NMDA受體的結(jié)構(gòu)與藥理學(xué)特性:藥理學(xué)受體總結(jié)
發(fā)布時(shí)間:2020-03-03 來(lái)源: 短文摘抄 點(diǎn)擊:
摘要 NMDA受體是一類(lèi)離子型谷氨酸受體,其功能主要參與發(fā)育過(guò)程中神經(jīng)回路的細(xì)化及觸發(fā)多種形式的突觸可塑性。近年來(lái)的證據(jù)表明,組成NMDA受體的亞單位有著復(fù)雜的生理學(xué)和藥理學(xué)特性;NMDA受體的數(shù)量、分布和亞單位組成并非一成不變,而是在發(fā)育過(guò)程中、神經(jīng)元活動(dòng)時(shí),以一種細(xì)胞特異性和突觸特異性的方式變化著。這種NMDA受體的雙向變化是突觸可塑性重塑的基礎(chǔ),而其調(diào)節(jié)的異常又可導(dǎo)致神經(jīng)-精神疾病的發(fā)生,如可卡因成癮、精神分裂癥等。
關(guān)鍵詞 NMDA受體,突觸可塑性,受體亞單位。
分類(lèi)號(hào) B845
1 前言
現(xiàn)代神經(jīng)科學(xué)的研究資料已經(jīng)證明,谷氨酸是哺乳動(dòng)物及人類(lèi)中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)最重要的興奮性神經(jīng)遞質(zhì)。CNS內(nèi)存在著與谷氨酸結(jié)合并發(fā)揮生理效應(yīng)的兩類(lèi)受體,即離子型谷氨酸受體(ionotropic glutamate receptors,iGluRs)及代謝型谷氨酸受體。在iGluRs家族內(nèi),根據(jù)外源性激動(dòng)劑的不同,又分為NMDA受體與非NMDA受體,其中主要是AMPA受體。NMDA受體有復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的藥理學(xué)特性,尤其重要的是,它對(duì)鈣離子具有高通透性,這使得NMDA受體在突觸可塑性(synaptic plasticny)及興奮毒性方面具有重要作用。另外,由于NMDA受體參與了神經(jīng)系統(tǒng)的多種重要生理功能,其異常又可引起中樞神經(jīng)系統(tǒng)的功能紊亂,因此NMDA受體本身已成為治療某些神經(jīng)精神性疾病的靶點(diǎn)。NMDA受體有多種亞型,由不同亞單位組成的受體亞型具有不同的生物物理和生物化學(xué)特性。此外,NMDA受體上有多種配體結(jié)合的位點(diǎn),它們以亞型選擇的方式調(diào)制著受體的活動(dòng)。最近關(guān)于NMDA受體結(jié)構(gòu)和功能的研究表明,這些具有亞型選擇性的配體結(jié)合位點(diǎn)包括谷氨酸結(jié)合位點(diǎn)、甘氨酸結(jié)合位點(diǎn)、離子通道的孔隙以及N末端的變構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)等。越來(lái)越多的研究表明,不同亞型的NMDA受體與不同的腦功能紊亂相關(guān)。因此,作用于NMDA受體亞型的選擇性藥物的探索也越來(lái)越受到重視。
2 NMDA受體的分子構(gòu)型
NMDA受體是由不同亞基構(gòu)成的異四聚體(heterotetramers),其組成亞基有三種,即NR1、NR2和NR3。NR1又有8種不同的亞單位(NR1-1a/b-4a/b),它們來(lái)源于同一基因、由于剪切部位的不同而生成;NR2有4種不同的亞單位,即NR2A~2DNR3有兩種亞單位,NR3A和NR3B;NR2和NR3分別由六種不同的基因所編碼。在哺乳類(lèi)動(dòng)物的神經(jīng)組織內(nèi),功能性NMDA受體至少含有一個(gè)NR1亞基和一個(gè)NR2亞基。到目前為止,NMDA受體的晶體結(jié)構(gòu)還沒(méi)有被確定,但一般認(rèn)為,NMDA受體是由兩個(gè)NR1亞單位和兩個(gè)NR2亞單位構(gòu)成的異四聚體,其中的兩個(gè)NR1亞單位和NR2亞單位可以相同亦可不同。在表達(dá)NR3亞基的細(xì)胞,一般認(rèn)為此亞基與NR1和NR2亞基組裝在一起,形成NR1/NR2/NR3的聚合體。
2.1 NMDA受體亞單位的功能區(qū)
組成NMDA受體的所有亞基均具有類(lèi)似的跨膜結(jié)構(gòu)(圖1),N末端位于細(xì)胞外,C末端位于細(xì)胞內(nèi),中間由3個(gè)跨膜片段(transmembrane segments,TM),即TM1、1TM3和TM4,和一個(gè)位于TM3與TM4之間的發(fā)卡狀環(huán)(TM2)構(gòu)成,TM2是組成離子通道的主要部分。C末端的大小依賴于不同的亞基構(gòu)成,它具有多個(gè)可與細(xì)胞內(nèi)蛋白相互作用的結(jié)合位點(diǎn)。
