袁谊 鲁亚平 安徽师范大学生命科学学院
摘 要:配体门控离子通道在中枢神经系统中介导快速突触传递从而成为很多神经药物的医疗靶点，士的宁敏感型甘氨酸受体属于配体门控离子通道超家族的一员，可以介导脊髓和脑干的快抑制性突触传递，本文介绍了近年来关于甘氨酸受体药理学研究进展。
关键字 :氨酸受体;GlyR;调控
在哺乳动物中枢神经系统（CNS）中甘氨酸（Gly）作为一种主要的抑制性神经递质，可以激活士的宁敏感型甘氨酸受体(GlyR)，开启受体内部的氯离子通道，介导脊髓及脑干的快抑制性突触传递。近年来膜片钳实验技术的广泛应用，甘氨酸受体药理学的研究进展令人瞩目。
1甘氨酸受体的结构
甘氨酸受体和GABAA/C受体，五羟色胺受体（5-HT3R）和N型乙酰胆碱受体（nAChR）有很大的同源性，它们共同组成配体门控型离子通道超家族（L GICs）。所有这些受体蛋白都含一个长的N-末端细胞外区（ECD）,四个跨膜区域（M1-M4）,一个连接M3-M4区域的大的细胞内环，以及胞外短的C-末端。在跨膜区域存在高度的序列同源性，N-末端含有半胱氨酸环。在GlyR的M2区，对离子有严格的选择性。甘氨酸受体是由α亚基（48KD）和β亚基（58KD）构成的五聚体。迄今为止, 共发现了四种由Glra1-4编码的α亚基（а1-4）和一种Glrb编码β亚基[1]。这些亚基的不同组合是GlyR 药理学多样性的分子基础。甘氨酸受体α亚基的序列同源性高达80-90%，在α亚基上有主要的配体结合位点[2]。β亚基是辅助亚基，调节甘氨酸受体和配体的结合，β亚基M3-M4胞内环上的一段疏水序列有脚手架蛋白Gephyrin的结合位点，而Gephyrin对GlyRs的簇集是必需的，β亚基通过gephyrin将GlyR锚定在突触后的细胞骨架上[3]。
2甘氨酸受体亚基的分布与发育变化
Glra基因受发育调控:出生后GlyRα1积聚，而α2亚基逐渐减少。α3亚基也在出生后表达，α4和α2相似，转录体主要在胚胎期表达。胚胎甘氨酸受体是α2亚基的同五聚体，而成年甘氨酸受体是由α和β亚基构成的异五聚体。原位杂交等实验显示GlyRα1亚单位mRNA和蛋白质在成年脑干和脊髓中都有广泛的分布。α2的转录体在胚胎时期遍及整个CNS，出生后会迅速减少，在成年的海马,皮层和丘脑中只是少量表达。α3亚基在脊髓,小脑和嗅球中度水平表达。而α4亚基以更低的水平表达。β亚基在胚胎期和出生后都广泛的分布在CNS中[4]。
3 甘氨酸受体药理学
3.1甘氨酸受体激动剂和拮抗剂
甘氨酸受体可以被甘氨酸，牛磺酸（taurine）和β-丙氨酸（β-alanine）激活，激活的能力大小按以下顺序:甘氨酸>β-丙氨酸>牛磺酸[2].
甘氨酸是GlyR的完全激动剂，他激活甘氨酸受体的EC50值一般为几十个μM.牛磺酸和β-丙氨酸均为甘氨酸受体的部分激动剂，也是部分拮抗剂，这种角色的转变与本身的浓度，受体的结构和细胞类型等多种因素相关。在低浓度的时候它们能抑制甘氨酸受体的反应。这提示它们在甘氨酸受体上可能有两个功能性氨基酸的结合位点。在甘氨酸受体的α1亚基上用丙氨酸置换K104，F108和T112后，牛磺酸和β-丙氨酸由部分激动剂转变为完全激动剂[5].
