腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子在長時(shí)程增強(qiáng)中的作用

1、腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子在長時(shí)程增強(qiáng)中的作用 【關(guān)鍵詞】 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子 長時(shí)程增強(qiáng) 學(xué)習(xí) 記憶 綜述 腦源性神經(jīng)營養(yǎng)因子（brainderived neurotrophic factor,bdnf）是由德國神經(jīng)生物學(xué)家barde及同事，于1982年首次從豬腦中分離純化出的有促進(jìn)神經(jīng)生長活性的一種蛋白質(zhì)，它對(duì)周圍和中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元的存活和發(fā)育均發(fā)揮重要作用。近年來 研究 表明，bdnf通過允許和指導(dǎo)方式參與長時(shí)程增強(qiáng)（longterm potentiation，ltp），在學(xué)習(xí)和記憶過程中發(fā)揮重要作用?，F(xiàn)將研究綜述如下。 1 bdnf bdnf分子單體是由119個(gè)氨基酸殘基組成的分泌型成熟多肽

2、，蛋白等電點(diǎn)為9.99。bdnf的相對(duì)分子質(zhì)量為13 500，主要由折疊和無規(guī)則二級(jí)結(jié)構(gòu)組成，含有3個(gè)二硫鍵。它主要存在于神經(jīng)系統(tǒng)，廣泛分布在大腦皮質(zhì)、海馬、基底前腦、紋狀體、隔區(qū)、下丘腦、小腦、腦干及周圍神經(jīng)系統(tǒng)中，其中以海馬和皮層含量最高。神經(jīng)細(xì)胞表面存在兩類bdnf受體，一類是低親和力受體，為相對(duì)分子質(zhì)量約為75 000的跨膜蛋白p75，它可與神經(jīng)營養(yǎng)素家族所有的因子結(jié)合；第二類受體屬于酪氨酸蛋白激酶（tyrosinerelated receptor kinase，trk），包括trka、trkb和trkc，其中trkb與bdnf親和力最大，是bdnf主要的功能性受體。bdnf不僅在神經(jīng)

3、系統(tǒng)發(fā)育過程中維持神經(jīng)元的功能，而且在神經(jīng)元損傷后的再生修復(fù)以及防止神經(jīng)細(xì)胞退行性變等諸多方面發(fā)揮作用。 2 ltp 2.1 ltp概述 ltp是指在條件刺激（多為較高頻率的強(qiáng)直刺激）后，相同的測(cè)試刺激誘發(fā)突觸反應(yīng)長時(shí)間明顯增強(qiáng)的現(xiàn)象。這種突觸反應(yīng)在不同實(shí)驗(yàn)條件下可以有不同的表現(xiàn)形式，如可以是場電位、群體興奮性突觸后電位、群體峰電位和興奮性突觸后電位（excitatory postsynaptic potential，epsp）等。ltp既能長期保持，又能迅速改變，已成為突觸水平上研究學(xué)習(xí)和記憶的分子模型。根據(jù)ltp發(fā)生的時(shí)間和機(jī)制不同，可以將其分為早發(fā)性ltp（earlyltp，eltp）和

4、晚發(fā)性ltp（lateltp，lltp）。單串的高頻刺激（highfrequency stimulation，hfs）通過nmda受體的ca2內(nèi)流和蛋白磷酸化而引起的突觸修飾1誘發(fā)eltp，持續(xù)1 2 h；重復(fù)hfs通過與長時(shí)程記憶（longterm memory，ltm）相似的機(jī)制，合成新的蛋白質(zhì)誘發(fā)lltp，持續(xù)6 8 h。 2.2 ltp與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系 ltp與學(xué)習(xí)記憶有相互促進(jìn)作用，ltp的誘導(dǎo)或阻斷會(huì)改變學(xué)習(xí)記憶的能力，在學(xué)習(xí)記憶的過程中也會(huì)引起相應(yīng)的ltp變化。有研究者1在海馬突觸可塑性與年齡相關(guān)的記憶下降的關(guān)系研究中發(fā)現(xiàn)，易化ltp的誘導(dǎo)可改善老年鼠的記憶能力；阻斷l(xiāng)tp的誘導(dǎo)可