NMDA受體的激活條件比較特殊,即它的激活需要同時(shí)結(jié)合兩種激動(dòng)劑,谷氨酸和甘氨酸(或D-絲氨酸)。甘氨酸的結(jié)合位點(diǎn)位于NRl或NR3亞單位,而谷氨酸的結(jié)合位點(diǎn)位于NR2亞單位。離子型谷氨酸受體的跨膜區(qū)TM2和其四聚體結(jié)構(gòu)的存在提示了離子型谷氨酸受體可能與鉀通道具有同源性。由于在孔道區(qū)的NR2亞單位的氨基酸序列在進(jìn)化上高度保守,因此不同NR2亞單位的NMDA受體具有相似的通透特性(單通道電導(dǎo)、離子選擇性等)和對(duì)通道阻斷劑Mg2+的親和力。相比之下,含有NR3亞單位的NMDA受體具有更低的單通道電導(dǎo)以及鈣離子通透性和鎂離子阻斷特性,并且其孔道與其他亞單位有明顯的不同,最突出的不同是在Q/R/N位點(diǎn),這些位點(diǎn)的氨基酸序列在NRl亞單位是天冬氨酸一絲氨酸;在NR2亞單位是天冬氨酸一天冬氨酸;而在NR3亞單位為甘氨酸-精氨酸。由于NR3亞單位上存在大量的帶有正電荷的氨基酸殘基,這使得含有NR3亞單位的NMDA受體具有與含有其他亞單位受體不同的通透特性。
2.2 NMDA受體亞型的藥理學(xué)研究進(jìn)展
自Watldns及其同事發(fā)現(xiàn)外源性NMDA可以激活谷氨酸受體的一個(gè)亞類(lèi),即NMDA受體以來(lái),人們一直在尋找強(qiáng)效并具選擇性的NMDA受體拮抗劑。在20世紀(jì)80年代,發(fā)現(xiàn)了NMDA受體離子通道的廣譜并具高親和力的競(jìng)爭(zhēng)性阻斷劑。在20世紀(jì)90年代初期,NMDA受體亞單位被克隆出來(lái),隨后人們發(fā)現(xiàn),NMDA受體存在多種亞單位,這加快了受體亞單位選擇性阻斷劑的發(fā)現(xiàn)。例如,芐哌酚醇(ifenprodil)可以選擇性阻斷含有NR2B亞單位的NMDA受體,而納摩爾級(jí)濃度的鋅離子可以選擇性阻斷含有NR2A亞單位的NMDA受體。但是,到目前為止,用于區(qū)分NMDA受體亞型的藥物仍然非常少,且沒(méi)有發(fā)現(xiàn)高選擇性的能分別阻斷含有NR2A、NR2C、NR2D和NR3亞單位的NMDA受體亞型拮抗劑。
2.2.1 NMDA受體亞型拮抗劑
最初發(fā)現(xiàn)的NMDA受體拮抗劑是一種競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑,作用于NR2亞單位上的谷氨酸結(jié)合位點(diǎn),此類(lèi)拮抗劑是具有一定構(gòu)象并包含一個(gè)ω-磷酸基的氨基酸衍生物,其中之一是(R)-AP5。(R)-AP5與NMDA受體的親和力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它離子型谷氨酸受體,因此到目前為止,此藥物仍然是應(yīng)用最廣的NMDA受體拮抗劑。這類(lèi)化合物也具有一定的亞型選擇性,對(duì)不同亞型的親和力排序?yàn)镹R2A>NR2B>NR2C>NR2D,但它們與不同亞型親和力的差異相對(duì)較小(小于10倍,表1),因此不能用來(lái)區(qū)分NMDA受體的亞型。亞型選擇性藥物的缺失可能是由于谷氨酸受體的NR2亞單位的氨基酸序列高度保守,尤其是各亞單位上與谷氨酸分子結(jié)合的10個(gè)氨基酸殘基高度保守。然而,有研究應(yīng)用三維模型的方法(three-dimensional models),揭示了不同NR2亞單位的激動(dòng)劑結(jié)合位點(diǎn)邊緣存在著幾個(gè)不同的氨基酸殘基。這就提示僅僅作用于谷氨酸結(jié)合位點(diǎn)的小分子化合物不可能具有對(duì)不同NR2亞單位的強(qiáng)效選擇性,如分子量較小的化合物PMPA和(R)-AP5:而大分子化合物拮抗劑就可以通過(guò)空間效應(yīng)展示較強(qiáng)的NR2亞單位選擇性,如(R)-CPP和(R)-APT,它們對(duì)NR2A的阻斷作用遠(yuǎn)大于對(duì)NR2D (表1)。Novartis公司研制的化合物NVP-AAM077是具有較強(qiáng)選擇性的另一種競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑,它選擇性阻滯NR2A亞單位。最初的研究報(bào)道,該物質(zhì)對(duì)NR2A亞單位的選擇性較對(duì)NR2B亞單位強(qiáng)100倍:但之后的研究表明,其對(duì)兩種亞單位選擇性的差異僅為lO倍左右。另外,此物質(zhì)也是含有NR2C和NR2D亞單位的NMDA受體的強(qiáng)效拮抗劑?傊陙(lái)對(duì)于NMDA受體亞型競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑的研究與開(kāi)發(fā)已取得一定進(jìn)展(見(jiàn)表1)。除以上所述開(kāi)發(fā)和研制出作用于谷氨酸結(jié)合位點(diǎn)的拮抗劑外,也已發(fā)現(xiàn)多種作用于甘氨酸結(jié)合位點(diǎn)的競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑,但它們很少表現(xiàn)出明顯的亞型選擇性。這主要因?yàn)榇祟?lèi)藥物均作用于NR1亞單位的甘氨酸結(jié)合位點(diǎn),而NR1亞單位組成NMDA受體所必需的。最近,含有GluR5亞單位的海人藻酸受體的高選擇性拮抗劑的發(fā)現(xiàn),將大大加快開(kāi)發(fā)與研制出更具選擇性的NMDA受體及其亞型拮抗劑的步伐,因?yàn)樵撌荏w具有與其他離子型谷氨酸受體相似的高保守性序列。
