多巴胺胞體樹突釋放的分子機(jī)制
隨著囊泡釋放理論的健全和研究手段的進(jìn)步，人們也逐漸開始了解多巴胺的釋放機(jī)制和一些特殊性質(zhì)，以下是小編整理推薦的一篇探究多巴胺胞體樹突釋放的的論文范文，供大家閱讀借鑒。
前言
1957年，當(dāng)瑞典人Arvid Carlsson第一次提出多巴胺(Dopamine, DA)可能是腦內(nèi)的一種內(nèi)源性神經(jīng)遞質(zhì)時(shí)并沒有引起多大的反響，甚至伴隨的是諷刺和挖苦。若干年后，Carlsson于2000年斬獲了諾貝爾獎(jiǎng)，而多巴胺也成為目前研究最為熱門的非經(jīng)典遞質(zhì)。60年前，人們僅僅知道補(bǔ)充多巴胺能夠使利血平處理過的動(dòng)物蘇醒，是緩解運(yùn)動(dòng)功能障礙的利器。今天，人們則了解到，多巴胺更是維持正常精神活動(dòng)必不可少的因素，參與到腦活動(dòng)的各個(gè)方面。大量的研究已經(jīng)清晰地闡明了多巴胺系統(tǒng)在腦內(nèi)的幾條重要環(huán)路和調(diào)控機(jī)制，而由于多巴胺神經(jīng)元的一些特殊性質(zhì)和研究手段的匱乏，對(duì)于分子水平上，多巴胺神經(jīng)元究竟是如何將遞質(zhì)釋放出胞外的所知仍較局限。
經(jīng)典的神經(jīng)遞質(zhì)釋放理論認(rèn)為：神經(jīng)遞質(zhì)包裝在囊泡中并聚集在突觸末梢，突觸末梢稱為活性區(qū)(active zone)的特殊結(jié)構(gòu)則集中了囊泡釋放和調(diào)控的主要部件，在鈣離子大量涌入末梢時(shí)通過鈣離子感受器(主要是Synaptotagmin)觸發(fā)一系列的分子機(jī)器，最終通過SNARE蛋白使囊泡與末梢融合并將神經(jīng)遞質(zhì)釋放到胞外。該理論完美地解釋了中樞神經(jīng)系統(tǒng)絕大多數(shù)神經(jīng)元(主要是Glutamate和 GABA 能等快突觸神經(jīng)元)電信號(hào)與化學(xué)信號(hào)的轉(zhuǎn)換機(jī)制并于今年獲得了諾貝爾生理學(xué)獎(jiǎng)。然而，生物學(xué)領(lǐng)域從來都是多樣和復(fù)雜的。腦內(nèi)的調(diào)質(zhì)系統(tǒng)例如單胺類、神經(jīng)肽、神經(jīng)營(yíng)養(yǎng)蛋白的釋放等卻并不完全遵循這種經(jīng)典傳遞方式，多巴胺就是這類遞質(zhì)的典型代表。多巴胺神經(jīng)元除了可以在神經(jīng)末梢釋放多巴胺以外，也可以在胞體和樹突上釋放，即所謂的胞體樹突釋放。這種釋放方式顛覆了傳統(tǒng)認(rèn)為的軸突到樹突或軸突到軸突的單向信號(hào)傳遞方向，而是一種樹突到樹突的雙向調(diào)控。
1、 多巴胺胞體樹突釋放的發(fā)現(xiàn)
在網(wǎng)絡(luò)層面上，多巴胺神經(jīng)元的神經(jīng)通路主要有兩條，分別是協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的黑質(zhì)(SNc)-紋狀體(Striatum)通路和主要影響情緒和高級(jí)認(rèn)知功能的中腦腹側(cè)被蓋區(qū)(VTA)-邊緣系統(tǒng)(limbic system)通路。由于遍布多巴胺神經(jīng)末梢，紋狀體和伏隔核(NAc, nucleus accumbens, 隸屬邊緣系統(tǒng))也成為腦內(nèi)多巴胺濃度最高的區(qū)域。在細(xì)胞水平上，有別于經(jīng)典的一對(duì)一的突觸結(jié)構(gòu)，多巴胺神經(jīng)元末梢形成直徑為0.1~0.5 mm的曲張?bào)w。雖然這些末梢也可以形成對(duì)稱性突觸，但由于含多巴胺的囊泡并不在突觸周邊聚集，而且多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體(dopaminetransporter, DAT)往往彌散地分布在末梢，因此提示多巴胺的釋放并不局限于突觸部位。
