神经甾体类物质对中枢神经系统甘氨酸受体的调节机制及功能研究

作     者：江鹏 

作者单位：中国科学技术大学 

学位级别：博士

导师姓名：徐天乐

授予年度：2007年

学科分类：0710[理学-生物学] 07[理学] 071006[理学-神经生物学] 

主      题：培养的大鼠海马和脊髓神经元 天然和重组甘氨酸受体 甘氨酸能微小抑制性突触后电流 神经甾体 孕烷醇酮 雌激素 17-β-雌二醇 伤害感受 发育 全细胞膜片钳记录 

摘      要：甾体激素类物质（steroid hormones）在机体中作用常是首先结合到甾体激素相应的胞内受体，进而进入核内充当转录因子，调节着基因的表达。该过程由于涉及到蛋白质的合成，起效所需时间较长，一般数十分钟至数小时。自上个世纪八十年代末以来，甾体激素类物质在神经系统中的作用研究掀起一股热潮。并且大量研究结果发现，神经系统中，部分甾体激素类物质可以直接作用于一些细胞膜表面配体门控离子通道或G蛋白偶联受体，从而在数毫秒至数秒内即可改变神经元兴奋性。鉴于这些甾体激素类物质快速起效的特性，它们也被称作为神经活性甾体（neuroactive steroids）。进一步研究发现，神经系统局部环境中某些神经活性甾体的浓度要远高于血浆中的水平，并且神经元和胶质细胞中存在有这些甾体激素合成的酶类，因此，这部分的甾体激素类物质在神经系统中可以自主合成。Baulieu于1997年提出了“神经甾体（neurosteroids）的概念以命名这些甾体物质。一般说来，通过基因水平和非基因水平两方面途径，神经甾体调节了神经元的功能及其可塑性，在中枢神经系统中起到复杂多样的作用。 成年动物中枢神经系统中，GABAA受体（GABAA receptors，GABAARs）是一种重要的抑制性受体，介导了快速的抑制性突触传递。过去的很多神经甾体调节抑制性受体的研究也主要是集中在对GABA能系统的调控。例如，神经甾体中，研究较多的一系列具有镇静和催眠作用的孕烷甾体，它们可以通过变构作用，增强GABAARs功能。又如有研究表明雌激素可以通过抑制GABA能的突触信号传递来调节神经元的兴奋性。然而，另一种抑制性受体甘氨酸受体（glycine receptors，GlyRs）所受的关注则较少。业已证明，GlyRs在中枢神经系统中广泛分布。脊髓中，GlyRs也介导了快速的突触传递，并参与脊髓中感觉信号的加工（包括伤害感受信息的加工传递），其中GlyRα3亚基更是外周炎症导致痛觉敏化现象的重要靶点。海马中，虽然GlyRs大量分布，但未有完全证明功能性glycine能突触的存在。由于这个原因，海马中GlyRs的研究受到了极大忽视。目前研究证据表明，海马中GlyRs的tonic激活则参与调节神经网络兴奋性、与GABAARs间交互抑制及短时程可塑性。此外，最近的研究还表明GlyRs在神经系统发育中起到重要作用，如参与脊椎动物视网膜、皮层及脊髓的发育。那么神经甾体又是如何调节GlyRs的功能呢?本研究中，我们主要使用海马和脊髓神经元培养技术、质粒的转化和转染技术及电生理记录研究了神经甾体孕烷醇酮（pregnanolone，PGN；5β-pregnan-3α-ol-20-one）和17-β-雌二醇（17-β-estradiol，E2）对于中枢神经元上GlyRs的调节作用和可能的机制，并探索其调节作用可能的生理功能和意义。 1．神经甾体PGN对培养大鼠脊髓神经元中甘氨酸能反应调控的研究 本实验中，我们利用全细胞膜片钳方法检测了PGN及其三个异构体对于GlyRs的调控作用。结果显示，PGN可逆地抑制天然GlyRs和重组的α1-、α2、α3-和α1β-GlyR介导的峰值电流。在培养的大鼠脊髓背角神经元中，PGN浓度依赖性地抑制甘氨酸诱导的电流(glycine-induced current，IGly)，半效抑制浓度为1.0±0.3μM。PGN对IGly的抑制效果并不依赖于膜电位，且PGN使得IGly浓度效应曲线右移，却不改变glycine诱导的最大电流和曲线的希尔系数（Hillcoefficient）。PGN的三个异构体中，allopregnanolone略微增强IGly，然而iso-pregnanolone和iso-allopregnanolone不显著影响培养脊髓神经元中的IGly。因此，我们的研究结果提示PGN与glycine竞争结合到GlyRs，从而起到抑制IGly的作用，并且，这种竞争抑制作用具有结构特异性。此外，PGN可以降低甘氨酸能的微小抑制性突触后电流（glycinergic miniature inhibitory postsynapticcurrents，glycinergic mIPSCs）的幅度与频率。那么，通过调节甘氨酸能的突触传递，PGN可能在生理或病理情况下影响到伤害性感受信号在脊髓中的加工。 2．E2对培养的中枢神经元GlyRs的调控研究 在培养的大鼠海马神经元中，我们利用全细胞膜片钳方法首先检测了E2对于IGly幅度的调节作用，结果发现E2快速且可逆地抑IGly的峰值。E2对IGly的抑制作用不依赖于细胞膜电压，也不依赖于glycine的浓度，提示E2对I