代谢型谷氨酸受体第5亚型与脑梗死的关系

　　作者：刘莺综述,张茂林审校　　作者单位：包头医学院，内蒙古包头

　　【关键词】 脑梗死

　　脑梗死是目前我国中老年人群中的常见病、多发病。随着分子生物学技术的进展，对脑梗死的发病机制已经有了更加深入的认识，提出了自由基损害、兴奋性毒性、一氧化氮(NO)学说、亚低温疗法、能量衰竭学说、钙通道阻滞等理论。近来对谷氨酸受体介导的神经毒性研究较多，尤其在代谢型谷氨酸受体的研究上愈发受到重视，其中代谢型谷氨酸受体5(mGluR5)与脑梗死的关系已受到普遍关注。

　　1 代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptors，mGluRs)的分类

　　谷氨酸是哺乳类动物中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质，对突触兴奋性的传导起调节作用，在生理状态下参与许多生理功能的调节，如学习和记忆、神经系统发育等。在脑缺血、颅脑损伤、癫痫发作、神经变性疾病等病理过程中，谷氨酸也起着重要作用。目前将谷氨酸受体(GluR)按与配体结合后的效应的不同分为两类：离子型谷氨酸受体(inotmpic glutamate receptors，iGluRs)，包括NMDA受体、AMPA受体和KA受体;mGluRs，mGluRs根据氨基酸序列的同源性、药理学特性和细胞内信号转导机制的差异，又可将其分为Group-Ⅰ、Group-Ⅱ和Group-Ⅲ三组：(1)Group Ⅰ包括mGluR1和mGluR5，主要通过激活磷脂酶c(PLC)，促进二磷酸磷脂酰肌醇(PIP2)水解成甘油二酰酯(DG)，导致胞内Ca2+ 浓度升高;(2)Group Ⅱ包括mGluR2和mGluR3;(3)GroupⅢ包括mGluR4、mGluR6、mGluR7和mGluR8均与腺甘酸环化酶(AC)系统偶联[1]。同一组内氨基酸序列的同源性为60%～80%,不同组之间有45%的同源性。但mGluR5与mGluR1A氨基酸序列有最高的同源性(约87.1%)，且二者的药理作用及对激动剂的选择相同，故用药理学方法很难将它们区分开。

　　2 mGluR5基因结构

　　1985年Sladeczek等首次报道Glu激活与G蛋白偶联的受体。1991年Houamed等从大鼠小脑的cDNA基因库中克隆出了mGluR1。1992年研究者将mGluR1制成探针，从鼠脑的cDNA文库中分离出了mGluR5[2]。mGluR5的cDNA长度是3 918bp，编码1 171个氨基酸残基，分子量为128 289。mGluR5由三部分组成：第一部分是细胞外功能区,包括560个氨基酸残基,内有潜在化的糖基化位点,其N末端有信号肽;第二部分由7个疏水区在细胞膜处形成7个跨膜区,此区有261个氨基酸残基;第三部分是细胞内功能区,由350个氨基酸残基组成,其C末端有许多磷酸化位点及苏氨酸、丝氨酸残基,提示此区可能是调节受体几种激酶的作用靶标[3]。在人和鼠的mGluR5的第7个跨膜区之后和细胞浆内的末端分别插入50个和32个氨基酸残基，不引起GluR5的药理学特性的改变，从而将最初克隆出的mGluR5命名为mGluR5a，将插入后的mG1uR5命名为mGluR5b，在成体鼠脑内mG1uR5b mRNA的表达高于mGluR5a[4]。

