软骨藻酸和谷氨酸受体

时间:2017-06-03 论文范文 我要投稿
关键字:  软骨藻酸 
  软骨藻酸(domoic acid’C15H7NO6’分子量311)是一种小分子的兴奋性神经毒素,属遗忘症毒素类(ASP)。加拿大爱华德王子岛曾有100多名居民由于食用了软骨藻酸污染的水产品而发生食物中毒,病人出现胃肠道症状(恶心、呕吐)和慢性神经损害(持续性记忆损害,定位力缺失),甚至昏迷,至少有3人死亡[1]。此后,在美国的西海岸也相继发生了软骨藻酸的污染事件,一些种类的海产品因此而被暂时禁止捕捞[2]。随着在世界范围内一系列污染事件的发生,人们对软骨藻酸的关注日益增加,对软骨藻酸毒性机理的研究也逐渐深入。软骨藻酸主要引起海马区和大脑新皮层神经元的损伤[3,4],其毒性作用途径主要是通过谷氨酸受体发挥作用,即NMDA(N-methyl-D-aspartate NMDA)型和KA(kainic acid’KA)/AMPA(α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionate’AMPA)型2种亚型谷氨酸受体[3,5]。
  1 NMDA受体
  NMDA受体与突触的可塑性和学习、记忆密切相关,通过该受体本身、其共的离子通道(即NMDA通道)及调节部位三者形成一复合体而发挥功能,对Ca2+高度通透[6]。每个NMDA受体上含有2个谷氨酸和2个甘氨酸结合识别位点,谷氨酸和甘氨酸均是谷氨酸受体的特异性激活剂[7]。1991年,日本Nakanishi实验室首次从大鼠脑中成功地克隆出了一种NMDA受体亚基的cDNA(NMDAR1)[8]。此后,人们又相继克隆出了4个新的NMDA受体亚基的cDNA(NMDAR2 A-D)。NMDAR1可单独形成功能性纯寡聚体NMDA受体,但NMDAR2亚基却不具备该功能。当NMDAR1与不同的NMDAR2共同表达后,由谷氨酸诱导的电流比对仅NMDAR1独自表达诱发的电流大数十倍到上百倍,此特性表明NMDA受体可能是由NMDAR1和不同的NMDAR2亚基组成的一个异寡聚体[7]。NMDAR1是由938个氨基酸残基组成的跨膜蛋白,分子量为105kD,有4个跨膜区[9]。1992年,Novelli等发现[10],含软骨藻酸的蚌类对神经培养物的损害与兴奋性氨基酸有协同作用,而且他们的资料表明,亚毒作用剂量的软骨藻酸能促进谷氨酸和精氨酸的兴奋毒作用。该协同毒性作用可能是通过降低Mg2+对NMDA受体离子通道的阻碍效应而实现的。Berman等在体外培养的神经元中,利用KA/AMPA及NMDA受体抑制剂,研究了软骨藻酸对小脑颗粒细胞的毒作用机制。他们的资料显示,由于NMDA竞争性和非竞争性抗剂均能降低软骨藻酸诱导的内源性兴奋性氨基酸的外流,所以NMDA受体不仅能介导大部分软骨藻酸引起的神经损伤,而且是兴奋性氨基酸外流的一个主要部位。这些结果更直接地支持了Novelli等人的观点。Berman和Heron等还发现,暴露在软骨藻酸下,内源性腺苷能抑制谷氨酸的释放[3,11]。但是,软骨藻酸和内源性腺苷相互作用的机制还不十分清楚。软骨藻酸能促进谷氨酸和精氨酸的释放,而释放的谷氨酸和精氨酸又可激活NMDA受体,进而促进内源性兴奋性氨基酸的释放。所以软骨藻酸可协同性地加强谷氨酸/精氨酸介导的神经兴奋作用。NMDA受体激活后,细胞外的Ca2+大量进入细胞,细胞内钙库贮存的Ca2+大量释放,引起细胞内Ca2+过负载,造成细胞损伤。高浓度的Ca2+可活化与NMDA受体NR1和NR2B亚基结合的钙/钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/CaM-dependent protein kinaseⅡ’CaMK Ⅱ)[12],CaMKⅡ又能磷酸化AMPA受体,进而提高该受体通道的敏感性[13]。
  2 KA/AMPA受体
