谷氨酸转运体与神经系统疾病

作者：赵延峰，汤颖，王德生    作者单位：150001 哈尔滨医科大学第一临床医学院神经内科

【关键词】  谷氨酸;神经

    谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统最重要的神经递质，在体内主要与亲离子性和亲代谢性两种谷氨酸受体家族结合发挥活化作用。谷氨酸如果在细胞外浓度过高，过度兴奋谷氨酸受体可导致神经细胞死亡，由于细胞外没有能分解谷氨酸的酶，释放的谷氨酸几乎完全依赖神经元以及神经胶质细胞膜上的谷氨酸转运体（EAAT）的摄取来保持浓度的相对稳定，同时EAAT也为体内很多代谢途径提供谷氨酸来源。研究表明，在很多神经系统疾病中都伴随EAAT功能的异常。现对其亚型和分布、结构和功能以及与神经系统疾病的关系综述如下。

    1  EAAT的亚型和分布

    到目前为止，已分离和克隆出5种EAAT（EAAT1～EAAT5），这些亚型之间具有50%～60%的同源序列。其中EAAT1和EAAT2主要位于神经胶质细胞膜上。EAAT1也称为GLAST（Glutamateasparate transporter），在小脑的Bergmann胶质细胞分布特别丰富，在脊髓和前脑也有少量表达。EAAT2也称为GLT1（Glial glutamate transporter 1），在中枢神经分布广泛，主要位于前脑、海马、大脑皮质和纹状体等部位的星形胶质细胞膜上，同时也见于少突胶质细胞和巨噬细胞等其他细胞。GLT1也表达在发育阶段的神经元上［1］。GLT1和GIAST不仅可以单独表达，也可同时表达于同一胶质细胞的不同部位，发挥协同作用。EAAT的另外两个成员EAAT3和EAAT4主要位于神经元上，其中EAAT3也称为EAAC1，在海马以及皮质锥体细胞表达丰富，也见于其他的谷氨酸神经元，Conti等［2］发现EAAT3存在于星形胶质细胞上。EAAT4主要位于小脑的浦肯野细胞上，Hu等［3］在星形胶质细胞上也发现了EAAT4。最后一个成员EAAT5目前只在视网膜的光感受器和双极细胞上发现。

    2  EAAT的结构和功能

    EAAT含有500～600个氨基酸序列，形成8个跨膜区域，在羧基端形成独特的高度保守的疏水区。Yernool等［4］通过一种球菌的同源EAAT的晶体结构的研究发现EAAT具有类似碗状的三聚体结构，在碗底有3个独立的谷氨酸结合位点，每一位点由两个螺旋状发卡结构支撑，通过发卡结构调控谷氨酸的跨膜转运［5］。EAAT主要利用Na+K+ ATP酶形成的Na+ 和K+ 的电化学浓度梯度来完成对谷氨酸的转运，细胞摄取一个谷氨酸，同时同向转运3个Na+ 和1个H+ ，并将1个K+ 排出细胞外。EAAT迅速移除兴奋性突触释放出的谷氨酸，有效维持了细胞外谷氨酸的低浓度，防止了兴奋性扩布的发生，同时也限制了潜在的兴奋性毒性作用。除此之外，EAAT还为γ氨基丁酸（GABA）、谷胱甘肽以及很多蛋白的合成提供谷氨酸来源。Hinoi等［6］报道除了在神经系统发挥作用以外，EAAT也广泛存在于外周的组织器官，如骨、心脏、胰腺、肾上腺、松果体和肠等。

    3  EAAT与神经系统疾病的关系

    在生理条件下，位于神经元和神经胶质细胞上的EAAT迅速摄取谷氨酸，有效地抑制了细胞外谷氨酸的堆积。病理情况下，EAAT对谷氨酸的摄取能力下降或者中断，甚至出现向细胞外的逆转运，导致细胞外谷氨酸浓度上升，兴奋谷氨酸受体，引发一系列的兴奋性毒性。目前的研究表明在很多神经系统疾病如肌萎缩性侧索硬化症（ALS）、Alzheimer病（AD）、帕金森病(PD)、癫疒间、急性脑梗死和脑外伤等都与EAAT功能异常密切相关。