　　3 mGluR5的作用机制及其药理学作用

　　mGluR5与G蛋白耦联，经过磷酸—肌醇环路后，能激活各种第二信使的级联反应。目前已被证实的mGluR5作用途径为：mGluR5与G蛋白耦联后，激活PLC使细胞膜内PIP2水解，产生DG与三磷酸肌醇(IP3)，诱导蛋白激酶C的转位和激活，细胞内钙库释放增加，胞浆内Ca2+浓度持续升高，从而引起一系列生化反应如：(1)各种降解酶释放，包括DNA酶、蛋白酶、磷脂酶等激活，引起DNA、蛋白质、磷脂降解，神经元变性坏死;(2)其他钙依赖性酶如一氧化氮合成酶的活化，一系列诱导基因的转录增强，生成特异性核蛋白作为核内第三信使进一步激活特异性的基因表达系统，并对基因表达进行调控，使短时的神经兴奋转变为持续的细胞内变化;(3)蛋白激酶C催化NMDA受体蛋白亚基的磷酸化，增加细胞外钙的内流,细胞内Ca2+水平进一步升高,产生或(1)或(2)的继发反应。路径(1)表明mGluR5在脑缺血缺氧的病理变化中是一个重要的始动因子，它的神经毒性作用，是传统的神经生理学领域的共识。路径(2)则是近年神经生物学研究的最新发现，表明mGluR5可能参与了长时程增强效应(LTP)的产生与维持，在学习记忆的过程中扮演了重要角色。路径(3)提示mGluR5可能借助NMDA受体加强了上述两路径中的反应强度，受体间的相互作用也是受体发挥作用的重要手段，可见mGluR5调节学习记忆的功能中有一部分与NMDA受体有关[5]。

　　mGluRs内源性激动剂是谷氨酸，选择性激动剂有t-ACPD、L-AP4、DCG-IV、L-SOP和L-CCG-I等。Is，3R-ACPD、ACPD及Quis是研究早期常用的mGluR5选择性激动剂。ACPD包括Is，3R-ACPD和lR，3R-ACPD，其中Is，3R-ACPD是活性形式，后来又发现了DHPG为其激动剂。L-AP3是Ⅰ类mGluRs的部分激动剂，是1993年以前唯一的一种mGluRs拮抗剂。mGluRs拮抗剂还包括AIDA、4CPG，MCPG是mGluR5相对特异性拮抗剂。

　　4 mGluR5在脑内的分布

　　mGluR5在脑内分布广泛，正常情况下mGluR5的表达在成年大鼠脑内皮质浅层及多个核团内是广泛存在的。用同位素标记寡核苷酸探针进行原位杂交发现，mGluR5的mRNA在大鼠大脑皮质各层均有表达,在大鼠纹状体75%～80%的中型多棘神经元、海马CA1-CA3的锥体细胞和海马齿状回的颗粒细胞内具有高表达，新皮质各层有高或中等程度表达，而在小脑蒲肯野细胞中则不表达[6]。人类与大鼠的mGluR5氨基酸序列有94.5% 的同源性，其mGluR5的mRNA高表达区也是纹状体、海马及大脑皮质[7]。新近的形态学资料证实，mGluR5在外周组织也有表达，同时证实这些受体参与外周痛信号的产生过程，即伤害性刺激引起的伤害性感受器的兴奋过程。

　　5 mGluR5在脑梗死中的作用

　　现已了解,mGluR5与中枢神经系统发育的可塑性有关,它可加强大脑皮质γ-氨基丁酸能神经元的抑制性突触传递;在大脑皮质神经胶质增生过程中也发挥作用;在纹状体内,它可加强NMDA受体的神经毒性作用,并与底丘脑核及多巴胺(DA)系统发生联系,可能参与调节基底节的运动,并可能与帕金森病(PD)动物模型中锥体外系症状的产生有关;在海马内,mGluR5可形成LTP,与学习和记忆有关;在小脑内,它可抑制过量的谷氨酸和NMDA受体对神经元的兴奋毒性作用;另外,它还可能参与抵抗慢性神经性疼痛[8]。

　　目前的研究发现，mGluR5在脑梗死中有着更为重要的作用。早期曾认为神经毒性主要由iGluR介导，近年来研究表明，mGluRs特别是mGluR5在神经毒性过程中具有重要的意义。mGluR5在脑梗死中的作用主要表现在两个方面：