2.2.2 NMDA受體通道阻斷劑
多種有機(jī)化合物通過(guò)阻滯受體的離子通道發(fā)揮了拮抗NMDA受體功能的作用,這些化合物屬于NMDA受體的非競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑,其效應(yīng)的產(chǎn)生往往需要NMDA受體提前被激活。另外,這些化合物盡管結(jié)構(gòu)不同,但它們均帶有正電荷,因而其通道阻滯效應(yīng)具有電壓依賴性的特點(diǎn),且不能區(qū)分NMDA受體的不同亞型,例如麻醉劑苯環(huán)己哌啶(PCP)和氯胺酮以及臨床上應(yīng)用的美金剛和金剛烷胺(表2)。而高選擇性NMDA受體阻斷劑dizolcipine(MK-801),對(duì)含有NR1/NR2A和NR1/NR2B亞單位的NMDA受體的阻滯作用強(qiáng)于含有NR1/NR2C和NR1/NR2D亞單位的NMDA受體,但其親和力的差異也相對(duì)較小,約為10倍(表2)。此外,多胺類(lèi)衍生物也具有類(lèi)似的受體通道阻滯作用,如蜘蛛毒argiotoxin-636和N1-丹酰(基)-精胺。這些通道阻斷劑對(duì)含有NR1/NR2A或NR1/NR2B亞單位的NMDA受體有更強(qiáng)的阻滯作用,較對(duì)含有NR1/NR2C或NR1/NR2D亞單位的NMDA受體的阻滯作用強(qiáng)50倍之多。由于目前發(fā)現(xiàn)的通道阻斷劑對(duì)含有NR2A或NR2B亞單位的NMDA受體具有選擇性阻斷作用,因此也是一類(lèi)非常重要的NMDA受體阻斷劑。然而到目前為止,這些選擇性通道阻斷劑的結(jié)構(gòu)決定簇尚未被確定。
2.2.3 NMDA受體的N末端拮抗劑
到目前為止,已知的具有與NMDA受體亞型高度選擇性結(jié)合的有機(jī)化合物是芐哌酚醇(ifenprodil)及其衍生物。此類(lèi)物質(zhì)對(duì)含有NR2B亞單位的NMDA受體具有很強(qiáng)的阻斷作用。由于此類(lèi)物質(zhì)具有重要的臨床應(yīng)用前景,因此在過(guò)去的10年內(nèi),相繼發(fā)現(xiàn)了一些比芐哌酚醇更具親和力及選擇性的藥物(表3)。然而,由于這類(lèi)分子的結(jié)合部位既不在激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)也不在離子通道內(nèi)部,而是在NMDA受體NR2B亞單位的N末端區(qū)域,因此這些藥物的阻滯作用是非電壓依賴性及非競(jìng)爭(zhēng)性的。另外,由于所有NMDA受體均有一個(gè)N末端LIVBP(亮氨酸,異亮氨酸,氨酸結(jié)合蛋白)樣區(qū)域,因此認(rèn)為亞型選擇性拮抗劑作用于LIVBP樣區(qū)域以外的區(qū)域,從而成為亞單位的變構(gòu)抑制劑,如鋅離子。由于鋅離子聚集于谷氨酸能突觸的囊泡內(nèi),因此它可能是一個(gè)內(nèi)源性NMDA受體的變構(gòu)調(diào)質(zhì)。鋅離子可以以納摩爾的濃度結(jié)合于含有NR2A亞單位的NMDA受體的N末端,也可以結(jié)合于含有NR2B亞單位的NMDA受體N末端,但與后者的親和力低于與前者約100倍,并且不能結(jié)合于含有NR2C和NR2D亞單位的NMDA受體的N末端。但是,這種變構(gòu)抑制劑通過(guò)作用于NMDA受體的N末端來(lái)選擇性消除某一亞型的作用是非常局限的;它們不能完全阻斷受體的效應(yīng)(即使在飽和濃度下也不能完全阻斷),僅是一種部分抑制劑。此現(xiàn)象在鋅離子作用于含有NR1/NR2A亞單位的NMDA受體時(shí)尤其明顯,它的最大抑制率約為70%。芐哌酚醇及其衍生物,對(duì)含有NR1/NR2B亞單位的NMDA受體的抑制作用最大為90%。由于少量或部分的NMDA受體被激活對(duì)某些腦功能是必須的,因此這種不完全性阻斷劑的藥理學(xué)特性在臨床藥物選擇中也具有一定的優(yōu)勢(shì)。
2.2.4 NMDA受體潛在遞質(zhì)結(jié)合位點(diǎn)
