D-Ser－NMDA受體的一種新的調(diào)控因子
陳福俊,，何德富,，周紹慈
（華東師范大學(xué)上海市腦功能基因組學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200062）
摘要：最近研究證實(shí)哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中存在內(nèi)源性的D-Ser,。這種內(nèi)源性D-Ser在神經(jīng)系統(tǒng)中的分布與NMDA受體的分布相平行,，進(jìn)一步的研究表明，D-Ser由突觸旁星形膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生,，而作用于突觸后NMDA受體上的Gly結(jié)合位點(diǎn),，對(duì)NMDA受體的功能進(jìn)行調(diào)控。本文將綜述D-Ser在神經(jīng)系統(tǒng)中的分布、合成及其生理機(jī)能,。
Abstract: The viewpoint that there is no endogenous D-serine in mammalian nervous system has changed based on recent published reports. The study indicated that the distribution of this kind of endogenous D-serine parallels with that of NMDA receptor in nervous system. Further study suggested that the D-serine produced in astrocytes regulates the function of NMDA receptor through the glycine-binding site of the receptor. This paper reviews the distribution, synthesis and physiological function of D-serine in nervous system.
NMDA受體（N-methyl-D-aspartate receptor）是中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)一類重要的興奮性氨基酸（excitatory aminoacid, EAA）受體,。NMDA受體不僅在神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育過(guò)程中發(fā)揮著重要的生理作用，如可調(diào)節(jié)神經(jīng)元的存活,，調(diào)節(jié)神經(jīng)元樹(shù)突,、軸突結(jié)構(gòu)發(fā)育及參與突觸可塑性的形成等；在神經(jīng)元回路的形成中NMDA受體亦起著關(guān)鍵作用,，有資料表明NMDA受體是學(xué)習(xí)與記憶過(guò)程中一類至關(guān)重要的受體[1],。NMDA受體受多種因子的調(diào)控，而最近發(fā)現(xiàn)了NMDA受體的一種特別的調(diào)控因子——D型絲氨酸（D-Serine,，D-Ser）[2],。D-Ser這種新的神經(jīng)調(diào)質(zhì)的發(fā)現(xiàn)引起了神經(jīng)科學(xué)界極大關(guān)注，本文將綜述這方面的最新進(jìn)展,。
自然界中存在的氨基酸絕大多數(shù)都有兩種構(gòu)型：L型和D型,。構(gòu)成生物體中蛋白質(zhì)的氨基酸通常都為L(zhǎng)型，在細(xì)菌和無(wú)脊椎動(dòng)物體內(nèi)曾發(fā)現(xiàn)有內(nèi)源性的D型氨基酸[3],，而對(duì)于哺乳動(dòng)物體內(nèi)存在D型氨基酸的事實(shí),，過(guò)去普遍把它歸結(jié)于食物來(lái)源或腸內(nèi)的細(xì)菌所產(chǎn)生[3,4]。早期研究認(rèn)為,，哺乳動(dòng)物體內(nèi)不能產(chǎn)生D型氨基酸,，因?yàn)榘被嵯钢话l(fā)現(xiàn)在細(xì)菌和昆蟲體內(nèi)，而在哺乳動(dòng)物體內(nèi)還未分離純化出這種酶,。然而最近的研究報(bào)告表明在哺乳動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)中存在自由D-Ser和D-天冬氨酸(D-aspartate, D-Asp)[5,6],；另有研究報(bào)告報(bào)道，大鼠額葉和頂葉皮層突觸體中的磷酸絲氨酸磷酸化酶（phosphoserine phosphatase）可水解L－磷酸絲氨酸（L-phosphoserine）,，最終生成L-Ser和D-Ser[7],。因而這類D型氨基酸在神經(jīng)系統(tǒng)中的生理作用，很自然地引起了神經(jīng)科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注,。下面將重點(diǎn)闡述D-Ser在神經(jīng)系統(tǒng)中的分布,、合成及生理機(jī)能。
