神经颗粒素对中枢神经系统疾病认知功能障碍作用的研究进展

2020-01-13张嘉泳柳维林陈立典陶静

中国康复理论与实践 2020年3期

张嘉泳，柳维林，陈立典，陶静

1.福建中医药大学康复医学院，福建福州市 350122；2.福建省康复技术协同创新中心，福建福州市 350122

神经颗粒素(neurogranin,Ng)是一种脑特异性蛋白激酶C(protein kinase C,PKC)底物，主要位于啮齿动物的大脑皮质、海马、纹状体和其他一些神经元的细胞体和树突[1-3]。Ng 通过与钙调蛋白(calmodulin,CaM)结合，参与钙信号传导和调控，在突触可塑性中发挥重要作用[4]。多种中枢神经系统疾病所致认知障碍与Ng 的异常表达相关，目前对阿尔茨海默病(Alzheimer's disease,AD)、脑卒中和精神分裂症研究较多。

1 Ng的结构和生理功能

Ng 在啮齿动物的大脑皮质、海马、纹状体、杏仁核等部位高水平表达，且仅由兴奋性神经元表达[5]。Ng 由78 个氨基酸组成，含有3 个保守的结构域[6]。结构域Ⅲ有一个由赖氨酸-异亮氨酸-谷氨酰胺-丙氨酸-丝氨酸-苯丙氨酸组成的IQ 序列[7]，是与CaM 结合的部位，其中第36 位丝氨酸可被PKC 磷酸化，Ng磷酸化有助于CaM释放[8]。

1.1 调节突触可塑性

神经元胞体和树突中Ng 水平很高，细胞内的磷脂酸能够引导Ng向突触后膜募集[9]。当突触产生刺激时，PKC被激活并使Ng磷酸化，Ca2+内流增加，将靠近突触后膜的Ng-CaM 复合物置换成Ca2+-CaM 复合物和游离Ng[10]，从而改变神经元兴奋性，影响突触可塑性。

Ng 和CaM 是两种含量丰富的神经元蛋白质，它们的相互作用与突触反应和可塑性调节有关[11]，主要以N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartic acid receptor,NMDAR)依赖方式和α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸受体(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionate receptor,AMPAR)依赖方式增强突触可塑性。在长时程增强(long-term potentiation,LTP)诱导期间，突触后膜去极化，Mg2+从NMDAR 内的结合位点解离并允许Ca2+进入通道。另一方面，代谢型谷氨酸受体激活导致PKC第二信使途径启动。PKCγ 使Ng 中IQ 序列的丝氨酸残基磷酸化，Ng 与CaM 亲和力下降[12]；细胞内Ca2+浓度升高且与CaM有高度亲和力，Ca2+与CaM结合并激活Ca2+-CaM依赖性蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)[13]，最终导致AMPAR 向突触后膜插入，从而提高突触传递效能，维持LTP。

缺乏与CaM 结合或解离能力的Ng 不能增强突触传递[14]，而这种能力受磷酸化和氧化作用影响。正常情况下，PKC 使Ng磷酸化，能防止CaM 与Ng重新结合，从而允许其长时间激活靶标，达到最大LTP；如果Ng 去磷酸化，则CaM 相对快地与Ng 重新结合，细胞内游离CaM 下降，达到次最大LTP[10]。氧化还原状态的Ng 作用与磷酸化Ng 类似。Ng 在IQ 序列外部含有4 个半胱氨酸残基，可被一氧化氮氧化，产生两对分子内二硫键[15]。氧化后的Ng 与CaM 的亲和力降低[16]。因此，Ng 的磷酸化和氧化联合作用影响神经元钙信号传导系统，调节突触可塑性。

1.2 Ng与学习记忆

Ng与CaM 结合并参与神经元突触可塑性调节，提示Ng在学习记忆和认知功能中发挥重要作用。海马中Ng 的翻译水平对记忆的形成和编码是必需的[17]：在新情景记忆形成时期，检测到Ng mRNA 大量表达，海马CA1、CA3 和DG 区Ng 蛋白水平增加；使用病毒抑制剂阻断海马Ng 翻译后，情景记忆形成障碍。

Ng 基因敲除动物模型在水迷宫、巴恩斯迷宫等行为学测试中表现出空间学习障碍、海马神经突触可塑性变化，以及海马区域突触可塑性相关分子表达下降[18-20]。增加前额叶皮质Ng表达水平，能促进记忆消退和前额叶LTP[21]。Ng在不同脑区的表达，与该区域相关的任务学习和突触可塑性关系密切。

总之，Ng 的表达对于维持海马突触发挥正常功能至关重要。在与突触可塑性相关的Ca2+介导的级联过程中，Ng扮演重要的角色。这些信号转导影响着LTP等突触可塑性机制，最终影响学习记忆等认知功能。

2 AD

突触变性和神经元丢失是AD 的病理学特征之一，且早于临床症状。突触丢失可能是AD 中与认知功能下降最相关的病理因素之一[22]。Ng是神经元特异性突触后蛋白，与AD 突触丢失有关，并可作为诊断AD的突触生物标志物。