除以上所述的結(jié)合位點(diǎn)外,神經(jīng)遞質(zhì)等活性物質(zhì)還可能作用于另外一些位點(diǎn)來(lái)調(diào)節(jié)NMDA受體的活動(dòng),這些位點(diǎn)包括NR1的N末端(圖1,位點(diǎn)2)以及激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)二聚體的表面(圖1,位點(diǎn)3)。在AMPA受體,此部位可以結(jié)合帶正電的變構(gòu)調(diào)質(zhì),如環(huán)噻嗪和茴拉西坦。這些物質(zhì)分別通過(guò)穩(wěn)定激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)的界面和阻斷激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)的變構(gòu)來(lái)減少AMPA受體的脫敏及通道的失活。由于NMDA受體和AMPA受體激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)的結(jié)構(gòu)具有很強(qiáng)的保守性,因此NMDA受體二聚體的激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)界面也可能存在一個(gè)變構(gòu)調(diào)節(jié)位點(diǎn)。另外,由于NMDA受體很少顯示脫敏特性,因此在失活動(dòng)力學(xué)過(guò)程中,篩選方式的改變可用于鑒定NMDA受體激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)的二聚體界面的變構(gòu)調(diào)質(zhì)(allosteric modulators)。另外一個(gè)可能調(diào)節(jié)NMDA受體功能的位點(diǎn)可能存在于激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)及跨膜片段之間(圖1,位點(diǎn)4)。在AMPA受體,這個(gè)區(qū)域存在著GYKI類(lèi)(非競(jìng)爭(zhēng)性的AMPA受體拮抗劑)拮抗劑,此類(lèi)拮抗劑為AMPA受體選擇性的非競(jìng)爭(zhēng)性拮抗劑,因此有必要探索是否有作用于NMDA受體該同源區(qū)域的類(lèi)似拮抗劑。
2.3 三異聚體NMDA受體的藥理學(xué)特性
前面講述的NMDA受體是指由NR1/R2兩種亞單位組成的異四聚體,它在哺乳CNS內(nèi)分布最廣。這種NMDA受體的組成除NR1外,NR2亞單位既可以僅有一種,也可以有兩種。由兩種NR2亞單位與NR1亞單位組成的NMDA受體,分布于腦內(nèi)的多個(gè)區(qū)域,如存在于前腦的NR1/NR2A/NR2B組合方式及存在于小腦的NR1/NR2A/NR2C組合方式。然而,直到最近,Hatton和Paoletti聯(lián)合應(yīng)用基因突變和藥理學(xué)方法的研究表明,含有NR1/NR2A/NR2B的NMDA受體仍然保持其對(duì)納摩爾鋅離子濃度以及芐哌酚醇敏感的特性,但是其最大抑制效率僅為20%;而含有NR1/NR2A/NR2C亞單位的NMDA受體依然可以被鋅離子部分阻斷。此三亞基聚合體對(duì)具有亞型選擇性的調(diào)質(zhì)中等敏感,因此,以目前所知的藥理學(xué)工具是不可能完全阻斷含有NR2A或NR2B亞單位的NMDA受體,如鋅離子和芐哌酚醇。此限制使得人們很難區(qū)分NMDA受體功能與單個(gè)亞型之間功能的關(guān)系,目前仍然不清楚是否能夠發(fā)現(xiàn)區(qū)分二亞基和三亞基受體的拮抗劑。在體實(shí)驗(yàn)表明,NR3亞單位可以與NRl和NR2亞單位結(jié)合形成NR1/NR2/NR3的三(種)亞基復(fù) 合體,對(duì)此類(lèi)三亞基復(fù)合體的功能特性的研究更為困難。
2.4 NMDA受體是某些神經(jīng)系統(tǒng)疾病的治療靶點(diǎn)
由于NMDA受體與許多腦功能紊亂性疾病有關(guān),因此NMDA受體已經(jīng)成為許多疾病的治療靶點(diǎn)。首先,NMDA受體在興奮毒過(guò)程中具有重要作用,此過(guò)程是由于谷氨酸過(guò)量釋放引起NMDA受體被過(guò)度激活,細(xì)胞內(nèi)鈣離子聚集,最終導(dǎo)致神經(jīng)元死亡。腦缺血(如中風(fēng)或腦外傷)、神經(jīng)退行性疾病(如帕金森病和亨廷頓病)以及癲癇等,均可以使得突觸前谷氨酸大量釋放,引起興奮毒的產(chǎn)生。上世紀(jì)80年代和90年代發(fā)現(xiàn)的NMDA受體拮抗劑,理論上均可以用來(lái)治療這些疾病,但由于其無(wú)法接受的副作用(如幻覺(jué)、記憶和運(yùn)動(dòng)缺失)而不能應(yīng)用于臨床。通過(guò)提高拮抗劑對(duì)不同亞單位的選擇性可以大大降低其副作用,因此,以NMDA受體不同亞單位作為靶點(diǎn)的拮抗劑是目前研究與開(kāi)發(fā)的重要目標(biāo)。
2.4.1 NR2B亞單位為靶點(diǎn)