在多巴胺發(fā)現(xiàn)后不久，的確有許多證據(jù)提示多巴胺的釋放可能不僅僅局限在末梢。首先，隨著多巴胺標(biāo)記手段的進(jìn)步，人們發(fā)現(xiàn)除了多巴胺神經(jīng)元末梢，多巴胺神經(jīng)元胞體所聚集的SNc和樹突集中的SNr也可以檢測(cè)到多巴胺的存在。另外，注射3H標(biāo)記的多巴胺可以在多巴胺神經(jīng)元胞體和樹突上聚集，這說明多巴胺神經(jīng)元的胞體和樹突擁有重?cái)z取多巴胺的功能。最后，局部SNc區(qū)注射多巴胺可以抑制多巴胺神經(jīng)元的電活動(dòng)，而且這種抑制可以被多巴胺受體拮抗劑所翻轉(zhuǎn)。
這提示胞體和樹突上存在多巴胺受體。由于SNc區(qū)不存在多巴胺神經(jīng)元末梢，這些受體的存在提示：多巴胺可能來源于其它渠道。胞體樹突釋放最直接的證據(jù)來自于1976年Leslie L. Iversen 實(shí)驗(yàn)室所做的多巴胺釋放實(shí)驗(yàn)。首先他們將僅僅含有樹突和胞體的腦片孵育在3H標(biāo)記的多巴胺溶液中，以此標(biāo)記多巴胺遞質(zhì)，沖洗后在高鉀的刺激下，他們檢測(cè)到了清晰的多巴胺釋放信號(hào)，并且這種釋放依賴鈣離子內(nèi)流。之后，在體的研究也獲得了類似的結(jié)果，由此多巴胺神經(jīng)元的胞體樹突釋放得以確定。
2、 多巴胺胞體樹突釋放的主要研究手段
多巴胺胞體樹突釋放的研究主要集中于SNc和VTA。而之所以稱為胞體樹突釋放是由于SNc或VTA腦區(qū)的胞體和樹突交聯(lián)在一起而無(wú)法區(qū)分。雖然SNr是多巴胺神經(jīng)元的樹突投射區(qū)，但目前幾乎沒有人將其隔離研究。其次，雖然胞體樹突釋放在SNc和VTA都發(fā)生，大部分的研究仍集中在SNc，主要是因?yàn)镾Nc中沒有多巴胺神經(jīng)元末梢，研究起來比較方便。而VTA則存在自身投射。另外，多巴胺胞體樹突釋放主要采用的模式生物是豚鼠，而不是大鼠或小鼠，主要原因是采用電化學(xué)方法，豚鼠的SNc幾乎只有多巴胺可以響應(yīng)，而大鼠或小鼠中則存在NA或5-HT從而導(dǎo)致信號(hào)不純。對(duì)于興奮性和抑制性神經(jīng)遞質(zhì)，由于其釋放會(huì)產(chǎn)生明顯的電流反應(yīng)，可以采用突觸后電流的大小來表示釋放量的多少。由于多巴胺并不在目標(biāo)區(qū)產(chǎn)生明顯的電活動(dòng)，這種方法也受到局限。目前常用的多巴胺釋放的檢測(cè)手段有以下幾種：
2.1 同位素標(biāo)記
由于多巴胺神經(jīng)元本身可以攝取多巴胺，可以采用3H標(biāo)記的多巴胺來孵育神經(jīng)元，孵育結(jié)束后通過測(cè)量灌流液中放射性的強(qiáng)度來衡量多巴胺的釋放量。我們上文所提到的證明多巴胺胞體樹突釋放存在的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)即采用這種方法。為降低這種方法的背景噪音，也可以標(biāo)記多巴胺的前體-酪氨酸，由于酪氨酸羥化酶在特定腦區(qū)為多巴胺神經(jīng)元所獨(dú)有，由此產(chǎn)生的帶有放射性的多巴胺則主要來自多巴胺神經(jīng)元。另外也可以采用11C標(biāo)記的受體拮抗劑來進(jìn)行，這種方式往往用于無(wú)損傷的在體實(shí)驗(yàn)，即采用PET的方法進(jìn)行。同位素標(biāo)記的方法由于靈敏度較高今天仍被大量使用，但主要的缺點(diǎn)是條件要求受限，且時(shí)間分辨率很低。
2.2 微透析結(jié)合高效液相
