軟骨藻酸和谷氨酸受體
關鍵字： 軟骨藻酸軟骨藻酸(domoic acid’C15H7NO6’分子量311)是一種小分子的興奮性神經毒素，屬遺忘癥毒素類(ASP)。加拿大愛華德王子島曾有100多名居民由于食用了軟骨藻酸污染的水產品而發生食物中毒，病人出現胃腸道癥狀(惡心、嘔吐)和慢性神經損害(持續性記憶損害，定位力缺失)，甚至昏迷，至少有3人死亡［1］。此后，在美國的西海岸也相繼發生了軟骨藻酸的污染事件，一些種類的海產品因此而被暫時禁止捕撈［2］。隨著在世界范圍內一系列污染事件的發生，人們對軟骨藻酸的關注日益增加，對軟骨藻酸毒性機理的研究也逐漸深入。軟骨藻酸主要引起海馬區和大腦新皮層神經元的損傷［3，4］，其毒性作用途徑主要是通過谷氨酸受體發揮作用，即NMDA(N-methyl-D-aspartate NMDA)型和KA(kainic acid’KA)/AMPA(α-amino-3-hydroxy-5-methylisoxazole-4-propionate’AMPA)型2種亞型谷氨酸受體［3，5］。
1 NMDA受體
NMDA受體與突觸的可塑性和學習、記憶密切相關，通過該受體本身、其共軛的離子通道(即NMDA通道)及調節部位三者形成一復合體而發揮功能，對Ca2+高度通透［6］。每個NMDA受體上含有2個谷氨酸和2個甘氨酸結合識別位點，谷氨酸和甘氨酸均是谷氨酸受體的特異性激活劑［7］。1991年，日本Nakanishi實驗室首次從大鼠腦中成功地克隆出了一種NMDA受體亞基的cDNA(NMDAR1)［8］。此后，人們又相繼克隆出了4個新的NMDA受體亞基的cDNA(NMDAR2 A-D)。NMDAR1可單獨形成功能性純寡聚體NMDA受體，但NMDAR2亞基卻不具備該功能。當NMDAR1與不同的NMDAR2共同表達后，由谷氨酸誘導的電流比對僅NMDAR1獨自表達誘發的電流大數十倍到上百倍，此特性表明NMDA受體可能是由NMDAR1和不同的NMDAR2亞基組成的一個異寡聚體［7］。NMDAR1是由938個氨基酸殘基組成的跨膜蛋白，分子量為105kD，有4個跨膜區［9］。1992年，Novelli等發現［10］，含軟骨藻酸的蚌類對神經培養物的損害與興奮性氨基酸有協同作用，而且他們的資料表明，亞毒作用劑量的軟骨藻酸能促進谷氨酸和精氨酸的興奮毒作用。該協同毒性作用可能是通過降低Mg2+對NMDA受體離子通道的阻礙效應而實現的。Berman等在體外培養的神經元中，利用KA/AMPA及NMDA受體抑制劑，研究了軟骨藻酸對小腦顆粒細胞的毒作用機制。他們的資料顯示，由于NMDA競爭性和非競爭性拮抗劑均能降低軟骨藻酸誘導的內源性興奮性氨基酸的外流，所以NMDA受體不僅能介導大部分軟骨藻酸引起的神經損傷，而且是興奮性氨基酸外流的一個主要部位。這些結果更直接地支持了Novelli等人的觀點。Berman和Heron等還發現，暴露在軟骨藻酸下，內源性腺苷能抑制谷氨酸的釋放［3，11］。但是，軟骨藻酸和內源性腺苷相互作用的機制還不十分清楚。軟骨藻酸能促進谷氨酸和精氨酸的釋放，而釋放的谷氨酸和精氨酸又可激活NMDA受體，進而促進內源性興奮性氨基酸的釋放。所以軟骨藻酸可協同性地加強谷氨酸/精氨酸介導的神經興奮作用。NMDA受體激活后，細胞外的Ca2+大量進入細胞，細胞內鈣庫貯存的Ca2+大量釋放，引起細胞內Ca2+過負載，造成細胞損傷。高濃度的Ca2+可活化與NMDA受體NR1和NR2B亞基結合的鈣/鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ(Ca2+/CaM-dependent protein kinaseⅡ’CaMK Ⅱ)［12］，CaMKⅡ又能磷酸化AMPA受體，進而提高該受體通道的敏感性［13］。
2 KA/AMPA受體
KA/AMPA受體是最重要的離子型非NMDA型興奮性氨基酸受體。AMPA受體家族包括4個結構極為相似的亞基，各亞基的氨基酸序列的同源性高達70%。由于氨基酸殘基疏水性分布，在靠近羧基端的部分構成4個跨膜區。AMPA、L-谷氨酸及KA均可激活這類離子通道，并有AMPA的高親和力結合位點。天然AMPA受體是一個僅由這4種亞基組成的五聚體，每個單體的分子量為108kD。AMPA受體的4種亞基在第4個跨膜區的上游均含有1個由38個氨基酸殘基組成的特殊區段，該區存在2個結構相似區，分別由受體基因上2個相鄰的外顯子編碼［7］。但各亞基的DNA編碼在翻譯后要經過一些如磷酸化、糖基化及棕櫚酮化等修飾，這些修飾是通道功能重要的調節方式［14］。