士的宁（Strychnine）是GlyR特异的竞争性拮抗剂,也是常用的惊厥剂之一,使用后可致动物过度兴奋直至惊厥，在药理学研究中可以用来有效的鉴别甘氨酸受体[1]。
GABA受体的拮抗剂木防己苦毒素（PTX）,SR95531,荷包牡丹碱（Bicuculline）对含有α2的GlyR比含α1的GlyR有更显著的抑制作用。β亚基降低了PTX的抑制能力，而增强了SR95531和Bicuculline的功能[6]。这些特点可以用来识别不同亚基组成的GlyR。PTX对同聚体介导的电流有更加显著的抑制作用，而成熟神经节元上甘氨酸受体多含有β亚基，所以PTX对甘氨酸受体的作用常被忽略。
带有负电荷的分子cyanotriphenylborate（CTB）是含α1亚基的甘氨酸受体的一种非竞争性和使用依赖型抑制剂，抑制作用伴随着开放式通道阻断[7]。
从银杏叶提取的二萜类化合物银杏萜内酯ginkgolide B（GB）作为中草药，被广泛用于心脑血管疾病。GB以非竞争性的方式，有效的抑制甘氨酸受体异聚体介导的电流，由于GB对GABAA受体亲和力很低,不仅可以用来识别甘氨酸的异聚体，还可以在研究GABA回路时，消除甘氨酸的影响[8]。
治疗高血压的药物环噻嗪cyclothiazide(CTZ)可以作为一种а2亚基特异性的抑制剂，定点突变表明在а2亚基N-端59位的苏氨酸是CTZ活性位点[9]。
治疗抑郁症的药物氟西汀（fluoxetine）可以以浓度依赖的方式竞争性的抑制甘氨酸受体介导的电流，这也许是它在高剂量时引起惊厥的原因[10]。
3.2神经甾体类物质的调控
在大鼠脊髓背角神经元上，孕烷醇酮（pregnanolone，PGN）以浓度依赖性的方式可逆的和竞争性的抑制甘氨酸受体介导的电流的幅值（IC50=1.0±0.3μM)。PGN对甘氨酸受体离子通道的调控取决于它的空间结构，它的同分异构体均没有对IGly的抑制作用。同时PGN降低了甘氨酸能微小抑制性突触后电流（mIPSCs）的幅值和频率[11]。
3.3麻醉剂对甘氨酸受体的调控
麻醉剂可以上调GABAAR受体和甘氨酸受体的功能达到麻醉和镇痛的作用是一个值得注意的医疗靶点。静脉麻醉药异丙酚( Propofol)对脊髓背角神经元GABAAR与GlyR有相似的调节机制：低浓度时通过减缓电流脱敏与去活来上调GABAAR与GlyR功能，高浓度时对GABA受体和甘氨酸受体都有抑制作用，这个抑制作用可能与GABAAR与GlyR的交互抑制相关[12]。戊巴比妥（pentobarbital PB）也可通过减缓甘氨酸受体的脱敏与去活来加强脊髓抑制性神经传递，动力学分析显示PB通过开放式通道阻断和变构调节两种方式作用于甘氨酸受体。然而PB并不能影响由甘氨酸受体低亲和力激动剂牛磺酸激发的电流的动力学，可能是由于taurine从GlyR的快速解离消弱了PB的作用[13]。
3.4金属离子的调控
大量研究表明，Zn2+是一种重要的内源性神经调质，它是多种酶的辅助因子，也可以调控多种离子通道。低浓度的Zn2+（1-10μM）上调甘氨酸受体的功能，增大甘氨酸诱导的电流，高浓度的Zn2+则抑制甘氨酸受体，高于300μM可完全阻断甘氨酸受体[14]。这可能是Zn2+在甘氨酸受体上同时具有Zn2+的高亲和力和低亲和力的位点，结合后会产生不同的异构效应。在GlyRа1亚基中，Zn2+的抑制作用与H107,H109残基相关，这两个残基分别由相邻的两个а亚基提供，形成亚基内的Zn2+的结合位点[15].