自有報(bào)道說(shuō)在哺乳動(dòng)物中樞神經(jīng)系統(tǒng)中存在自由的D型氨基酸以來(lái),，許多科學(xué)家便把注意力轉(zhuǎn)向這類不參與構(gòu)成生物體內(nèi)蛋白質(zhì)的氨基酸上來(lái),。采用對(duì)D-Ser具有高度選擇性的抗體，利用免疫組化的方法研究發(fā)現(xiàn),，D-Ser主要存在于哺乳動(dòng)物腦內(nèi)灰質(zhì)區(qū)中的Ⅱ型星形膠質(zhì)細(xì)胞內(nèi),，這種膠質(zhì)細(xì)胞多位于突觸旁邊[2,8]。D-Ser分布的主要腦區(qū)為前額葉皮層和紋狀體,，小腦中也有微量分布[9],。令人感興趣的是,，在哺乳動(dòng)物中，NMDA受體分布密度最高的是海馬的CA1區(qū),、CA3區(qū)和齒狀回,，大腦皮層區(qū)的前腦皮層、前扣帶區(qū)和梨狀皮層,，此外,，在紋狀體、丘腦,、小腦顆粒細(xì)胞層也有較多分布[10],。在D-Ser存在的腦區(qū)中，往往存在著大量的NMDA受體,，二者的分布存在著一種平行關(guān)系,。
NMDA受體是一種獨(dú)特的雙重門控通道(doubly gated channel)，它既受膜電位控制也受其它神經(jīng)遞質(zhì)控制,。NMDA受體被激活后,，主要對(duì)Ca2+有通透性，介導(dǎo)持續(xù),、緩慢的去極化過(guò)程,。在突觸傳遞過(guò)程中，NMDA受體的激活需要非NMDA受體的參與,，其中主要是AMPA受體(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole propionate receptor)的參與,。當(dāng)刺激達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)，突觸前膜釋放的谷氨酸作用于AMPA受體,，通過(guò)AMPA受體通道的離子流增強(qiáng)，使得鄰近NMDA受體的突觸后膜局部去極化,，進(jìn)而導(dǎo)致NMDA受體通道Mg2+阻斷的釋放,，這時(shí)谷氨酸與NMDA受體的結(jié)合便可使通道打開(kāi)。此外當(dāng)有甘氨酸結(jié)合到甘氨酸結(jié)合位點(diǎn)時(shí),，通過(guò)變構(gòu)調(diào)控可以大大增強(qiáng)谷氨酸作用于NMDA受體后所產(chǎn)生的效應(yīng),，另外多聚胺可增強(qiáng)谷氨酸對(duì)NMDA受體的作用，而Zn2+卻可以抑制多聚胺的這種作用,?？梢?jiàn)，NMDA受體的激活受多種因子的調(diào)控,。
D-Ser與NMDA受體的共分布現(xiàn)象,，促使科學(xué)家進(jìn)一步對(duì)二者的功能聯(lián)系進(jìn)行研究。最近的研究發(fā)現(xiàn)D-Ser是NMDA受體的一種新的獨(dú)特的調(diào)質(zhì),。Ascher等人研究發(fā)現(xiàn),，在用快速灌流制備的神經(jīng)標(biāo)本中,，NMDA受體的活性會(huì)暫時(shí)喪失，但這種活性的暫時(shí)喪失可為甘氨酸所逆轉(zhuǎn)[11],。進(jìn)一步的研究表明NMDA受體上存在Gly結(jié)合位點(diǎn),，而NMDA受體的活化需要Gly位點(diǎn)的共激活[7]。但讓人不解的是,，在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中Gly的濃度在前腦是最低的,，而前腦中NMDA受體的含量卻很高；相反在脊髓和后腦中Gly的含量最高,，但在這些區(qū)域Gly卻發(fā)揮著一種抑制性神經(jīng)遞質(zhì)的作用,。有研究報(bào)告顯示在NMDA受體分布的灰質(zhì)腦區(qū)中，D-Ser的含量約為Gly的3倍[12-14],，在前額葉皮層,，胞外D-Ser的量與Gly相當(dāng)，在紋狀體D-Ser的含量約是Gly的2倍[10],。另外的研究證實(shí),，施加外源性的D-Ser可以增強(qiáng)NMDA受體調(diào)節(jié)的神經(jīng)傳遞作用。此外采用放射性同位素3H標(biāo)記D-Ser研究發(fā)現(xiàn),，D-Ser選擇性結(jié)合于Gly結(jié)合位點(diǎn)[15],。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，D-Ser對(duì)NMDA受體似乎與Gly有著類似的作用,，D-Ser也是NMDA受體上Gly位點(diǎn)的一種內(nèi)源性配基,。進(jìn)一步的研究則驚人的發(fā)現(xiàn)D-Ser是由突觸旁星型膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生而作用于突觸后神經(jīng)元上NMDA受體的。如Fig.