5、直接 影響 海馬依賴性學(xué)習(xí)行為的獲得。通過訓(xùn)練動(dòng)物在y型迷宮內(nèi)進(jìn)行分辨回避反應(yīng)的學(xué)習(xí)，記憶保持好的動(dòng)物ltp效應(yīng)顯著增大，記憶保持差的動(dòng)物ltp效應(yīng)增大不明顯。 也有研究發(fā)現(xiàn)ltp與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系不十分密切。saucier等2用nmda受體的特異性阻斷劑npc17742完全阻斷nmda介導(dǎo)的ltp之后，只要對(duì)任務(wù)要求熟悉的大鼠，即使沒有經(jīng)過訓(xùn)練其空間學(xué)習(xí)記憶能力仍不會(huì)受影響。daniel等3在glur1亞型缺陷大鼠的研究中發(fā)現(xiàn)，ltp的誘導(dǎo)受到限制，但空間學(xué)習(xí)和記憶能力表現(xiàn)正常。 總之，ltp與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系十分復(fù)雜，就 目前 研究結(jié)果，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為ltp是學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)之一。 3 bdnf

6、在ltp中的作用 3.1 bdnf參與調(diào)節(jié)ltp實(shí)驗(yàn)證據(jù) 在體和離體實(shí)驗(yàn)均證實(shí)bdnf參與調(diào)節(jié)ltp。bdnf和其受體trkb結(jié)合后能誘導(dǎo)海馬顆粒細(xì)胞產(chǎn)生持續(xù)的ltp；給予海馬顆粒細(xì)胞能產(chǎn)生持久ltp的刺激，可誘導(dǎo)bdnf和trkb mrna的表達(dá)。記憶鞏固之前，將bdnf反義寡核苷酸直接注入海馬齒狀回后，大鼠的記憶保持明顯受到損害，齒狀回的bdnf mrna水平明顯下降，而且epsp幅度和斜率也顯著減弱，提示海馬bdnf基因的表達(dá)在ltp的形成和記憶鞏固過程中起著重要作用4。aleisa等5研究結(jié)果表明，尼古丁能通過增加ca1區(qū)bdnf蛋白的表達(dá)，使壓力導(dǎo)致的ca1區(qū)ltp的損害得到恢復(fù)。給

7、予外源性的bdnf，能夠保護(hù)海馬ltp及空間學(xué)習(xí)、記憶功能不受壓力的損害6。abidin等7通過基因敲除 方法 發(fā)現(xiàn)，bdnf表達(dá)降低到接近50時(shí)，可減弱重復(fù)刺激引起的突觸前谷氨酸釋放的效能，損害視覺皮層突觸前的ltp。bdnf的分泌是ltp興奮依賴性的，并且由突觸后神經(jīng)元釋放。hartmann等8將bdnf與綠色熒光蛋白（green fluorescent protein，gfp）相連，hfs激活谷氨酸能突觸后能誘導(dǎo)bdnfgfp從突觸局部的分泌型顆粒中釋放出來，該釋放依賴于突觸后谷氨酸受體的激活和突觸后ca2的內(nèi)流。 3.2 bdnf對(duì)ltp的作用 多數(shù)學(xué)者認(rèn)為，bndf對(duì)ltp的作用包括

8、允許（permissive）和指導(dǎo)（instructive）兩方面9。 允許是指bdnf能夠增強(qiáng)突觸產(chǎn)生ltp的能力，但是本身并不產(chǎn)生ltp。目前認(rèn)為，bdnf是通過抑制突觸疲勞而發(fā)揮其允許作用。突觸疲勞是指連續(xù)刺激后，epsp幅度降低。figurov等10用trkbfc使成年大鼠海馬中胞內(nèi)trkb與bdnf分離，抑制bdnf信號(hào)的轉(zhuǎn)導(dǎo)，增加了ca3ca1突觸疲勞，從而抑制了bdnf對(duì)ltp的允許作用。相反，當(dāng)bdnf 應(yīng)用 到內(nèi)源性bdnf水平較低的新生大鼠海馬中時(shí)，突觸疲勞減弱，允許作用增強(qiáng)，ltp誘導(dǎo)加快。pozzomiller等11發(fā)現(xiàn)bdnf基因敲除大鼠給予hfs后，ca1區(qū)突觸疲勞