如前所述,第一代NMDA受體拮抗劑由于其嚴(yán)重的副作用不能應(yīng)用于臨床,人們致力于發(fā)現(xiàn)選擇性作用于NMDA受體亞型的拮抗劑。目前已發(fā)現(xiàn)的低副作用的NMDA受體拮抗劑是芐哌酚醇的衍生物,它們作用于含有NR2B亞單位的NMDA受體N末端。在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型上已證實(shí),NR2B選擇性拮抗劑具有高效的神經(jīng)保護(hù)及鎮(zhèn)痛作用。在嚙齒類(lèi)和靈長(zhǎng)類(lèi)動(dòng)物帕金森病模型上,NR2B選擇性拮抗劑單獨(dú)使用或與L-多巴聯(lián)合應(yīng)用也具有明顯的效果。令人鼓舞的是,在人類(lèi),即使使用最大劑量NR2B選擇性拮抗劑,也沒(méi)有產(chǎn)生非選擇性NMDA受體拮抗劑的副作用。然而,第一代的NR2B拮抗劑具有一些非靶點(diǎn)的效應(yīng),它可以影響腎上腺素α1受體產(chǎn)生嚴(yán)重副作用。第二代NR2B選擇性拮抗劑安全性有很大提高,但到目前為止仍未被許可應(yīng)用于臨床,這主要是由于此類(lèi)藥物可作用于hERG一鉀通道并產(chǎn)生心臟毒性作用,此外其很低的口服吸收率也限制了它的推廣應(yīng)用。最近,又有一類(lèi)與芐哌酚醇結(jié)構(gòu)不同的NR2B選擇性拮抗劑被發(fā)現(xiàn),但這類(lèi)物質(zhì)是否較芐哌酚醇具有明顯的優(yōu)越性尚無(wú)定論。
2.4.2 NR3A亞單位為靶點(diǎn)
一般認(rèn)為,NMDA受體主要表達(dá)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)的神經(jīng)元上,膠質(zhì)細(xì)胞則沒(méi)有或很少表達(dá)。然而,最近研究表明,NMDA受體不僅存在于星形膠質(zhì)細(xì)胞,而且還存在于白質(zhì)的少突膠質(zhì)細(xì)胞。少突膠質(zhì)細(xì)胞的主要功能是在CNS內(nèi)形成髓鞘。研究發(fā)現(xiàn),過(guò)多的谷氨酸釋放(產(chǎn)生的興奮毒性作用)可引發(fā)少突膠質(zhì)細(xì)胞的死亡及髓鞘的脫失,此病變多見(jiàn)于損傷性神經(jīng)系統(tǒng)疾病,如腦性麻痹、脊髓損傷、中風(fēng)和多發(fā)性硬化癥。以往的觀點(diǎn)認(rèn)為,這種興奮毒是由于AMPA受體/或海人藻酸受體的激活。最近研究表明,少突膠質(zhì)細(xì)胞形成的髓鞘上存在NMDA受體,但細(xì)胞外的鎂離子不能完全阻滯髓鞘上的NMDA受體離子通道。在組織缺血過(guò)程中,髓鞘上的NMDA受體被激活引起鈣離子積聚最終導(dǎo)致髓鞘損傷。NMDA受體拮抗劑可以阻止鈣離子的積聚并對(duì)缺血誘發(fā)的髓鞘損傷有保護(hù)作用。有趣的是,這些研究表明,髓鞘NMDA受體具有與神經(jīng)元NMDA受體不同的通道特征,提示它們由不同的亞單位構(gòu)成。研究資料已揭示,髓鞘NMDA受體含有豐富的NR2C和NR3A亞單位,由它們形成的受體通道不能被細(xì)胞外液的鎂離子所阻斷。因此,含有NR3A和NR2C亞單位的NMDA受體的選擇性拮抗劑將是阻止髓鞘損傷的主要治療靶點(diǎn)。目前雖然對(duì)于NR3A亞單位的藥理學(xué)特性知之甚少,但已知此亞單位與其配體結(jié)合的方式不同于NR1亞單位(盡管二者均具有甘氨酸結(jié)合位點(diǎn)),這些資料表明,人們可以研發(fā)出針對(duì)NR3A的選擇性拮抗劑。然而,NR3A對(duì)甘氨酸具有非常高的親和力,比它對(duì)谷氨酸的親和力高約650倍。這一特點(diǎn)提示,在體的NR3A亞單位可能被內(nèi)源性甘氨酸緊張性結(jié)合,阻滯了它與其它物質(zhì)的結(jié)合:可能只有那些比甘氨酸親和力更強(qiáng)的NR3A選擇性拮抗劑才具有臨床治療意義。
2.5 NMDA受體存在的部位
2.5.1 NMDA受體的廣泛分布
一般認(rèn)為,NMDA受體主要分布在神經(jīng)細(xì)胞的突觸后膜。在興奮性神經(jīng)元,NMDA受體主要分布在樹(shù)突棘頭的突觸后膜,且主要分布在突觸后致密區(qū)(postsynaptic density,PSD)。但近年來(lái)的研究顯示,NMDA受體不僅存在于突觸后膜,還存在于突觸前膜。不僅分布于突觸后致密區(qū),還分布于PSD的周?chē)蚍峭挥|胞膜上。位于突觸后致密區(qū)以內(nèi)的NMDA受體被稱(chēng)為突觸后NMDA受體,樹(shù)突棘上突觸后致密區(qū)周?chē)腘MDA受體被稱(chēng)為突觸周NMDA受體(perisynptic NMDAR),經(jīng)常也被稱(chēng)為突觸外NMDA受體(extrasynaptic NMDAR)。研究發(fā)現(xiàn),突觸外NDMA受體的激活取決于多個(gè)條件,如神經(jīng)元的位置與活性,膠質(zhì)細(xì)胞上的轉(zhuǎn)運(yùn)體以及突觸部位谷氨酸的溢出等。突觸外存在NMDA受體的典型例子是小腦星形細(xì)胞以及視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞。在這些神經(jīng)元上,NMDA受體僅存在于突觸周膜。當(dāng)較弱的突觸前刺激引起少量谷氨酸釋放時(shí),這些受體不能被激活;而給予高強(qiáng)度刺激或高頻率刺激時(shí),大量釋放的谷氨酸從突觸間隙溢出可激活這些受體。研究發(fā)現(xiàn),在皮層的GABA能抑制性中間神經(jīng)元,NMDA受體主要分布于樹(shù)突干。而分布在樹(shù)突干或胞體膜上的NMDA受體與突觸周的NMDA受體也不同,它們基本上不能被內(nèi)源性谷氨酸所激活,研究人員通過(guò)膜片鉗及谷氨酸解籠鎖(uncaged glutamate)的方法研究這些NMDA受體的激活規(guī)律與特征。NMDA受體除了廣泛分布于神經(jīng)細(xì)胞外,還存在于膠質(zhì)細(xì)胞上,如星形膠質(zhì)細(xì)胞以及少突膠質(zhì)細(xì)胞,這些部位的NMDA受體在亞單位組成及藥理學(xué)特性等方面均有不同于神經(jīng)元之處。