　　一方面是脑缺血缺氧增加了mGluR介导的PI水解。受体激活的G蛋白偶联的磷酸肌醇(PI)水解是脑内主要的信号转导机制，在脑缺血过程中缺血部位PI水解的增加由mGluR介导的，因为缺血时可见Glu浓度显著增加。用新生鼠脑缺血缺氧后的脑片及成年鼠脑缺血后再灌注1天或7天的脑片观察PI水解的变化，发现缺血缺氧使得Quis及去甲肾上腺素(NE)引起的PI水解显著增加，而胆碱能受体激动剂引起的PI水解不受缺血影响，Quis与NE反应的同步性可能是mGluR与肾上腺素能受体偶联同一组PLC[9]。脑缺血缺氧刺激产生的PI水解增强可能与神经元的不可逆损伤或修复有关。用成年鼠海马脑片进行无氧及有氧灌流，也发现缺氧使Glu引起的PI水解增加，而且即使是在长时间缺氧后再给氧，脑片仍然维持这种能力，因此提出一个假说：缺氧使海马脑片PI降解通路敏感，给氧后存在相应的激动剂情况下，脑片维持敏感状态。维持缺氧产生的敏感状态有两个因素，一是在缺氧过程中必须存在Ca2+，另一个是缺氧必须有足够长的时间(>30分钟)，这提示在延长的缺氧时间内受损细胞发生了信号转导机制的变化。缺氧后给氧状态下PI水解敏感性的维持可能在缺氧后高兴奋性即“迟发性神经元死亡(delayed i1curolal death)”中起一定作用[10]。利用原位杂交技术，发现妊娠大鼠子宫内缺血缺氧胎鼠齿状回出生后7天到14天中，mGluR5的mRNA有较高的表达，说明mGluR5在Glu引起的神经毒作用及迟发性损伤中起促进作用[11]。

　　另一方面是mGluR5激动引起神经元损伤的实验证据有三种情况。一是mGluR5激动剂本身引起损伤，此作用是内钙释放抑制剂胆罗啉(dantrolene，Dan)敏感的。新生7天大鼠纹状体内或海马内注射Is，3R-ACPD产生剂量依赖性的脑损伤，体循环给予高剂量的1s，3R-ACPD引起惊厥及脑损伤，这些作用可以被Dan拮抗及mGluR5部分激动剂/拮抗剂L-AP3减轻，但不被NMDA 及AMPA受体拮抗剂阻断，提示mGluR5激活本身可能足以杀死神经元，同时表明mGluR5的活性变化可能参与并加重脑损伤过程。二是GluR5激动剂本身不引起损伤，但加重NMDA引起的损伤。mGluR5通过C末端特殊的识别序列与Homer家族的anchoring蛋白结合。Homer蛋白反过来通过Shank与NMDA受体、AMPARs和信号分子如PLC和PKC等相连[12]。PKC作用于src激活NMDA受体，增加了NMDA受体通道开放的频率。新生7天大鼠，脑内注射NMDA或AMPA引起神经元丢失及脑组织重量减轻，ACPD无此作用，但是ACPD加重NMDA而不是AMPA引起的脑组织重量减轻。这些说明了PKC可以使突触后mGluR5与NMDA受体相连，NMDA受体被激活后，其通道开放的概率增加。低浓度的NMDA能增强mGluR5的作用，而高浓度NMDA却对mGluR5有抑制效应，此种效应可能与mGluR5在PKC位点的磷酸化有关[13]。NMDA受体的激动剂能引发PI的水解，可能与mGluR5的激活有关。三是mGluR5激动剂本身引起损伤，且加重NMDA引起的损伤。成年大鼠海马内注射高剂量的Is，3R-ACPD引起肢体抽搐及齿状回颗粒细胞、海马CAl、CA3锥体细胞的丢失，这种损伤作用可被NMDA受体拮抗剂减轻[14]。用混合培养的皮层神经细胞进行研究证实，mGluR5激动剂加重慢性NMDA毒性作用及缺糖-缺氧引起的损伤作用，这种作用与增加细胞内Ca 2+释放及外Ca2+ 内流有关，并涉及PKC的激活 。mGluR5激动对神经细胞的作用有不同表现可能与受体的可塑性有关。mGLuR5加重神经元损伤可能还有其它机制，如增加ArAc的释放或NO的合成，而ArAc及NO在神经系统损伤中的作用都有大量研究和报道[15]。