9、增加、ltp受損，應(yīng)用bdnf處理后能逆轉(zhuǎn)這種變化。在trkb突變大鼠中也看到相類似的突觸疲勞增加和ltp受損12。從ca3ca1突觸后神經(jīng)元選擇性刪除trkb受體后，大鼠的突觸疲勞無變化，eltp未受損，表明bdnf抑制突觸疲勞的功能可能是通過突觸前trkb信號(hào)來調(diào)節(jié)的12。 指導(dǎo)是指bdnf對(duì)hfs產(chǎn)生應(yīng)答，參與ltp的形成和維持，bdnf對(duì)eltp和lltp均發(fā)揮指導(dǎo)作用。通過將bdnf反義寡核苷酸注射到成年海馬齒狀回內(nèi)以降低bdnf水平4，或者在體外用trkbigg融合蛋白清除內(nèi)源性的bdnf10可降低eltp幅度。在能誘導(dǎo)ltp的強(qiáng)直刺激后立即給予bdnf清除劑或bdnf抗體，不僅能

10、阻止eltp的誘導(dǎo)，還能消除已形成的eltp。eltp的損害可以通過內(nèi)源性的重組體bdnf，或者通過病毒轉(zhuǎn)染的bdnf來修復(fù)。在應(yīng)用能誘導(dǎo)lltp的刺激2 4 h后，bdnfmrna增加，而該時(shí)段正好與lltp的表達(dá)相一致。有研究人員13發(fā)現(xiàn)，bdnf基因敲除大鼠及應(yīng)用trkb抗體均能阻斷突觸的lltp形成。bdnf基因敲除或trkb抗體能損害爆發(fā)刺激（burst stimulation，tbs）誘發(fā)的lltp，但不能損害四連串強(qiáng)直刺激誘發(fā)的lltp，推測(cè)這可能是由于四連串強(qiáng)直刺激能產(chǎn)生更多的bdnf或者其它因子，從而能夠彌補(bǔ)lltp的損害14。 3.3 bndf參與調(diào)節(jié)ltp的機(jī)制 3.3.

11、1 調(diào)節(jié)突觸后nmda受體 nmda受體激活后的細(xì)胞內(nèi)級(jí)聯(lián)反應(yīng)參與ltp的形成。強(qiáng)直刺激通過ampa受體通道的離子流增強(qiáng)，使nmda受體的突觸后膜去極化，nmda受體中的mg2阻隔被去除，激活nmda受體，ca2內(nèi)流，使突觸后膜受體等重要蛋白質(zhì)磷酸化，蛋白合成增加，從而激活一系列細(xì)胞內(nèi)ca2依賴的級(jí)聯(lián)反應(yīng)，誘導(dǎo)ltp的產(chǎn)生。murphy等15應(yīng)用nmda受體的選擇性抑制劑ap5（aminophosphonovaleric acid）后，可以抑制家兔的ltp誘導(dǎo)。tsien等16準(zhǔn)確地敲除了小鼠ca1區(qū)nmda受體r1基因，發(fā)現(xiàn)突變后小鼠的ca1區(qū)缺失ltp，從而進(jìn)一步證實(shí)了nmda受體在ltp

12、中起著重要作用。 bdnf與trkb結(jié)合后增強(qiáng)海馬突觸后nmda受體的磷酸化，迅速增加神經(jīng)元之間的突觸傳遞，從而誘導(dǎo)ltp，nmda受體拮抗劑mk801和trk抑制劑k252a均能抑制bdnf所增強(qiáng)的突觸傳遞17。lin等18發(fā)現(xiàn)經(jīng)bdnf孵育5 min后的大腦皮質(zhì)或海馬突觸后致密物（postsynaptic densities，psd）的nmda受體亞單位nr2b磷酸化增強(qiáng)，并且發(fā)現(xiàn)，bdnf促進(jìn)nr2b磷酸化呈劑量依賴性，在bdnf濃度為2 ngml-1時(shí)達(dá)到最大，這表明bdnf是通過增強(qiáng)nr2b的磷酸化來調(diào)節(jié)突觸后ltp。bdnf也可以通過依賴nmda受體亞單位nr2b的機(jī)制，使ampa