2.5.2 突觸后和突觸外的NMDA受體
近年來(lái)的研究表明,存在于突觸外的NMDA受體更多的含有NR2B和NR2D亞單位。在海馬腦片的齒狀回區(qū),使用NR2B-NMDA受體拮抗劑所引起的誘發(fā)NMDA受體電流的減小要比自發(fā)的NMDA受體電流減小更加明顯。這表明NR2B-NMDA受體更多地存在于突觸外。在小腦的高爾基細(xì)胞和海馬CA1區(qū)的錐體細(xì)胞上,已經(jīng)證實(shí)含有NR2B和NR2D亞單位的NMDA受體存在于突觸外部位,來(lái)自海馬CA1神經(jīng)元或星形膠質(zhì)細(xì)胞的谷氨酸從突觸部位溢出可以激活這些受體,這些受體可以被NR2B亞單位的選擇型阻斷劑所阻斷。Tovar和Westbrook證實(shí),在培養(yǎng)的神經(jīng)元上,含有NR2B亞單位的NMDA受體存在于突觸外部位。但NR2B亞單位并不是僅存在于突觸外部位,它也與NR2A亞單位共同存在于突觸后膜上。研究顯示,突觸部位的NR2B亞單位在NMDA受體激活后的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)以及受體內(nèi)化方面均具有重要的作用。它可以通過(guò) 調(diào)節(jié)因子1(rasGRF1)或銜接蛋白AP-2(adaptorprotein AP-2)等與細(xì)胞內(nèi)鈣調(diào)蛋白激酶Ⅱ(CaMKⅡ)連接。另外,NR2A亞單位也并不僅存在于突觸部位,它也存在于突觸外部位。因此,通過(guò)記錄突觸后和突觸外NMDA受體電流的方法還不能分離NR2A和NR2B亞單位電流。另外,突觸后和突觸外NMDA受體的激活可以引起不同的下游級(jí)聯(lián)反應(yīng),即它們分別激活不同的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑。這也解釋了為何突觸外NMDA受體比突觸后NMDA受體的激活更不容易引起鈣依賴性的功能下降或脫敏。在嗅球顆粒細(xì)胞上,通過(guò)突觸外NMDA受體的鈣離子的內(nèi)流可以激活大電導(dǎo)型的鈣激活的鉀電流,并調(diào)節(jié)其抑制作用;而在海馬CA1區(qū)或杏仁核的神經(jīng)元上,突觸后NMDA受體激活引發(fā)的鈣離子的內(nèi)流卻激活小電導(dǎo)型的鈣激活的鉀電流。在海馬腦片CA1神經(jīng)元上,星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放的谷氨酸可以激活突觸外NMDA受體并促進(jìn)神經(jīng)元的同步性活動(dòng)。另外,在培養(yǎng)的神經(jīng)元上,突觸外NMDA受體的激活可以導(dǎo)致神經(jīng)毒性作用;而在大鼠腦片上,突觸外NMDA受體的激活卻產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)程壓抑(LTD)。重要的是,以上提及的NMDA受體功能并非由于其位于突觸外所致,可能主要與受體亞型有關(guān),因?yàn)橐暰W(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞僅表達(dá)突觸外NMDA受體,但對(duì)NMDA受體的神經(jīng)毒性并不敏感:而突觸部位的NMDA受體也可以導(dǎo)致神經(jīng)毒或產(chǎn)生長(zhǎng)時(shí)程壓抑(LTD)。因此,單從NIVIDA受體分布部位(如突觸后或突觸外)的不同來(lái)判斷或確定其功能的異同是十分唐突的,只有區(qū)分了NMDA受體的亞型、了解與其相連的信號(hào)分子,如鈣離子、腦源性神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)因子(BDNF,brain-derived neurotropic factor)及細(xì)胞外信號(hào)調(diào)節(jié)激酶(ERK),確定其信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑后,才能對(duì)NMDA受體的具體功能有全面認(rèn)識(shí)。
3 NMDA受體的trameking及其意義