1所示,，當(dāng)突觸前膜興奮時(shí),，釋放興奮性氨基酸遞質(zhì)谷氨酸到突觸間隙，其中一部分Glu作用于突觸后膜上的NMDA受體,，另一部分則擴(kuò)散到了鄰近的星形膠質(zhì)細(xì)胞,，作用于其上的
非NMDA受體，后者的激活導(dǎo)致貯存于胞漿中的D-Ser由星形膠質(zhì)細(xì)胞釋放出,，然后結(jié)合于突觸后膜上的NMDA受體[16],，從而與Glu共同作用，激活NMDA受體,。
Fig. 1 The active mechanism of D-serine（cited from Snyder SH, revised partly）
而D-Ser的清除和滅活則依賴于D型氨基酸氧化酶,，在三十年代便發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng)物體內(nèi)存在D型氨基酸氧化酶[17]，但對(duì)其作用一直沒(méi)有定論,。D型氨基酸氧化酶是一種高度選擇性的酶,，只降解中性D型氨基酸。Snyder等采用組織化學(xué)的方法研究發(fā)現(xiàn),，D型氨基酸氧化酶在腦內(nèi)的分布存在區(qū)域差異,，其濃度與D-Ser的分布相平行[2],。在生理?xiàng)l件下D型氨基酸氧化酶的最佳底物是D-Ser和D-丙氨酸，在腦片實(shí)驗(yàn)中也證實(shí)了D型氨基酸氧化酶可降低NMDA受體的神經(jīng)傳遞作用,，而對(duì)Gly和D-Asp無(wú)明顯影響,，表現(xiàn)出對(duì)D-Ser的高度選擇性[13]?？梢?jiàn)通過(guò)D型氨基酸氧化酶的作用可及時(shí)清除釋放入突觸間隙的多余的D-Ser,，以防止其持續(xù)作用于NMDA受體，從而維持了NMDA受體的正常生理功能,。
D-氨基酸的產(chǎn)生依賴氨基酸消旋酶,，胞內(nèi)是否存在專一的絲氨酸消旋酶呢？Snyder等的工作使這一問(wèn)題獲得了圓滿的解答,，他們從大鼠腦內(nèi)分離出一種氨基酸消旋酶,，這種消旋酶專一催化L-Ser轉(zhuǎn)化為D-Ser，遂將其命名為絲氨酸消旋酶(serine rasemase),。絲氨酸消旋酶由339個(gè)氨基酸殘基組成,，分子量為36.3KD。爾后他們通過(guò)分析絲氨酸消旋酶的結(jié)構(gòu)和檢索基因庫(kù)后,，得出這一酶的全序列cDNA,，并在體外進(jìn)行了表達(dá)，而且成功地在培養(yǎng)細(xì)胞中合成了D-Ser,。免疫組化研究表明,，這種絲氨酸消旋酶大量存在于前腦及灰質(zhì)區(qū)的Ⅱ型星形膠質(zhì)細(xì)胞中，而這里正是NMDA受體和D-Ser分布廣泛的腦區(qū)[18],。這也進(jìn)一步說(shuō)明D-Ser是生物體內(nèi)源性的物質(zhì),。
以往被認(rèn)同的神經(jīng)遞質(zhì)和神經(jīng)調(diào)質(zhì)都是由突觸前膜或突觸后膜產(chǎn)生，作用于突觸前膜或突觸后膜上的受體,，而D-Ser這種獨(dú)特的神經(jīng)調(diào)質(zhì)則是由突觸旁的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生作用于突觸后膜上的NMDA受體,，這就使我們想到腦內(nèi)數(shù)量遠(yuǎn)多于神經(jīng)元的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞，除了能高親和性地吸收GABA并將其滅活,，通過(guò)細(xì)胞間液的物質(zhì)交流參與神經(jīng)元內(nèi)Glu和GABA的代謝，影響神經(jīng)肽的合成及傳統(tǒng)的支持,、營(yíng)養(yǎng),、修復(fù)、吞噬諸多功能外[19],，還可能參與神經(jīng)興奮性傳導(dǎo)和調(diào)制等機(jī)能,。
D-Ser作用機(jī)制的發(fā)現(xiàn)不僅具有重要的理論意義，而且在醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面也預(yù)示著廣闊的前景,。這主要表現(xiàn)在它為神經(jīng)疾病的治療提供了一個(gè)新的作用靶,，例如谷氨酸濃度升高可加重帕金森病,、阿爾茨海默病和亨廷頓病的癥狀，只要阻斷了Glu的作用必定會(huì)緩解這些疾病的癥狀,，現(xiàn)在就可以考慮應(yīng)用D-Ser的阻斷劑來(lái)達(dá)到同樣的治療目的,。在夏科氏綜合癥（ALS）與帕金森病的動(dòng)物模型中絲氨酸消旋酶的抑制劑與Glu受體的拮抗劑有著相同的療效，所以利用D-Ser對(duì)NMDA受體的調(diào)控作用也可以作為治療一些神經(jīng)疾病的新途徑,，如焦慮,、癲癇、中風(fēng)及精神分裂癥等疾病的治療都可以考慮應(yīng)用D-Ser這種手性藥物,。
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