　　6 mGluR5的前景展望

　　随着对mGluRs在脑梗死病理过程中的作用及其机制研究的深入，越来越多的人意识到在脑梗死后辅助给予mGluR受体拮抗剂有望降低脑损伤后兴奋毒性的发生和程度，对脑组织起到一定的保护作用。近年来，有关mGluR5的研究受到了国内外学者更多的关注。根据上述研究，mGluR5可以作为治疗脑缺血缺氧性神经损伤的靶点。很多研究人员也对于iGluRs受体拮抗剂在脑损伤中的保护作用，进行了大量的研究和观察，可知iGluRs受体拮抗剂治疗实验性脑缺血有效，但由于它直接作用于离子通道，干扰突触传递，产生严重的精神不良反应，限制了临床应用[16-17]。同时更多的资料表明单纯应用iGluRs拮抗剂并不能对脑损伤起到预期的保护效果，而联合应用mGluR5受体拮抗剂则可以起到较好的保护作用，并且可以避免iGluRs拮抗剂的不良反应。如次毒剂量的代谢型谷氨酸受体激动剂t-ACPD易化NMDA受体介导的神经毒性，但对AMPA受体介导的神经毒性没有作用。t-ACPD可使由于大脑中动脉闭塞引起的小脑皮质梗死面积下降。在视网膜及培养的皮质神经元上，Is，3R-ACPD不但无神经毒性，且可以降低NMDA受体的兴奋毒性作用。因此mGluR5拮抗剂有希望用于治疗脑缺血损伤。对mGluR5病理意义的研究及特异的激动剂和拮抗剂的发展也必将为缺血性脑损伤机制的研究及治疗提供新的途径。MCPG作为mGluR5相对特异的拮抗剂，通过与mGluR5结合，竞争抑制Glu通过二者所介导的信号传导机制而起到神经保护作用。MCPG可减弱大鼠海马细胞cAMP依赖性巨大去极化电位，翻转脑损伤后由于mGluR5过度兴奋引起的IP3升高，降低因mGluR5兴奋所造成的β-APP表达的增加，防止脑损伤后脑组织代谢障碍和迟发性病理改变[18]。我们发现MCPG对脑梗死后脑组织含水量、花生四烯酸水解产物TXB和6-keto-PGF 细胞内第二信使cAMP和cGMP 及电镜下血脑屏障通透性改变产生不同程度的影响，从而具有一定的脑保护作用。由于MCPG作用范围广、机制复杂，对机体影响和毒性大，且难于通过血脑屏障，目前尚未应用于临床，其确切机制和疗效有待于进一步深入地研究和验证。新发展的基因敲除技术或转基因动物也可能都会对mGluR5的研究有所帮助。由于目前缺乏mGluR5的特异性拮抗剂,基因敲除技术还未能普及,在这种状况下,如将此片段制成反意cDNA或反意mRNA,在体内或体外封闭mGluR5基因,使其不能表达成完整有活性的蛋白质,这也同样取得了应用mGluR5的特异性拮抗剂或基因敲除技术的效果,从而对其功能可进行更深入而详细的研究。

　　对mGluR5的相关研究都给我们的临床研究指出了一条途径，如何在脑梗死有限的治疗时间窗内，配合溶栓等再灌注治疗，采用或合用效果好、不良反应小的神经保护药，缩小梗死体积，降低病死率，促进神经功能恢复等都将是今后努力的方向。

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