研究證實(shí),AMPA受體在突觸部位的快速插入與移除(trafficking)是某些形式長(zhǎng)時(shí)程突觸可塑性的重要機(jī)制,而NMDA受體在突觸可塑性的形成中主要起觸發(fā)作用。但近年來(lái)越來(lái)越多的證據(jù)表明,NMDA受體的數(shù)量和亞單位組成并非一成不變,而是在發(fā)育過(guò)程中、在神經(jīng)元活動(dòng)時(shí),以一種細(xì)胞特異性和突觸特異性的方式變化著。神經(jīng)元的活動(dòng)會(huì)驅(qū)動(dòng)NMDA受體組裝好并定位在突觸部位;也可以使受體做側(cè)向移動(dòng)或內(nèi)化進(jìn)入胞漿目前認(rèn)為,NMDA受體的這種活動(dòng)依賴性、雙向可調(diào)性的trafficking是突觸可塑性重塑(metaplasticity)的基礎(chǔ),而雙向調(diào)節(jié)的異常又可導(dǎo)致神經(jīng)一精神疾病的發(fā)生,如可卡因成癮、阿爾采默病、精神分裂癥等。
3.1 NMDA受體的trafficking
功能性NMDA受體通常位于突觸后膜,在這里它們連接在由突觸腳手架蛋白(scaffolding)和連接蛋白(adaptor)等大分子信號(hào)分子組成的復(fù)合體上,這些蛋白將受體與激酶、磷酸酶、其他下游信號(hào)蛋白以及代謝性谷氨酸受體(mGluR)等連在一起。mGluRs是G蛋白耦聯(lián)受體,它們參與突觸可塑性及遞質(zhì)釋放的調(diào)節(jié)。95kDa(PSD-95;也稱(chēng)為突觸相關(guān)蛋白90)的突觸蛋白和突觸相關(guān)蛋白102(SAP-102)都是突觸腳手架(scaffolding)蛋白和PDZ-蛋白的PSD-95家族的成員,PDZ將NMDAR連接在PSD上。除了連接突觸的作用外,PDZ蛋白在NMDAR的細(xì)胞內(nèi)移和突觸轉(zhuǎn)送方面也具有重要作用。
3.1.1 NWIDA受體在細(xì)胞表面的插入
在發(fā)育過(guò)程中及突觸活動(dòng)時(shí),NMDARs在細(xì)胞表面的插入是受到嚴(yán)格調(diào)控的。磷酸化是一種被廣泛認(rèn)識(shí)的調(diào)節(jié)受體trafficking的機(jī)制,PKA和PKC均參與了NMDA受體的磷酸化。阻滯神經(jīng)元的活動(dòng)會(huì)促使NMDARs在突觸集中,除去這種阻滯,就出現(xiàn)PKC介導(dǎo)的NMDARs從突觸部位散開(kāi)。除了PKC,激活mGluR1組受體、胰島素受體、DA1和DA2受體都會(huì)促使NMDA受體在不同細(xì)胞的插入。
3.1.2 NMDA受體的內(nèi)化
受體的內(nèi)化也是受到嚴(yán)格調(diào)控并具有亞單位特異性。受體內(nèi)化也是神經(jīng)元調(diào)控細(xì)胞內(nèi)的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、突觸成熟、突觸強(qiáng)化的基本機(jī)制,它的發(fā)生主要是通過(guò)一般的出胞過(guò)程(包括包被小體等)完成的。在NR2A和NR2B的c-端含有不同的內(nèi)化模體(motifs),它們以不同的速率調(diào)節(jié)內(nèi)化過(guò)程。NR2B受體的內(nèi)化較快,而NR2A受體的內(nèi)化較慢。
3.1.3 NMDA受體的側(cè)向移動(dòng)
NMDA受體不僅在突觸部位進(jìn)進(jìn)出出循環(huán)著,而且也在突觸與突觸外的漿膜上做活動(dòng)依賴性及磷酸化依賴性的側(cè)向移動(dòng)。最近,有研究(single-particle and molecule tracking)顯示,NMDARs在突觸與突觸外以基礎(chǔ)(basal)擴(kuò)散速率(與AMPARs相比)在漿膜內(nèi)做側(cè)向移動(dòng)。該研究還顯示,NR2A-NMDARs在突觸內(nèi)側(cè)向擴(kuò)散的速度(-2×10-4μm.see-1)要較NR2B-NMDARs(-500×10-4μm.see)慢。因此,NMDARs的側(cè)向移動(dòng)隨著神經(jīng)元的成熟和NR2A亞單位的增多會(huì)減慢。突觸部位的AMPARs也可以作側(cè)向移動(dòng),當(dāng)神經(jīng)元的活動(dòng)時(shí),AMPA受體的側(cè)向移動(dòng)會(huì)明顯加強(qiáng),而NMDARs的擴(kuò)散基本不變。假定內(nèi)化區(qū)與突觸垂直,NMDARs的側(cè)向擴(kuò)散似乎就是受體內(nèi)化的關(guān)鍵一步。
3.2 NMDA受體trafficking的意義
一般認(rèn)為,興奮性突觸部位NMDA受體的功能主要是觸發(fā)突觸可塑性,而突觸可塑性的主要表達(dá)機(jī)制是突觸AMPARs的數(shù)量、磷酸化狀態(tài)以及/或亞單位組成的變化。活動(dòng)依賴性的NMDA受體變化的意義在于,NMDA受體的功能與神經(jīng)元的活動(dòng)有關(guān),受神經(jīng)元活動(dòng)的調(diào)節(jié),這就使突觸可塑性的本身也發(fā)生著活動(dòng)依賴性的改變,這也就是突觸可塑性再塑的本質(zhì)。因此,NMDA受體的trafficking是突觸可塑性再塑、經(jīng)驗(yàn)依賴性可塑性以及突觸修飾的基礎(chǔ)。此外,NMDAR的trafficking也是可卡因等藥物濫用及成癮相關(guān)的可塑性所必須的。藥物成癮等行為可引起腦內(nèi)獎(jiǎng)賞環(huán)路的改變,急性可卡因注射通過(guò)調(diào)節(jié)NMDARs的trafficking修飾了神經(jīng)元環(huán)路,出現(xiàn)以NR2A-NMDARs為主的快速插入。酒精成癮可改變中腦多巴胺神經(jīng)元的上AMPA受體與NMDA受體的比值,引起作為藥物成癮共同通路的興奮性傳遞的可塑性改變。