    3.1  EAAT与ALS  ALS是最常见的运动神经元病，特征为进行性运动神经元丧失，脑干和脊髓的运动神经元丧失最明显，也见于累及皮质运动神经元。ALS可分为遗传和散发两种类型。早在上世纪90年代，Rothstein等［7］就进行了一系列的关于EAAT与ALS的关系的研究, 发现在大约60%～70%散发ALS患者的皮质和脊髓运动神经元中存在30%～90%程度不等的GLT1丢失，脊髓的运动神经元中变化最明显。在ALS动物模型中同样能检测到GLT1蛋白水平的下降。

    因为血小板上分布有EAAT，通过对血小板EAAT的检测可以反映神经系统EAAT水平。Ferrarese等［8］通过42例ALS患者的研究发现，ALS患者的血小板EAAT功能下降，血浆中谷氨酸水平升高。Bos等［9］最近研究发现ALS患者血小板中的GLT1的水平正常，但谷氨酰胺合成酶的表达增高。现在还不明确为什么在ALS患者中GLT1的蛋白水平会下降，推测GLT1表达水平的下降可能与神经元的丢失有关。Howland等［10］在啮齿动物模型中观察到GLT1下降早于神经变性的发生，但ALS患者与对照组相比并没有GLT1 mRNA的表达异常。这些研究提示GLT1的丧失可能与转录水平的下降相关。Trotti等［11］认为在ALS患者中GLT1选择性的损伤可能与突变的超氧化物歧化酶1（SOD1）有关。BostonHowes等［12］ 进一步提出SOD1激活了caspase3途径，分割了GLT1的羧基末端。总之，ALS的发病与GLT1的功能异常密切相关，而确切的致病机制仍需要进一步的深入研究。

    3.2  EAAT与AD  AD是老年人中最常见的神经退行性疾病，起病隐匿，逐渐出现记忆力减退、认知功能障碍、行为异常和社交障碍等。AD的发病与谷氨酸的毒性作用密切相关，同ALS患者的研究相同，AD患者中也检测出谷氨酸的摄取能力和EAAT表达下降。Ferrarese等［13］通过对血小板功能研究发现，随着年龄的增加，谷氨酸的摄取功能逐渐下降，EAAT减少，在AD患者中这种下降更为显著。Zoia等［14］发现与年轻对照组相比，老年人谷氨酸摄取和GLT1的表达均下降，提示GLT1的下降与AD患者的神经变性的形成相关。在AD动物模型中也同样可以观察到EAAT表达的下降。转基因鼠与正常对照组相比，GLAST蛋白和GLT1蛋白显著下降［15］，但mRNA水平并没有显著变化，提示EAAT表达下降可能与转录后机制异常相关，可能是淀粉前体蛋白斑块阻碍了星形胶质细胞和皮质神经元对谷氨酸的摄取。Forman等［16］对AD转基因鼠的研究显示GLT1和GLAST在脊髓、脑干和皮质神经突触的表达明显下降，提示EAAT功能损伤可能与AD有关。同样GLT1的氧化也是AD患者GLT1失活以及胶质细胞功能下降的另一个可能原因。Scott等［17］研究发现EAAT1和Tau蛋白共同表达，在AD患者脑内中EAAT1表达下降甚至检测不出。尽管目前没有应用EAAT对AD进行治疗，但针对谷氨酸受体的治疗有效减缓了AD患者认知功能下降，提示通过上调EAAT，降低兴奋性毒性，也有可能发挥对AD的治疗作用。

    3.3  EAAT与PD  PD的特征性标志是多巴胺神经元的变性以及Lewy小体的形成，多巴胺神经元丧失引起震颤、僵硬以及运动减少等症状。同AD的研究相同，PD患者的血小板对谷氨酸的摄取下降［18］。在PD鼠模型中应用谷氨酸受体阻断剂或增加谷氨酸的摄取都显示了明显的治疗效果［19］。目前PD的治疗主要使用左旋多巴替代丢失的多巴胺，在长期应用左旋多巴治疗的PD大鼠模型中，可以发现谷氨酸水平的增加以及GLT1 mRNA表达增加［20］，这种GLT1表达增加可能作为一种对细胞外高浓度的谷氨酸导致的兴奋性毒性的保护性机制来发挥作用。