在大鼠骶髓后连接核神经元中，Cu2+以浓度依赖的方式可逆的和竞争性的抑制甘氨酸受体介导的电流（IC50=88.4μM），并且Cu2+消弱Zn2+对IGly的抑制作用[16]。将胞外与Zn2+作用相关的T112突变成丙氨酸，降低Cu2+的抑制作用[17]。证明了Cu2+和Zn2+在GlyR上的作用位点部分相同。
镉是环境中对人体有害的重金属元素，Cd2+以浓度依赖的方式可逆的和非竞争性抑制大鼠海马神经元甘氨酸受体介导的电流（IC50=1.27μM），Cd2+不能影响Zn2+对甘氨酸受体的作用[18].说明Cd2+与Zn2+在GlyR上结合位点是不同的。
3.5 黄酮类化合物的调节
在各类黄酮类化合物中，懈皮素是含量最丰富的成分之一，一些富含懈皮素的植物被作为传统的中药使用，在海马神经元上懈皮素以浓度依赖的方式可逆的和非竞争性的抑制甘氨酸受体介导的电流（IC50=10.7μM），此外懈皮素对含有α1亚基的甘氨酸受体不敏感，这种亚基选择性可以使其成为有效的药理学探针，来鉴别天然甘氨酸受体亚基的组成[19]。
3.6 钙通道拮抗剂的调控
L-型钙通道阻断剂戊脉安（Verapamil）和一些二氢吡啶（Dihydropyridine DHPs）类化合物如 ：硝苯地平（Nifedipine），尼群地平（Nitrendipine），尼卡地平（Nicardipine）和（R）-Bay K 8644，在胞外无Ca2+的情况下都可以阻断大鼠脊髓神经元甘氨酸反应。Nitrendipine和Nicardipine可以加强低浓度甘氨酸介导的电流。说明一些钙的拮抗剂的作用，包括DHPs神经保护和抗惊厥，部分原因可能归结于和配体门控氯离子通道的相互作用[20]。
3.7 磷酸化调节
LGICs受体可被蛋白激酶A（PKA）,蛋白激酶C(PKC)，钙调素依赖性蛋白激酶（CaMK）酪氨酸蛋白激酶（PTK）磷酸化，GlyR亚单位也受这些激酶的调节.甘氨酸受体的磷酸化可能与长时程突触可塑性和受体在突触的簇集有关。PKA，PKC和CaMK分别抑制或增强GlyR介导的电流[21]。PTK可以上调甘氨酸受体的功能，这种上调作用依赖于?亚基的tyrosine-413残基[22]。近期的研究发现胰岛素上调GlyR功能与酪氨酸激酶和磷脂酰肌醇（PI）3激酶的细胞内信号通路相关[23]。
3.8 与GABA受体的关系
作为配体门控超家族的成员，GlyR与GABAA受体有很多的相似性。虽然Gly和GABA对对方的受体没有亲和力，在大鼠海马CA1神经元上，发现了GABAAR和GlyR之间的交互抑制，而这种交互抑制作用来可能自于于受体之间直接的相互作用，并且具有阶段依赖性，低浓度的两者的激动剂并不能引起交互抑制[24]。在大鼠骶髓后连合核神经元中发现GABAAR和GlyR之间的交互抑制是不均等的，对比 GABA对Gly诱导的电流的抑制，Gly对GABA诱导的电流的抑制作用更强。而且甘氨酸受体的激活抑制GABA的反应与磷酸酯酶2B有关，在很大程度上取决于蛋白质去磷酸化过程[25]。由于GABA和甘氨酸都是抑制性神经递质，交互抑制重要的生理学意义在于限制其过度的抑制。
4.总结和展望
甘氨酸受体在多种生理过程中扮演重要的角色，尤其在脊髓和脑干介导抑制性突触传递，而突触外的甘氨酸受体广泛分布于中枢神经系统，在这些领域的研究一直为人们所忽略，突触外甘氨酸受体的存在为甘氨酸受体调节物应用于临床治疗提供了更多的靶点。
参考文献:
[1] Dresbach T,Nawrotzki R,Kremer T,Schumacher S,Quinones D,Kluska M,Kuhse J,Kirsch J.2008.Molecular architecture of glycinergic synapses.Histochem Cell Biol(2008)130:617-633.
[2] Lynch JW.2004.Molecular Structure and Function of the Glycine Receptor Chloride Channel.Physiol Rev. 2004 Oct;84(4):1051-95.
[3] Grudzinska J,Schemm R,Haeger S,Nicke A,Schmalzing G,Betz H,Laube B.2005.The beta subunit determines the ligand binding properties of synaptic glycine receptors.Neuron.2005 Mar 3;45(5):727-39.
[4]Betz H ,Laube B.2006.Glycine receptors: recent insights into their structural organization and functional diversity.J Neurochem. 2006 Jun;97(6):1600-10.
[5] Schmieden V,Kuhse J,Betz H. 1999.A Novel domain of the Inhibitory glycine receptor determining antagonist efficacies: Further evidence for partial agonism resulting from self-Inhibition.Mol Pharmacol.1999 Sep;56(3):464-72.
[6] Li P,Slaughter M.2007.Glycine receptor subunit composition alters the action of GABA antagonists. Vis Neurosci .2007 Jul-Aug;24(4):513-21. Epub 2007 Jul 23 .
[7] Rundstrom N,Schmieden V,Betz H,Bormann J,Langosch D. 1994.Cyanotriphenylborate: Subtype-specific blocker of glycine receptor chloride channels.Proc Natl Acad Sci U S A.1994 sep 13;91(19):8950-4.
[8] Kondratskaya EL,Betz H,Krishtal OA,Laube B.2005.The beta subunit increases the ginkgolide B sensitivity of inhibitory glycine receptors.Neuropharmacology 49 (2005) 945-951.
