曹宏伟 朱 克 高丽霞 张俊玲

D型丝氨酸与精神分裂症关系的研究进展

曹宏伟 朱 克 高丽霞 张俊玲

（山东医药技师学院生物工程系，泰安271016）

D型丝氨酸是近年来新发现的一种神经递质，可能通过调节N-甲基D-天冬氨酸受体的活性参与精神分裂症的发病。对D型丝氨酸在中枢神经的产生、代谢及其与精神分裂症的关系进行了简要介绍。

D型丝氨酸；NMDA受体；精神分裂症

自然界存在的氨基酸绝大多数是D型氨基酸和L型氨基酸，以往认为组成蛋白质的氨基酸都是L型氨基酸，D型氨基酸只有细菌和无脊椎动物才能在体内合成，在高等动物体内存在这种氨基酸是根本不可能的，然而在上个世纪90年代以来的研究发现在包括人类在内的哺乳动物体内存在大量的D型丝氨酸，最近几年，以D型丝氨酸为中心的研究已经成为目前神经科学领域的热点之一[1]。

1 D型丝氨酸的合成与代谢

近年来随着高效液相色谱技术、活体内微渗析技术手段的提高和免疫组化技术中立体选择性抗体的出现和使用，1992年Hashimoto等[2]首次报道了在大鼠脑内存在D型丝氨酸，后来的研究发现包括人类在内的哺乳动物中枢神经系统都存在区域性的高浓度D型丝氨酸[1-17]。最初的研究认为D型丝氨酸主要在神经胶质细胞内合成，最近研究表明神经元[17-18]、小胶质细胞[7]、施万细胞和神经弓上的成纤维细胞[8]、神经节细胞、无长突细胞、视网膜的双极细胞及水平细胞内均能够合成[9]。D型丝氨酸由丝氨酸消旋酶（serine racemase，SRR）催化L丝氨酸生成，1999年Wolosker等[3]首次从大鼠脑内分离纯化出此酶，它是一种分子量为37 KD的可溶性蛋白。它专一催化L型丝氨酸转化为D型丝氨酸，遂将其命名为丝氨酸消旋酶，丝氨酸消旋酶的发现为D构象丝氨酸的体内合成提供了合理的解释。尔后Snyder等[10]通过分析丝氨酸消旋酶的结构和检索基因库后，得出这一酶的cDNA，并在体外进行了表达，而且成功的在培养细胞内合成了D型丝氨酸。丝氨酸消旋酶是主要存在于胶质细胞中的一种新的吡哆醛5′磷酸依赖酶，它在组织中的表达与D构象丝氨酸的区域性高表达一致。在辅助因子的Mg2+、ATP和合适PH值条件下，丝氨酸消旋酶将4分子的L丝氨酸消旋成为1分子D型丝氨酸和3分子的丙酮酸盐[1]。在大鼠丝氨酸消旋酶有339个氨基酸残基组成，分子量为36.3KD，编码该酶的基因位于大鼠10q24，共17.4 kb，含9个外显子，8个内含子。2000年Miranda[11]等首次克隆出人类丝氨酸消旋酶基因，它位于人类17q13.3，含7个外显子，6个内含子，编码的氨基酸含340个氨基酸，与鼠类同源性为88%。D构象氨基酸氧化酶（DAO）在哺乳动物中枢神经系统和周围组织中，发挥着促进中性D构象氨基酸氧化去氨基的作用，普遍认为这种氧化酶在D构象丝氨酸的代谢过程中发挥着重要作用[1,7]。肝脏合成的D型丝氨酸释放入血，D型丝氨酸随血液循环到肾脏，在肾近断小管直部重吸收，这种重吸收的主要是通过Na+梯度形成的不同渗透压来实现的，这也是它不同与L型丝氨酸重吸收的方式。重吸收D型丝氨酸的细胞含有大量的催化其代谢的D型丝氨酸氧化酶，这种酶催化D型丝氨酸生成羟基丙酮酸，羟基丙酮酸可以重新进入糖酵解或糖异生途径用于正常的新陈代谢。虽然在肾脏有重吸收和酶的催化代谢，但是大量的D型丝氨酸还是通过肾脏随尿液排出体外[4]。

2 D型丝氨酸在中枢神经系统的分布

中枢神经系统中D构象丝氨酸的区域性分布与N甲基D天门冬氨酸（N-methyl-d-aspartate，NMDA）受体相一致：在大脑皮层灰质、海马、胼胝体。其次是黑质、尾状核，而在杏仁核、丘脑、下丘脑中则很低，SRR的分布与D型丝氨酸相一致，DAO与之相反[1]。对这些区域进行免疫组化分析发现D构象丝氨酸主要存在于原生质性星型胶质细胞之中，这种细胞在脑富含NMDA受体的区域中包绕神经末梢形成鞘。而2007年日本学者Yoshikawa[12]和Kartvelishvily[13]等人的研究发现神经元内丝氨酸消旋酶及编码该酶的mRNA水平明显高于胶质细胞。该研究结果提示D型丝氨酸不仅是胶质细胞来源的神经递质，而且神经细胞来源的D型丝氨酸可能通过与NMDA受体结合进而调节神经传递。