    3.4  EAAT与癫疒间  癫疒间是一种常见的神经系统功能失调，与很多因素有关，EAAT可能在其中发挥重要的作用。Campbell等［21］发现使用EAAT抑制剂阻断谷氨酸的摄取，能使谷氨酸受体持续活化，延长癫疒间发作时间。GLT1基因敲除小鼠出现致死性癫疒间发作，GLAST基因敲除小鼠则表现出对疒间性发作的易感性［22］。Jen等［23］在癫疒间患者中发现了EAAT1的突变体，同野生EAAT1相比，突变体谷氨酸摄取能力下降。癫疒间动物模型的研究进一步支持了EAAT在防止癫疒间发作的作用。Wong等［24］在鼠模型中检测出了GLT1和GLAST的表达下降。通过阻断EAAT或利用分子工具下调其表达会引发癫疒间发作。目前研究表明很多抗癫疒间药物作用于EAAT，通过上调EAAT的表达，发挥治疗癫疒间作用，这可能是一个复杂的机制，癫疒间与EAAT的联系密不可分。

    3.5  EAAT与脑缺血  卒中是常见的死亡原因，而卒中最常见的类型就是脑缺血，现已证实脑缺血后的神经变性与谷氨酸兴奋性毒性有密切关系。如前所述，EAAT依靠Na+K+ ATP酶形成的电化学浓度梯度摄取细胞外的谷氨酸。在急性低氧低糖条件下，葡萄糖新陈代谢功能损伤，ATP酶功能下降，离子浓度梯度破坏，EAAT功能异常，引起细胞外谷氨酸浓度升高。Camacho等［25］使用糖酵解抑制剂后，出现EAAT的损伤，甚至出现向细胞外释放谷氨酸，引发神经变性损伤。而Hurtado等［26］的研究发现目前临床证明有效的脑保护剂胞二磷胆碱，可能通过抑制缺血介导的神经元谷氨酸释放以及增加星形胶质细胞转运体对谷氨酸的摄取，从而发挥对神经的保护作用。Bruhn等［27］在大鼠缺血再灌注模型中发现CA1区神经损伤发生在第4 d并持续21 d，EAAT功能的改变在再灌注的当天就能观察到，可检测到海马区GLT1 mRNA下调，在CA1区表现最明显，在第4 d还能检测到，此时GLT1蛋白表达也出现下降。Raghavendra等［28］的研究表明GLT1基因敲除鼠的局部短暂性脑缺血模型与对照组相比，缺血灶的体积和神经元的损伤都相对严重。这说明GLT1在缺血发生过程中起到了神经保护的作用。在大面积脑梗死患者的血浆和脑脊液中也显示了谷氨酸浓度的上升。另一个现象是缺血预处理对随后发生的脑缺血有明显的保护作用，与未进行缺血预处理的大鼠相比，GLT1的表达增高［29］ ，表明GLT1上调可能有助于降低随后发生的谷氨酸兴奋性毒性作用。

    3.6  EAAT与其他神经疾病  除了以上提到的神经系统疾病以外，在其他神经变性疾病的研究中都能观察到EAAT功能的下降，如亨廷顿病、皮克病以及与人类免疫缺陷病毒相关的痴呆等。在急性颅脑损伤以及周围神经系统损伤的病理过程中也伴随有EAAT的异常。

    综上所述，EAAT功能下降与很多神经疾病密切相关，这一发现对于ALS、AD、PD和脑缺血等疾病的病因学及治疗学方面的研究有重要意义，但其中的很多机制尚不明确。因此，对EAAT的进一步研究，将有利于了解神经疾病的发病机制、病理过程，为神经变性疾病的治疗提供方向。

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