離子型谷氨酸受體功能的多樣性是通過不同亞基的組裝、選擇性基因接合、轉錄前mRNA的編輯等方式來實現的。特別對于AMPA和KA受體，它們不同于NMDA受體，還要通過RNA編輯進行特殊的修飾。最近發現通道小孔區的氨基酸是編輯酶的作用位點，所以該部位的修飾會影響到離子的通透性［15］。人們繼續研究發現，在AMPA受體GluR5亞基或KA受體GluR5和GluR6亞基的通道小孔區內或附近關鍵位置的RNA編輯，將中性的谷氨酸替換成帶正電荷的精氨酸，谷氨酸和精氨酸的互換會引起Ca2+的內流［14］。成年大鼠的GluR2基因全部經過編輯，而GluR5和GluR6編輯不完全，分別為39%和75%。這種現象可能與編輯有關的腺苷脫氨酶識別和堿基配對所需的特定內含子序列的位置有關。GluR2的內含子序列在谷氨酸-精氨酸互換點的位置附近，而GluR5和GluR6的內含子序列卻遠離該互換點1900個核苷酸［16］。Seeburg等人研究發現，AMPA受體的電導性和通透性由GluR2決定，這是因為GluR2的第2個跨膜區與其它3個亞基不同，谷氨酸突變為精氨酸。他們還發現，AMPA受體各亞基的基因編碼中，谷氨酸/精氨酸位點均是谷氨酸的編碼。正是由于高度特異性的mRNA編輯才實現了定點突變［17］。結果提示腦細胞具有選擇表達含未編輯GluR2亞基，從而實現選擇對Ca2+通透的AMPA受體數量的能力［7］。
在大鼠中，通過分子克隆技術，已發現5種KA受體亞型(GluR5～7’KA-1’KA-2)。其中KA-1和KA-2受體亞基能與各自的激活劑高度結合但不引起反應。利用逆轉錄PCR及膜片鉗技術揭示，KA受體是由同類的不同亞基組成的異質組合體。亞基的組成對受體的功能特性影響特別大，因為異質的KA受體復合物中出現編輯的GluR5或GluR6會阻礙Ca2+的通透性［14］。GluR6的第1個跨膜區有2個受RNA編輯修飾的位點，所以加上第2個跨膜區具有的谷氨酸/精氨酸位點，GluR6共有3個受RNA編輯修飾的位點。與AMPA受體不同，只有當GluR6第1個跨膜區處于編輯形式時，第2個跨膜區的谷氨酸/精氨酸位點的編輯才影響通道Ca2+的通透性，結果提示，細胞可能通過RNA編輯改變結構達到調控通道的Ca2+流量［7］。到目前為止，尚缺乏特異性的抑制劑來明確地區別KA和AMPA受體［18］。分子生物學研究又揭示，KA和AMPA受體亞基的RNA剪接和編輯又使得2種受體亞型的多樣性更加復雜［7］。而且軟骨藻酸又是KA的結構類似物，所以目前還不能區分軟骨藻酸對KA和AMPA受體單獨作用的特性。但現在已發現，軟骨藻酸對KA受體的結合力要比AMPA受體大，僅對AMPA受體來說，軟骨藻酸能在納摩爾級濃度激活AMPA受體，而KA卻不能，這也是軟骨藻酸比紅藻氨酸毒性大的一個因素［19］。軟骨藻酸激活谷氨酸受體的方式與KA相同，但有別于天然的L-谷氨酸，谷氨酸引起快速脫敏反應，而KA和軟骨藻酸不能或僅引起KA/AMPA受體緩慢脫敏。軟骨藻酸對KA/AMPA受體高親和力和不引起脫敏電流這兩個特性是其神經毒理作用的兩個重要因子［14］。天然神經遞質對AMPA受體產生脫敏反應是神經系統中限制突觸后電位強度和持續時間的一種重要機制。由于AMPA/KA受體不能產生脫敏反應，導致受體持續活化，陽離子通過受體通道大量進入神經細胞。大量涌進的陽離子會改變細胞內的一系列生化過程，最終會導致一些敏感細胞死亡［14］。有趣的是，Alfonso等發現，在培養的雞視網膜細胞中，軟骨藻酸可引起Ca2+依賴性和非依賴性的γ-氨基丁酸的釋放，從而發揮抑制性神經遞質的功能，實現機體的自我保護［20］。目前，軟骨藻酸與KA/AMPA受體的結合方式及具體的作用機制還不清楚，而且激活KA/AMPA受體后，引起的各種細胞內反應也有待于進一步研究。
3 結束語
軟骨藻酸通過不同的作用機制激活NMDA受體和KA/AMPA受體，對機體產生神經興奮性損害，特別是引起細胞內Ca2+濃度的異常升高，一方面可引起AMPA受體的磷酸化，提高其對軟骨藻酸的敏感性，但另一方面又可以誘導γ-氨基丁酸的釋放，對軟骨藻酸的興奮作用進行抑制，體現了機體調節的精密性。隨著受體亞型特異性激活劑和抑制劑的出現，必將極大地推動軟骨藻酸作用機制的研究，從而加快軟骨藻酸中毒特效藥物研制工作的進展。另一方面，應加強對海產
品中軟骨藻酸的監測，預防食物中毒事件的發生。同時要加強對海產品中軟骨藻酸的監測，避免軟骨藻酸引起食物中毒事件的發生。
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