脑源性神经营养因子在长时程增强中的作用
【关键词】 脑源性神经营养因子 长时程增强 学习记忆 综述
脑源性神经营养因子（Brain?derived neurotrophic factor,BDNF）是由德国神经生物学家Barde及同事，于1982年首次从猪脑中分离纯化出的有促进神经生长活性的一种蛋白质，它对周围和中枢神经系统神经元的存活和发育均发挥重要作用。近年来研究表明，BDNF通过允许和指导方式参与长时程增强（Long?term potentiation，LTP），在学习和记忆过程中发挥重要作用。现将研究综述如下。
1 BDNF
BDNF分子单体是由119个氨基酸残基组成的分泌型成熟多肽，蛋白等电点为9.99。BDNF的相对分子质量为13 500，主要由β折叠和无规则二级结构组成，含有3个二硫键。它主要存在于神经系统，广泛分布在大脑皮质、海马、基底前脑、纹状体、隔区、下丘脑、小脑、脑干及周围神经系统中，其中以海马和皮层含量最高。神经细胞表面存在两类BDNF受体，一类是低亲和力受体，为相对分子质量约为75 000的跨膜蛋白P75，它可与神经营养素家族所有的因子结合；第二类受体属于酪氨酸蛋白激酶（tyrosine?related receptor kinase，Trk），包括TrkA、TrkB和TrkC，其中TrkB与BDNF亲和力最大，是BDNF主要的功能性受体。BDNF不仅在神经系统发育过程中维持神经元的功能，而且在神经元损伤后的再生修复以及防止神经细胞退行性变等诸多方面发挥作用。
2 LTP
2.1 LTP概述
LTP是指在条件刺激（多为较高频率的强直刺激）后，相同的测试刺激诱发突触反应长时间明显增强的现象。这种突触反应在不同实验条件下可以有不同的表现形式，如可以是场电位、群体兴奋性突触后电位、群体峰电位和兴奋性突触后电位（excitatory postsynaptic potential，EPSP）等。LTP既能长期保持，又能迅速改变，已成为突触水平上研究学习和记忆的分子模型。根据LTP发生的时间和机制不同，可以将其分为早发性LTP（early?LTP，E?LTP）和晚发性LTP（late?LTP，L?LTP）。单串的高频刺激（high?frequency stimulation，HFS）通过NMDA受体的Ca2＋内流和蛋白磷酸化而引起的突触修饰[1]诱发E?LTP，持续1 2 h；重复HFS通过与长时程记忆（Long?term memory，LTM）相似的机制，合成新的蛋白质诱发L?LTP，持续6 8 h。
2.2 LTP与学习记忆关系
LTP与学习记忆有相互促进作用，LTP的诱导或阻断会改变学习记忆的能力，在学习记忆的过程中也会引起相应的LTP变化。有研究者[1]在海马突触可塑性与年龄相关的记忆下降的关系研究中发现，易化LTP的诱导可改善老年鼠的记忆能力；阻断LTP的诱导可直接影响海马依赖性学习行为的获得。通过训练动物在Y型迷宫内进行分辨回避反应的学习，记忆保持好的动物LTP效应显著增大，记忆保持差的动物LTP效应增大不明显。
也有研究发现LTP与学习记忆关系不十分密切。Saucier等[2]用NMDA受体的特异性阻断剂NPC17742完全阻断NMDA介导的LTP之后，只要对任务要求熟悉的大鼠，即使没有经过训练其空间学习记忆能力仍不会受影响。Daniel等[3]在GluR1亚型缺陷大鼠的研究中发现，LTP的诱导受到限制，但空间学习和记忆能力表现正常。
总之，LTP与学习记忆关系十分复杂，就目前研究结果，大多数学者认为LTP是学习记忆的神经基础之一。
3 BDNF在LTP中的作用
3.1 BDNF参与调节LTP实验证据