這種方法在微透析探針中通過循環(huán)腦脊液在特定腦區(qū)采集樣品，之后采用HPLC檢測(cè)。早期由于檢測(cè)器靈敏度不高，只能采用多巴胺代謝產(chǎn)物如DOPAC、HVA來衡量多巴胺的含量。但由于多巴胺的量與代謝產(chǎn)物關(guān)系并不明確，這種方法并不可靠。隨著高效液相(HPLC)靈敏度的提高，特別是電化學(xué)檢測(cè)器(ECD)的發(fā)展，直接的痕量水平的多巴胺檢測(cè)成為可能(~25 pg)。采用這種方法可以很容易地同時(shí)檢測(cè)各種遞質(zhì)，并且可以在自由活動(dòng)的動(dòng)物上進(jìn)行。但這種方法的主要缺點(diǎn)仍然是時(shí)間分辨率較低，往往一個(gè)采樣點(diǎn)需要10~30分鐘。
2.3 伏安法
多巴胺的檢測(cè)也可以采用電化學(xué)方法，利用多巴胺容易被氧化的特性，在特定電壓(700~1 200mV)下，多巴胺在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，產(chǎn)生電流。目前這種方法主要采用碳纖維電極進(jìn)行，主要原因是材料穩(wěn)定并且易于加工。這種方法檢測(cè)速度很快(~100 Hz)，并且可以檢測(cè)極小范圍內(nèi)的多巴胺變化。主要的問題是系統(tǒng)不易穩(wěn)定，碳纖維本身的加工工藝要求較高，另外也并不能夠確定被檢測(cè)物是否為多巴胺，需要其他方法輔助驗(yàn)證。改進(jìn)的方法是在碳纖維之上再鍍一層膜，膜本身只對(duì)特定被檢測(cè)物有通透性，以此來提高檢測(cè)的特異性，但由于通透效率的影響，這種方式也降低了靈敏度。
2.4 光學(xué)方法
最近，哥倫比亞大學(xué)的Sulzer教授等人合成了一系列多巴胺類似物的熒光染料(FFN511, FFN，這種染料可以被囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體(VMAT2)轉(zhuǎn)運(yùn)至囊泡內(nèi)從而可以特異性地標(biāo)記多巴胺神經(jīng)元囊泡。通過檢測(cè)多巴胺神經(jīng)元的熒光衰減速度來衡量多巴胺釋放量。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以觀察單個(gè)突觸末梢，甚至是單個(gè)多巴胺囊泡的釋放行為。
2.5 檢測(cè)突觸電流
由于多巴胺受體中并沒有離子型受體，這導(dǎo)致多巴胺釋放本身并不能直接引起突觸后電流。但事實(shí)上，D2受體可以間接激活一種GIRK電流從而引起IPSC。通過檢測(cè)這種電流也可以衡量多巴胺釋放量。這種電流不僅僅能夠在同步刺激時(shí)記錄到，甚至在樹突囊泡自發(fā)釋放時(shí)也可以記錄到。
3、 多巴胺胞體樹突釋放的分子機(jī)制
雖然多巴胺能夠在胞體和樹突釋放早已被確定，關(guān)于其釋放機(jī)制的研究卻剛剛起步。對(duì)于多巴胺胞體釋放的分子機(jī)制的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：
3.1 囊泡的釋放和儲(chǔ)存
一個(gè)重要的問題是多巴胺胞體樹突釋放的形式。有研究指出胞體樹突的多巴胺釋放可能通過多巴胺轉(zhuǎn)運(yùn)體的逆轉(zhuǎn)運(yùn)進(jìn)行。然而，更多的證據(jù)則表明多巴胺在胞體或樹突的釋放也是以囊泡的形式進(jìn)行。首先，用肉毒桿菌毒素破壞SNARE復(fù)合體可以完全抑制胞體樹突的多巴胺釋放，說明它們與經(jīng)典的囊泡釋放共享某些通路;其次，囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體抑制劑可以抑制多巴胺的釋放，證明其依賴囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體的攝取功能。