3.3 NMDA受體組成的變化及其意義
NMDA受體亞單位的組成隨腦發(fā)育的不同階段而變化。嚙齒類(lèi)動(dòng)物(如大鼠)大腦皮層的NMDA受體主要由NR1與NR2A或/和NR2B亞單位組成, 而NR2C主要表達(dá)于小腦。另外,NR2亞單位在動(dòng)物不同發(fā)育階段其表達(dá)不同,NR2B在出生后已經(jīng)表達(dá)并在出生后第二周左右達(dá)到平臺(tái)期;而NR2A于生后第二周左右才開(kāi)始表達(dá)并隨著動(dòng)物的發(fā)育逐漸增加。因此,NR2A與NR2B兩個(gè)亞單位的比率伴隨著年齡的增長(zhǎng)逐漸增加。由于含有NR2A亞單位的NMDA受體亞型的電流時(shí)程比含有NR2B亞單位的NMDA受體的電流時(shí)程短,因此,伴隨著年齡的增長(zhǎng),NMDA受體的電流時(shí)程會(huì)逐漸縮短。
NMDA受體亞單位的變化除具有發(fā)育依賴性的特征外,還具有活動(dòng)(或經(jīng)驗(yàn))依賴性的特點(diǎn)。有研究顯示,在黑暗中飼養(yǎng)的動(dòng)物,視皮層NR2A亞單位開(kāi)始表達(dá)的時(shí)間被推遲。這說(shuō)明NR2A亞單位的發(fā)育是視覺(jué)經(jīng)驗(yàn)依賴性的。最新的研究表明,經(jīng)驗(yàn)依賴性的NMDA受體亞單位NR2AINR2B比值的改變不僅存在于發(fā)育期動(dòng)物,而且也出現(xiàn)在成年動(dòng)物,這種經(jīng)驗(yàn)依賴性的NMDA受體組成的變化可能調(diào)節(jié)了成年動(dòng)物的突觸可塑性并改變著成年動(dòng)物的認(rèn)知功能。
4 NMDA受體與精神性疾病治療的新策略
一系列的研究表明,NMDA受體功能的低下是人類(lèi)認(rèn)知功能障礙的重要原因之一,并與精神分裂癥的發(fā)病密切相關(guān)。使用非選擇性的NMDA受體拮抗劑(PCP或氯胺酮)可以干預(yù)記憶的形成,并產(chǎn)生類(lèi)似精神分裂癥的某些癥狀。在轉(zhuǎn)基因小鼠上,減少NMDA受體的表達(dá)或損害NMDA受體功能將產(chǎn)生類(lèi)似于精神分裂癥的某些癥狀。最近對(duì)連鎖基因的遺傳學(xué)分析及尸體解剖分析結(jié)果表明,人類(lèi)精神病的發(fā)病機(jī)制與NMDA受體的表達(dá)與功能紊亂有關(guān)。以上資料提示,增強(qiáng)NMDA受體的功能將有益于改善認(rèn)知障礙。但是,直接激活NMDA受體的谷氨酸結(jié)合位點(diǎn)會(huì)引發(fā)其興奮毒性,而激活NMDA受體的甘氨酸結(jié)合位點(diǎn)是一個(gè)可行的方法,在臨床使用過(guò)程中發(fā)現(xiàn),該策略的確可以緩解某些臨床癥狀。另一個(gè)被看好的策略,是研發(fā)NMDA受體的功能增強(qiáng)劑或正性變構(gòu)調(diào)質(zhì)(positive allosteric modulators),它們通過(guò)作用于NMDA受體的調(diào)節(jié)位點(diǎn)來(lái)增強(qiáng)NMDA受體的功能。目前認(rèn)為有兩個(gè)潛在的有效途徑可以增強(qiáng)NMDA受體活動(dòng):第一,阻止NR2亞單位N末端的關(guān)閉,可以通過(guò)替代鋅離子來(lái)維持N末端間隙處于開(kāi)放狀態(tài)(圖1,位點(diǎn)1);第二,穩(wěn)定通道的開(kāi)放狀態(tài),減慢通道的失活,或通過(guò)作用于激動(dòng)劑結(jié)合區(qū)的二聚體界面(圖1,位點(diǎn)3)阻斷脫敏狀態(tài)的產(chǎn)生。
總之,由于MDA受體具有復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)、存在多個(gè)配體結(jié)合位點(diǎn)、其組成的多種亞單位形成了多種亞型受體等特點(diǎn),致使NMDA受體具有調(diào)制突觸傳遞、觸發(fā)突觸可塑性以及參與學(xué)習(xí)與記憶等重要的生理功能,并在精神分裂癥、情緒障礙、藥物成癮等疾病的發(fā)生中發(fā)揮著重要作用。深入探討不同亞單位的特性以及各配體結(jié)合位點(diǎn)的功能特征,尋找到既能增強(qiáng)NMDA受體的功能,又不產(chǎn)生興奮性神經(jīng)毒性的物質(zhì),是研制與開(kāi)發(fā)新型抗精神病藥物的新途徑。
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