在体和离体实验均证实BDNF参与调节LTP。BDNF和其受体TrkB结合后能诱导海马颗粒细胞产生持续的LTP；给予海马颗粒细胞能产生持久LTP的刺激，可诱导BDNF和TrkB mRNA的表达。记忆巩固之前，将BDNF反义寡核苷酸直接注入海马齿状回后，大鼠的记忆保持明显受到损害，齿状回的BDNF mRNA水平明显下降，而且EPSP幅度和斜率也显著减弱，提示海马BDNF基因的表达在LTP的形成和记忆巩固过程中起着重要作用[4]。Aleisa等[5]研究结果表明，尼古丁能通过增加CA1区BDNF蛋白的表达，使压力导致的CA1区LTP的损害得到恢复。给予外源性的BDNF，能够保护海马LTP及空间学习、记忆功能不受压力的损害[6]。Abidin等[7]通过基因敲除方法发现，BDNF表达降低到接近50％时，可减弱重复刺激引起的突触前谷氨酸释放的效能，损害视觉皮层突触前的LTP。BDNF的分泌是LTP兴奋依赖性的，并且由突触后神经元释放。Hartmann等[8]将BDNF与绿色荧光蛋白（green fluorescent protein，GFP）相连，HFS激活谷氨酸能突触后能诱导BDNF?GFP从突触局部的分泌型颗粒中释放出来，该释放依赖于突触后谷氨酸受体的激活和突触后Ca2＋的内流。
3.2 BDNF对LTP的作用
多数学者认为，BNDF对LTP的作用包括允许（permissive）和指导（instructive）两方面[9]。
允许是指BDNF能够增强突触产生LTP的能力，但是本身并不产生LTP。目前认为，BDNF是通过抑制突触疲劳而发挥其允许作用。突触疲劳是指连续刺激后，EPSP幅度降低。Figurov等[10]用TrkB?Fc使成年大鼠海马中胞内TrkB与BDNF分离，抑制BDNF信号的转导，增加了CA3?CA1突触疲劳，从而抑制了BDNF对LTP的允许作用。相反，当BDNF应用到内源性BDNF水平较低的新生大鼠海马中时，突触疲劳减弱，允许作用增强，LTP诱导加快。Pozzo?Miller等[11]发现BDNF基因敲除大鼠给予HFS后，CA1区突触疲劳增加、LTP受损，应用BDNF处理后能逆转这种变化。在TrkB突变大鼠中也看到相类似的突触疲劳增加和LTP受损[12]。从CA3?CA1突触后神经元选择性删除TrkB受体后，大鼠的突触疲劳无变化，E?LTP未受损，表明BDNF抑制突触疲劳的功能可能是通过突触前TrkB信号来调节的[12]。
指导是指BDNF对HFS产生应答，参与LTP的形成和维持，BDNF对E?LTP和L?LTP均发挥指导作用。通过将BDNF反义寡核苷酸注射到成年海马齿状回内以降低BDNF水平[4]，或者在体外用TrkB?IgG融合蛋白清除内源性的BDNF[10]可降低E?LTP幅度。在能诱导LTP的强直刺激后立即给予BDNF清除剂或BDNF抗体，不仅能阻止E?LTP的诱导，还能消除已形成的E?LTP。E?LTP的损害可以通过内源性的重组体BDNF，或者通过病毒转染的BDNF来修复。在应用能诱导L?LTP的刺激2 4 h后，BDNFmRNA增加，而该时段正好与L?LTP的表达相一致。有研究人员[13]发现，BDNF基因敲除大鼠及应用TrkB抗体均能阻断突触的L?LTP形成。BDNF基因敲除或TrkB抗体能损害θ?爆发刺激（θ?burst stimulation，TBS）诱发的L?LTP，但不能损害四连串强直刺激诱发的L?LTP，推测这可能是由于四连串强直刺激能产生更多的BDNF或者其它因子，从而能够弥补L?LTP的损害[14]。
3.3 BNDF参与调节LTP的机制
3.3.1 调节突触后NMDA受体 NMDA受体激活后的细胞内级联反应参与LTP的形成。强直刺激通过AMPA受体通道的离子流增强，使NMDA受体的突触后膜去极化，NMDA受体中的Mg2＋阻隔被去除，激活NMDA受体，Ca2＋内流，使突触后膜受体等重要蛋白质磷酸化，蛋白合成增加，从而激活一系列细胞内Ca2＋依赖的级联反应，诱导LTP的产生。Murphy等[15]应用NMDA受体的选择性抑制剂AP5（amino?phosphonovaleric acid）后，可以抑制家兔的LTP诱导。Tsien等[16]准确地敲除了小鼠CA1区NMDA受体R1基因，发现突变后小鼠的CA1区缺失LTP，从而进一步证实了NMDA受体在LTP中起着重要作用。