3 D型丝氨酸的存储释放机制

D型丝氨酸的合成代谢已经研究的较为清楚，但存储释放机制还有待进一步的研究。体外试验研究表明，α-氨基羟甲基异恶唑丙酸（α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionate，AMPA）受体激活诱导D型丝氨酸的释放，体内试验表明，AMPA受体触发的D型丝氨酸释放与谷氨酸受体相互作用蛋白（glutamate receptor interacting protein，GIRP）、蛋白激酶C相互作用蛋白（protein interacting with protein kinase C，PICK1）及增加的细胞内钙离子浓度等因素有关[17-18]，Baumgan等[19]研究发现谷氨酸与胶质细胞表面的AMPA受体结合后，AMPA受体激活并与GRIP分离，GRIP的突触前密度蛋白（presynaptic density protein，PDZ）的第6个结构域与SRR结合，并激活丝氨酸消旋酶，促进D型丝氨酸的合成。同时PICK1与AMPA受体结合填补GRIP的空缺，促使AMPA受体共同内化并下调AMPA受体的功能，PICK1还可以运送蛋白激酶C（protein kinase C，PKC）至丝氨酸消旋酶表面，使之磷酸化而激活，进一步促进D型丝氨酸的合成。研究发现PICK1基因敲除小鼠前脑内D型丝氨酸水平明显下降。合成的D型丝氨酸一部分以胞吐的方式释放到突触间隙，突触间隙内的D型丝氨酸可以与神经元表面NMDA受体的甘氨酸位点结合，与谷氨酸共同激活NMDA受体，剩余的D型丝氨酸部分在突触间隙内被稀释，部分经氨基酸转运体重新摄取入胶质细胞内，主要在D型氨基酸氧化酶的催化下代谢生成丙酮酸和氨（图1）。

图1 D型丝氨酸的合成存储释放机制[38]

4 D型丝氨酸与精神分裂症的关系

1993年Hashimoto等[20]用生物化学的方法研究发现D型丝氨酸与NMDA受体平行分布，这引起了科学家的关注，因为这种分布提示D型丝氨酸可能和NMDA受体之间存在某种关系。1995年Matsu等[21]比较了D型型丝氨酸和甘氨酸对NMDA受体的激活效应，结果发现D型丝氨酸对NMDA受体的激活效应是甘氨酸的3～4倍，Priestley等[22]用细胞电生理的技术研究D型丝氨酸和甘氨酸对NMDA受体诱发细胞电位的影响，得出了相近的结论，1997年Schell等[15]采用免疫组织化学的研究方法发现D型丝氨酸与NMDA受体的分布一致，这些研究均提示D型丝氨酸与NMDA受体的作用有关。

后来研究表明D型丝氨酸具有与甘氨酸同样的共激活作用，且比具有比甘氨酸更强的激活效能。用DAO预先处理的海马切片和培养神经元，NMDA受体介导的神经传递显著减少[6]；丘脑视上核是D型丝氨酸和SRR含量较高的区域，用DAO预处理后，该区域NMDA受体活性显著下降[23]；在培养的海马神经元中，如果减少或去除胶质细胞，NMDA受体介导的兴奋性突触后电位也会发生改变，主要由于浮于液体上层的D型丝氨酸浓度显著下降所致，添加外源性D型丝氨酸可以逆转NMDA受体活性[24]，这些证据提示D型丝氨酸可能与NMDA受体相互作用，改变NMDA受体活性。由于NMDA受体机能障碍被认为是精神分裂症发生的病理生理因素，所以最近有学者将对精神分裂症的研究转移到D型丝氨酸方面，结果发现D型丝氨酸的水平异常或者参与D型丝氨酸合成代谢的酶基因异常均与的精神分裂症有关[1,25-27]。

D型丝氨酸不仅对神经递质的传统观念提出了挑战，而且为NMDA受体过度兴奋和下调所致的急慢性神经系统疾病提供了一种新的治疗途径。因此D型丝氨酸与精神分裂症的关系也受到越来越多的关注。2007年Bendikov等人[27]研究发现精神分裂症患者脑脊液中D型丝基酸的水平降低了25%，D型丝氨酸与L型丝氨酸的比值减小了23%，而顶叶皮层却没有变化，他们还分别对15例正常人和15例精神分裂症、重度抑郁症和双相精神障碍的患者的额叶皮质和海马区域的丝氨酸消旋酶和D型氨基酸氧化酶蛋白表达情况进行了研究，结果显示，与正常人相比精神分裂症、重度抑郁症和双相型精神障碍患者的额叶皮质和海马区域丝氨酸消旋酶蛋白分别减少39%和21%，在额叶皮质D型氨基酸氧化酶无变化，而在海马D型氨基酸氧化酶蛋白明显增加。他们的研究结果进一步说明了精神分裂症患者脑脊液D型丝氨酸水平是降低的。其原因可能是精神分裂症患者脑内特定区域丝氨酸消旋酶活性降低合成量减少而D型丝氨酸氧化酶合成增加活性升高。这些结果均提示D型丝氨酸及其代谢相关的酶基因与精神分裂症的病理生理过程密切相关。

最新的研究发现与DAO相互作用的G72基因与精神分裂症的发生高度相关[28]，该基因是Chumakov等[14]研究精神分裂症患者13q22-43连锁区域图是发现的，它定位于位于13q33，跨距5 Mb[15]，它编码的G72蛋白能够增强DAO的活性，代谢D丝氨酸，减少D丝氨酸含量，进而影响NMDA受体活性[14,16,30]。DAO和G72被认为是精神分裂症的危险遗传因素。

5 小结

综上所述，D构象丝氨酸在中枢神经系统中主要由丝氨酸消旋酶将丝氨酸直接消旋而来，最终被D构象氨基酸氧化酶氧化。D构象丝氨酸作为NMDA受体的内源性配体，对经典神经递质的概念提出了新的补充，同时它为NMDA受体过度兴奋或者功能抑制所导致的急慢性神经系统疾病，提供了新的治疗靶点。○Z

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