在多种AD 动物模型中，均发现Ng 在脑实质中表达下调。Esteve 等[23]发现，与野生型小鼠相比，3×Tg AD 小鼠额叶皮质Ng 蛋白减少。Jeon 等[24]发现，5×FAD 小鼠海马齿状回中Ng 表达减少，认知功能下降；海马注射Ng 过表达病毒后，5×FAD小鼠认知表现改善，海马中突触后密度蛋白-95(postsynaptic density-95,PSD-95)表达增加。Kaleka 等[25]发现，Ng 过表达能逆转由β-淀粉样蛋白(amyloid β-protein,Aβ)诱导的突触抑制和LTP 缺陷。这些结果表明，AD 后突触功能障碍和认知功能障碍与Ng表达异常有关，上调大脑Ng水平可逆转突触丢失和认知水平下降。

AD 患者脑脊液中也存在Ng 蛋白表达异常。Kvartsberg等[26]发现，AD 患者脑脊液中Ng 浓度明显高于轻度认知障碍(mild cognitive impairment,MCI)患者和健康人群；而具有AD前驱症状的Aβ阳性MCI患者，脑脊液Ng水平的增加与认知功能恶化程度相关，表现为简易精神状态检查(Mini-Mental State Examination,MMSE)评分下降。Headley 等[27]发现，与健康人相比，脑脊液Ng 水平高的MCI 患者记忆功能评分更低，且随疾病发展，执行功能和记忆功能下降更快。Kester 等[28]发现，脑脊液Ng 在痴呆早期有增加的趋势，但在AD 后期不会增加。这提示突触改变主要发生在AD早期[29]。脑脊液Ng水平与脑脊液磷酸化tau 蛋白和总tau 蛋白浓度正相关，但与Aβ42浓度关系不明显[28]。这提示Ng 的改变主要与tau 蛋白导致的神经纤维缠结相关，而与Aβ毒性关系不大。Tau蛋白水平可反映神经元死亡，并与认知退化有关。因此，Ng水平可能是导致AD认知退化的病理标记。

在多种神经退行性疾病中，脑脊液Ng可能只在AD中特异性升高。Wellington 等[30]对比多种神经退行性疾病患者脑脊液Ng 浓度，除额颞叶痴呆外，AD 患者脑脊液Ng 浓度高于其他疾病组，而其他疾病组与健康对照间没有观察到显著性差异。脑脊液Ng作为AD突触生物标记物有非常大的价值。

3 脑卒中

大脑缺血缺氧使突触的数量和结构受损，神经元凋亡，造成严重神经功能和认知障碍[31-32]。Ng作为突触蛋白，能反映脑中神经元的活性和突触功能。

Vos等[33]检测脑缺血患者脑脊液和血浆中Ng，发现血浆Ng浓度明显增高；梗死体积较大(＞5 ml)的患者，脑脊液Ng 水平高于梗死体积较小的患者。脑缺血大鼠损伤侧大脑半球广泛性Ng 免疫染色缺失，神经元树突数量减少[7]，海马CA1 区Ng mRNA 表达减少，空间记忆能力下降。李雨峰等[34]发现，大脑中动脉缺血(middle cerebral artery occlusion,MCAO)大鼠，梗死侧海马齿状回Ng 表达减少，Ng 阳性颗粒细小，着色浅淡，分布不均匀；大鼠Y迷宫逃避反射和辨别能力减弱。

Ng 在大脑皮质和海马等与认知功能相关的重要脑区大量表达，脑缺血导致这些脑区损伤时，Ng 表达减少，突触变性，神经元受损，从而导致学习认知功能障碍。

4 精神分裂症

精神分裂症是由遗传和环境因素相互作用引起的一种复杂疾病，可表现有认知障碍，尤其是陈述性记忆和语境加工障碍等[35]。

全基因组关联分析发现[36-38]，Ng 是精神分裂症易感性相关的基因变异之一。在11q24.2 染色体上，单核苷酸多态性(single nucleotide polymorphism,SNP) rs12807809 位于Ng 上游第3457个碱基处[39]。携带Ng rs1280709 基因的精神分裂症患者，大脑存在广泛皮质变薄，包括额叶、顶叶和颞叶皮质，而丘脑后部、内侧和背侧形状结构异常[40]。这些脑区与记忆、注意、情绪和精神-执行能力等认知功能相关[41-44]。Ng rs1280709 携带者的语义语言流畅性和情景记忆功能与健康人存在差异[45]。推测Ng 多态性与精神分裂症的大脑结构异常和认知功能障碍有关。

海马异常与精神分裂症相关[46]。海马是学习记忆的重要区域，Ng 通过调控CaM，影响海马的学习记忆和LTP。精神分裂症患者存在海马萎缩、神经元丧失、代谢功能紊乱、神经递质异常等变化[47]。功能磁共振成像发现，Ng rs1280709 基因携带者静息状态下，海马功能连接异常[48]；而在情境恐惧记忆任务中，海马活动减少[49]。

此外，帕金森病[50-51]、路易体痴呆[52]、脑外伤[53]患者出现的认知功能障碍也可能与Ng有关。