[9 ]Zhang XP,Sun GC,Liu LY,Yu F,Xu TL.2008.Alpha 2 Subunit Specificity of Cyclothiazide Inhibition on Glycine Receptors.Mol Pharmacol.2008 Apr;73(4):1195-202.Epub 2007 Dec 27.
[10 ]Ye ZY,Lu YG,Sun H,Cheng XP,Xu TL,Zhou JN.2008.Fluoxetine inhibition of glycine receptor activity in rat hippocampal neurons.Brain Res.2008 Aug 29.
[11]Jiang P,Yang CX,Wang YT,Xu TL.2006.Mechanisms of modulation of pregnanolone on glycinergic response in cultured spinal dorsal horn neurons of rat.Neuroscience 141 (2006) 2041–2050.
[12] Dong XP,Xu TL.2002.The actions of propofol on r-aminobutyric acid-A and
Glycine receptors in acutely dissociated spinal dorsal horn neurons of the rat. Anesth Analg.2002;95:907–14,table of contents.
[13] Lu H,Xu TL.2002.The General Anesthetic Pentobarbital Slows Desensitization and Deactivation of the Glycine Receptor in the Rat Spinal Dorsal Horn Neurons.J Biol Chem. 2002 Nov 1;277(44):41369-78. Epub 2002 Aug 23.
[14] Thio LL,Zhang HX.2006.Modulation of inhibitory glycine receptors in cultured embryonic mouse hippocampal neurons by zinc,thiol containing redox agents and carnosine.Neuroscience. 2006;139(4):1315-27. Epub 2006 Mar 2.
[15] Miller PS,Beato1 M,Harvey RJ,Smart TG.2005.Molecular determinants of glycine receptor alphabeta subunit sensitivities to Zn2+-mediated inhibition. J Physiol. 2005 Aug 1;566(Pt 3):657-70. Epub 2005 May 19.
[16] Wang DS,Zhu HL,Hong Z,Li JS.2002.Cu2+ inhibition of glycine-activated currents in rat sacral dorsal commissural neurons. Neurosci Lett. 2002 Aug 9;328(2):117-20.
[17] Chen Z,Dillon GH,Huang R.2006. Identification of residues critical for Cu2+ -mediated inhibition of glycine alpha1 receptors. Neuropharmacology. 2006 Sep;51(4):701-8. Epub 2006 Jul 12.
[18] Wang S,Gu Y,Wang HL,Li XM,Wang M,Sun LG,Ruan DY.2006.Inhibitory effect of Cd2+ on glycine-induced chloride current in rat hippocampal neurons. Brain Res Bull. 2006 May 31;69(6):680-6. Epub 2006 Apr 19.
[19] Sun H,Cheng XP,Ye ZY,Jiang P,Zhou JN.2007.Quercetin subunit specifically reduces GlyR-Mediated current in rat hippocampal neurons. Neuroscience 148 (2007) 548–559.
[20] Chesnoy Marchais D,Cathala L.2001.Modulation of glycine responses by dihydropyridines and verapamil in rat spinal neurons.Eur J Neurosci 2001 Jun;13(12):2195-204.
[21] Smart TG.1997.Regulation of excitatory and inhibitory neurotransmitter-gated ion channels by protein phosphorylation. Curr Opin Neurobiol.1997 Jun;7(3):358-67.
[22] Caraisxos VB,Mihic SJ,MacDonald JF,Orser BA.2002.Tyrosine kinases enhance the function of glycine receptors in rat hippocampal neurons and human alpha(1)beta glycine receptors.J Physiol.2002 Mar 1;539(Pt 2):495-502 .
[23] Caraiscos VB,Bonin RP,Newell JG,Czerwinska E,Macdonald JF,Orser BA.2007.Insulin increases the potency of glycine at ionotropic glycine receptors.Mol Pharmacol,2007 May;71（5）：1277-87.Epu 2007 Feb 16.
[24] Li Y,Xu TL.2002.State-dependent cross-inhibition between anionic GABA(A) and glycine ionotropic receptors in rat hippocampal CA1 neurons.Neuroreport,2002 Feb 11;13(2):223-6.
[25] Li Y,Wu LJ,Legendre P,Xu TL. 2003.Asymmetric Cross-inhibition between GABAA and Glycine Receptors in Rat Spinal Dorsal Horn Neurons.J Biol Chem. 2003 Oct 3;278(40):38637-45. Epub 2003 Jul 28.
本文转载自2009年《生物学教学》34: 5-6. |