  KA/AMPA受体是最重要的离子型非NMDA型兴奋性氨基酸受体。AMPA受体家族包括4个结构极为相似的亚基,各亚基的氨基酸序列的同源性高达70%。由于氨基酸残基疏水性分布,在靠近基端的部分构成4个跨膜区。AMPA、L-谷氨酸及KA均可激活这类离子通道,并有AMPA的高亲和力结合位点。天然AMPA受体是一个仅由这4种亚基组成的五聚体,每个单体的分子量为108kD。AMPA受体的4种亚基在第4个跨膜区的上游均含有1个由38个氨基酸残基组成的特殊区段,该区存在2个结构相似区,分别由受体基因上2个相邻的外显子编码[7]。但各亚基的DNA编码在翻译后要经过一些如磷酸化、糖基化及棕榈酮化等修饰,这些修饰是通道功能重要的调节方式[14]。离子型谷氨酸受体功能的多样性是通过不同亚基的组装、选择性基因接合、转录前mRNA的编辑等方式来实现的。特别对于AMPA和KA受体,它们不同于NMDA受体,还要通过RNA编辑进行特殊的修饰。最近发现通道小孔区的氨基酸是编辑酶的作用位点,所以该部位的修饰会影响到离子的通透性[15]。人们继续研究发现,在AMPA受体GluR5亚基或KA受体GluR5和GluR6亚基的通道小孔区内或附近关键位置的RNA编辑,将中性的谷氨酸替换成带正电荷的精氨酸,谷氨酸和精氨酸的互换会引起Ca2+的内流[14]。成年大鼠的GluR2基因全部经过编辑,而GluR5和GluR6编辑不完全,分别为39%和75%。这种现象可能与编辑有关的腺苷脱氨酶识别和碱基配对所需的特定内含子序列的位置有关。GluR2的内含子序列在谷氨酸-精氨酸互换点的位置附近,而GluR5和GluR6的内含子序列却远离该互换点1900个核苷酸[16]。Seeburg等人研究发现,AMPA受体的电导性和通透性由GluR2决定,这是因为GluR2的第2个跨膜区与其它3个亚基不同,谷氨酸突变为精氨酸。他们还发现,AMPA受体各亚基的基因编码中,谷氨酸/精氨酸位点均是谷氨酸的编码。正是由于高度特异性的mRNA编辑才实现了定点突变[17]。结果提示脑细胞具有选择表达含未编辑GluR2亚基,从而实现选择对Ca2+通透的AMPA受体数量的能力[7]。
  在大鼠中,通过分子克隆技术,已发现5种KA受体亚型(GluR5~7’KA-1’KA-2)。其中KA-1和KA-2受体亚基能与各自的激活剂高度结合但不引起反应。利用逆转录PCR及膜片钳技术揭示,KA受体是由同类的不同亚基组成的异质组合体。亚基的组成对受体的功能特性影响特别大,因为异质的KA受体复合物中出现编辑的GluR5或GluR6会阻碍Ca2+的通透性[14]。GluR6的第1个跨膜区有2个受RNA编辑修饰的位点,所以加上第2个跨膜区具有的谷氨酸/精氨酸位点,GluR6共有3个受RNA编辑修饰的位点。与AMPA受体不同,只有当GluR6第1个跨膜区处于编辑形式时,第2个跨膜区的谷氨酸/精氨酸位点的编辑才影响通道Ca2+的通透性,结果提示,细胞可能通过RNA编辑改变结构达到调控通道的Ca2+流量[7]。到目前为止,尚缺乏特异性的抑制剂来明确地区别KA和AMPA受体[18]。分子生物学研究又揭示,KA和AMPA受体亚基的RNA剪接和编辑又使得2种受体亚型的多样性更加复杂[7]。而且软骨藻酸又是KA的结构类似物,所以目前还不能区分软骨藻酸对KA和AMPA受体单独作用的特性。但现在已发现,软骨藻酸对KA受体的结合力要比AMPA受体大,仅对AMPA受体来说,软骨藻酸能在纳摩尔级浓度激活AMPA受体,而KA却不能,这也是软骨藻酸比红藻氨酸毒性大的一个因素[19]。软骨藻酸激活谷氨酸受体的方式与KA相同,但有别于天然的L-谷氨酸,谷氨酸引起快速脱敏反应,而KA和软骨藻酸不能或仅引起KA/AMPA受体缓慢脱敏。软骨藻酸对KA/AMPA受体高亲和力和不引起脱敏电流这两个特性是其神经毒理作用的两个重要因子[14]。天然神经递质对AMPA受体产生脱敏反应是神经系统中限制突触后电位强度和持续时间的一种重要机制。由于AMPA/KA受体不能产生脱敏反应,导致受体持续活化,阳离子通过受体通道大量进入神经细胞。大量涌进的阳离子会改变细胞内的一系列生化过程,最终会导致一些敏感细胞死亡[14]。有趣的是,Alfonso等发现,在培养的鸡视网膜细胞中,软骨藻酸可引起Ca2+依赖性和非依赖性的γ-氨基丁酸的释放,从而发挥抑制性神经递质的功能,实现机体的自我保护[20]。目前,软骨藻酸与KA/AMPA受体的结合方式及具体的作用机制还不清楚,而且激活KA/AMPA受体后,引起的各种细胞内反应也有待于进一步研究。
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