年小鼠异氟醚麻醉前和麻醉后应用L-655，708 均可改善小鼠的空间学习和记忆能力，但是对于老年小鼠来说，仅在麻醉前给予L-655，708 有改善认知的作用，麻醉后再给予L-655，708 则对于小鼠的学习和记忆能力不会产生明显的影响18。近些年来，在老年动物如阿尔兹海默症小鼠模型中发现，通过正向激动5-GABAA受体，实验动物的认知能力也可得以提高19。激动或者拮抗5-GABAA受体的功能均可能改善实验动物的认知功能。3 调节5-GABAA受
10、体在突触内外分布的双锚靠机制兴奋性突触的可塑性如长时程增强（long-term potential，LTP）一直被认为是在哺乳动物大脑中进行学习和形成记忆的机制，通过调整突触可塑性可以改变动物的学习记忆能力20。但是LTP是一个正反馈过程，兴奋性信号传递至突触后部位发生去极化后刺激机体产生兴奋活动，从而再次出现兴奋性信号，进一步诱导下一次LTP 的产生。因此在此过程中，抑制性突触可以通过其抑制作用避免LTP 的累积，在改变抑制性突触的强度后，LTP 的发生可以被影响和改变21。由于突触内外受体产生抑制的性质上的差异，tonic 抑制和phasic 抑制对兴奋性突触后电位（excitatory
11、postsynaptic potential，EPSP）改变的程度也有所差异22，因此对LTP 的抑制程度也有不同。最新研究发现，在刺激诱发LTP 产生的过程中，突触外的5-GABAA受体可以进入抑制性突触，并对兴奋性突触反应进行抑制，进而影响动物的反向学习能力14。先前也有研究23报道，通过横向扩散作用，突触外5-GABAA受体进入突触后可以使动物的学习记忆能力发生改变。因此，在学习和记忆产生的过程中，除5-GABAA受体的表达量及总体功能之外，其在突触内外分布的调节可能是发挥其影响认知功能的更为关键的机制。5-GABAA受体在质膜表达时存在不定向的流动性，使得受体在突触内外均有分布具备了条
12、件基础，不同分布的GABAA受体可以分别产生不同的抑制电流来干扰突触可塑性，进而可以影响学习和记忆的形成。目前认为，在突触外主要依靠radixin蛋白将5-GABAA受体锚靠在质膜上，从而降低受体的流动性23-24，而在突触内，5-GABAA受体聚集则主要归功于gephyrin 蛋白14。这种在突触内外分别由不同的锚靠蛋白对5-GABAA受体的分布进行调节的机制，我们称之为双锚靠机制。3.1 锚靠蛋白radixin 在突触外对5-GABAA受体的锚靠作用及其调控机制 Radixin 是ERM（ezrin，radixin，meosin）蛋白家族中的一员，最初在大鼠的肝脏组织中被发现。Radixi
13、n 蛋白主要由三个结构域构成：FERM 结构域、C 末端结构域（C-terminal domain，CTD）以及连接以上两个结构域的中间结构域。FERM 结构域和CTD 可以分别与膜蛋白和肌动蛋白作用，从而将蛋白固定在肌动蛋白细胞骨架上发挥锚靠作用25。2006 年，LOEBRICH 团队通过酵母双杂交筛选的方式首次在大鼠大脑中发现radixin蛋白与5-GABAA受体存在相互作用，并证实radixin可将5-GABAA受体锚定在突触外位点26。在特异干扰radixin 的表达后，突触外的5-GABAA受体簇数量明显减少，而稳定radixin 与5-GABAA受体结合后，可以阻止5-GABAA
14、受体再分布于抑制性突触内则进一步证明了radixin 在突触外对5-GABAA受体的锚靠作用14，23。但是radixin 的锚靠作用是磷酸化依赖性的，必须要经过磷酸化修饰发生构象变化被激活后，radixin 才能实现对5-GABAA受体的锚靠。静息状态下，radixin 处于磷酸化状态，5-GABAA受体可与radixin 蛋白结合并因此锚靠在细胞骨架，当有兴奋信号传递时，radixin 的磷酸化水平下降，5-GABAA受体结合不稳定，从而使更多受体进入突触内实现再分布过程14，23。然而目前对于磷酸化radixin 的信号通路存在一定争议，认为可能与蛋白激酶C（protein kinase
15、 C，PKC）和RhoA/Rock 信号通路有关27-28。PKC 是一种Ca2+依赖的蛋白激酶，最初在非神经元细胞中发现可以参与ERM 蛋白家族的磷酸化过程。5-GABAA受体再分布过程具有活动依赖性，当兴奋性突触活动时可以增加细胞内的Ca2+浓度并促使radixin 蛋白发生去磷酸化，从而介导5-GABAA受体的再分布14。因此，与Ca2+相关的可调控radixin 磷酸化过程的PKC 进入人们的视野。当使用抑制剂Go 6976 阻断PKC 的活性后，ERM 蛋白的磷酸化水平增加27更加可以证明，Ca2+依赖性的PKC可以影响radixin 的磷酸化过程。Rho 具有调节如Rho激酶/RO
16、K等丝/苏氨酸激酶活性的作用，通过对radixin 蛋白C 末端T564 位点进行磷酸化修饰，Rho 激酶可以改变radixin 蛋白的头尾相连的构象从而使radixin 蛋白被激活29。但是当神经元活性发生变化时，RhoA/ROCK 信号通路可以使radixin 发生去磷酸化，而丧失对5-GABAA受体的锚靠作用，从细胞骨架释放的5-GABAA受体横向扩散速度增加，进而实现突触和突触外5-GABAA受体的再分布过程23。3.2 锚靠蛋白gephyrin 在突触内对5-GABAA受体的锚靠作用及其调控机制 Radixin 发生去磷酸化使5-GABAA受体从突触外位点被释放，释放后的受体流动性增加并扩散至突触而被位于突触