BDNF与TrkB结合后增强海马突触后NMDA受体的磷酸化，迅速增加神经元之间的突触传递，从而诱导LTP，NMDA受体拮抗剂MK?801和Trk抑制剂K?252a均能抑制BDNF所增强的突触传递[17]。Lin等[18]发现经BDNF孵育5 min后的大脑皮质或海马突触后致密物（postsynaptic densities，PSD）的NMDA受体亚单位NR2B磷酸化增强，并且发现，BDNF促进NR2B磷酸化呈剂量依赖性，在BDNF浓度为2 ng·ml-1时达到最大，这表明BDNF是通过增强NR2B的磷酸化来调节突触后LTP。BDNF也可以通过依赖NMDA受体亚单位NR2B的机制，使AMPA受体亚单位GluR1发生磷酸化来调节LTP。Wu等[19]发现经BDNF孵育后的神经突触体和PSD的GluR1磷酸化增加，NMDA可使神经突触体和PSD的磷酸化分别提高3.8和2倍，而NMDA受体拮抗剂AP?5和MK801能阻断神经突触体和PSD的GluR1磷酸化。
3.3.2 启动MAPK转导途径 MAPK即有丝分裂原激活蛋白激酶（mitogen?activated protein kianse），是BDNF与TrkB受体结合后激活的信号转导通路之一。在应用能诱导L?LTP的强直刺激过程中或之前，用MAPK抑制剂U0126或者PD98059处理海马切片，CA1区L?LTP的幅度明显降低，这提示MAPK途径在L?LTP中起着重要作用。
行为学研究对MAPK的激活在BDNF调节LTP中的作用提供了间接证据。将抗?BDNF抗体注入海马CA1区后，MAPK激活程度降低，长期记忆受损；相反，海马内注射重组体BDNF后，MAPK激活程度增加，长期记忆改善[20]。Gooney等[21]发现在进行Morris水迷宫行为训练和保持LTP的大鼠，其齿状回BDNF的释放增加，MAPK磷酸化增加，认为LTP的形成与MAPK的激活有关。
Rosenblum等[22]发现BDNF可以使MAPK成员ERKⅠ/Ⅱ（extracellular regulated kinaseⅠ/Ⅱ）发生核易位，激活即刻早期基因（Immediately?early genes，IEGs）Zif268、Homer 的表达，这些表达的蛋白参与L?LTP的形成和突触的巩固。Ying等[23]在海马内微量注射BDNF后导致齿状回ERK激活，局部灌注ERK抑制剂PD98059和U0126能完全消除BDNF?LTP的诱导，但对已经建立的BDNF?LTP无作用；同时发现BDNF可以导致Arc mRNA和蛋白水平上调，参与L?LTP的形成，而U0126能阻止Arc的上调。 cAMP反应性元件结合蛋白（cAMP response element binding protein，CREB）的激活是MAPK信号转导途径的关键步骤，它能启动蛋白的表达，参与L?LTP的维持[24]。以上结果提示BDNF通过激活MAPK信号转导途径促进Zif268、Homer和Arc等蛋白的合成，参与LTP的形成。
3.3.3 其它 BDNF还可以通过PLC?γ和PI3?K信号转导途径参与LTP，但是目前相关研究甚少。Minichiello等[25]发现，TrkB中与PLC?γ结合位点突变的大鼠海马LTP严重受损，而Shc位点突变的大鼠海马LTP未受损。Mizuno等[26]研究PI3?K信号途径在空间学习和记忆中的作用，发现注射BDNF寡核苷酸或PI3?K抑制剂后大鼠的空间学习能力下降，这表明PI3?K信号转导途径的激活对空间记忆很重要。
4 结 语
近年来BDNF越来越受到关注，它参与LTP的形成和维持，其对LTP的作用主要有允许和指导两方面。BDNF参与LTP的机制有调节突触后NMDA受体、启动MAPK转导途径等。LTP与学习记忆相互促进,BDNF可能通过LTP影响学习与记忆功能，这为临床学习与记忆功能障碍性疾病提供了新思路。随着对BDNF和LTP的研究进一步深入，BDNF参与调节LTP的确切机制将逐步被阐明。
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