13、受體亞單位glur1發(fā)生磷酸化來調(diào)節(jié)ltp。wu等19發(fā)現(xiàn)經(jīng)bdnf孵育后的神經(jīng)突觸體和psd的glur1磷酸化增加，nmda可使神經(jīng)突觸體和psd的磷酸化分別提高3.8和2倍，而nmda受體拮抗劑ap5和mk801能阻斷神經(jīng)突觸體和psd的glur1磷酸化。 3.3.2 啟動(dòng)mapk轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑 mapk即有絲分裂原激活蛋白激酶（mitogenactivated protein kianse），是bdnf與trkb受體結(jié)合后激活的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路之一。在應(yīng)用能誘導(dǎo)lltp的強(qiáng)直刺激過程中或之前，用mapk抑制劑u0126或者pd98059處理海馬切片，ca1區(qū)lltp的幅度明顯降低，這提示mapk途

14、徑在lltp中起著重要作用。 行為學(xué)研究對(duì)mapk的激活在bdnf調(diào)節(jié)ltp中的作用提供了間接證據(jù)。將抗bdnf抗體注入海馬ca1區(qū)后，mapk激活程度降低，長期記憶受損；相反，海馬內(nèi)注射重組體bdnf后，mapk激活程度增加，長期記憶改善20。gooney等21發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行morris水迷宮行為訓(xùn)練和保持ltp的大鼠，其齒狀回bdnf的釋放增加，mapk磷酸化增加，認(rèn)為ltp的形成與mapk的激活有關(guān)。 rosenblum等22發(fā)現(xiàn)bdnf可以使mapk成員erk/（extracellular regulated kinase/）發(fā)生核易位，激活即刻早期基因（immediatelyearly

15、genes，iegs）zif268、homer 的表達(dá)，這些表達(dá)的蛋白參與lltp的形成和突觸的鞏固。ying等23在海馬內(nèi)微量注射bdnf后導(dǎo)致齒狀回erk激活，局部灌注erk抑制劑pd98059和u0126能完全消除bdnfltp的誘導(dǎo)，但對(duì)已經(jīng)建立的bdnfltp無作用；同時(shí)發(fā)現(xiàn)bdnf可以導(dǎo)致arc mrna和蛋白水平上調(diào)，參與lltp的形成，而u0126能阻止arc的上調(diào)。 camp反應(yīng)性元件結(jié)合蛋白（camp response element binding protein，creb）的激活是mapk信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的關(guān)鍵步驟，它能啟動(dòng)蛋白的表達(dá)，參與lltp的維持24。以上結(jié)果提示b

16、dnf通過激活mapk信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑促進(jìn)zif268、homer和arc等蛋白的合成，參與ltp的形成。 3.3.3 其它 bdnf還可以通過plc和pi3k信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑參與ltp，但是 目前 相關(guān) 研究 甚少。minichiello等25發(fā)現(xiàn)，trkb中與plc結(jié)合位點(diǎn)突變的大鼠海馬ltp嚴(yán)重受損，而shc位點(diǎn)突變的大鼠海馬ltp未受損。mizuno等26研究pi3k信號(hào)途徑在空間 學(xué)習(xí) 和記憶中的作用，發(fā)現(xiàn)注射bdnf寡核苷酸或pi3k抑制劑后大鼠的空間學(xué)習(xí)能力下降，這表明pi3k信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的激活對(duì)空間記憶很重要。 4 結(jié) 語 近年來bdnf越來越受到關(guān)注，它參與ltp的形成和維持，其對(duì)l

17、tp的作用主要有允許和指導(dǎo)兩方面。bdnf參與ltp的機(jī)制有調(diào)節(jié)突觸后nmda受體、啟動(dòng)mapk轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑等。ltp與學(xué)習(xí)記憶相互促進(jìn),bdnf可能通過ltp 影響 學(xué)習(xí)與記憶功能，這為臨床 治療 學(xué)習(xí)與記憶功能障礙性疾病提供了新思路。隨著對(duì)bdnf和ltp的研究進(jìn)一步深入，bdnf參與調(diào)節(jié)ltp的確切機(jī)制將逐步被闡明。 【 參考 文獻(xiàn) 】 1foster t c.involvement of hippocampal synaptic plasticity in agerelated memory declinej.brain res brain res rev,1999,30(3): 2362

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