更直接的證據(jù)是，胞體上可以記錄到明顯的量子化事件，這說明多巴胺在釋放前已經(jīng)以一定的形式進(jìn)行包裝。在多巴胺的胞體或者樹突部位主要存在兩種囊泡：小清亮突觸囊泡(SSV)和大致密核心囊泡(LCDV)。由于二者都存在囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體，一般認(rèn)為多巴胺在二者中都存在。早期人們認(rèn)為多巴胺的釋放主要來源于大致密核心囊泡中，而近期通過伏安法對(duì)囊泡大小的估計(jì)以及電鏡觀察的結(jié)果則表明多巴胺主要通過小清亮突觸囊泡釋放，并且其釋放量的大小可以被調(diào)節(jié)。
另外，含有多巴胺的小清亮突觸囊泡的釋放過程也與快速神經(jīng)元有所區(qū)別。在快速神經(jīng)元末梢，通常情況下小清亮突觸囊泡的釋放主要通過囊泡全融合(full collapse)或者形成暫時(shí)的融合孔(kissand run)的方式進(jìn)行。而含有多巴胺的小清亮突觸囊泡則擁有更復(fù)雜的釋放方式，例如在釋放位置產(chǎn)生多次的融合口，從而分多次將遞質(zhì)釋放出胞外。值得注意的`是，雖然多巴胺的胞體樹突釋放通過囊泡進(jìn)行，電鏡觀察的結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)胞體和樹突上的囊泡數(shù)目很少，并不能夠滿足釋放的需要。由于大量的囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體事實(shí)上存在于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中(ER)，因此認(rèn)為：胞體樹突釋放的多巴胺主要存儲(chǔ)在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中，在需要時(shí)通過生成囊泡釋放。
3.2 鈣離子
腦內(nèi)絕大多數(shù)遞質(zhì)的釋放高度依賴鈣離子內(nèi)流。與其他神經(jīng)元末梢釋放類似，多巴胺的胞體樹突釋放也依賴鈣離子內(nèi)流，但胞體樹突釋放所依賴的鈣離子通道也與其它末梢有所不同。末梢多巴胺的釋放與快速神經(jīng)元突觸一樣，主要依賴N、 P/Q 型離子通道，而胞體樹突釋放則主要依賴T、O 或者R 型鈣離子通道。甚至有一小部分多巴胺神經(jīng)元并不依賴鈣離子通道的激活。另外胞體樹突多巴胺釋放對(duì)鈣離子的依賴程度也有所不同。在末梢的多巴胺釋放難以維持的鈣濃度下(< 0.5 mM)，胞體樹突的多巴胺仍可以維持釋放。采用電化學(xué)方法對(duì)多巴胺神經(jīng)元鈣感受器的測(cè)試表明，胞體樹突釋放的EC50只有0.3 mM，而末梢則高達(dá)2 mM(37)。這些結(jié)果都提示胞體樹突多巴胺釋放對(duì)鈣離子的敏感程度更高，也提示胞體樹突多巴胺釋放可能擁有完全不同的鈣離子感受器。與此相應(yīng)的是： 多巴胺神經(jīng)元也表達(dá)相當(dāng)數(shù)量的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)APT酶(SERCA)、IP3和RyR受體，這說明多巴胺神經(jīng)元很容易調(diào)動(dòng)內(nèi)鈣系統(tǒng)。而且電化學(xué)的研究表明這些內(nèi)鈣的釋放的確可以增強(qiáng)胞體樹突多巴胺釋放。
3.3 多巴胺胞體樹突釋放的分子機(jī)器
囊泡的釋放不僅僅依賴鈣離子內(nèi)流，更依賴于鈣離子所激活的一系列的蛋白，從而觸發(fā)整個(gè)鏈?zhǔn)椒磻?yīng)將囊泡推送出胞外。這其中最為關(guān)鍵的是SNARE復(fù)合物和鈣離子感受器Synaptotagmin家族。
胞體樹突多巴胺釋放的諸多環(huán)節(jié)與末梢大不相同，這提示它可能擁有獨(dú)特的囊泡釋放系統(tǒng)。雖然胞體樹突多巴胺釋放也依賴SNARE復(fù)合體，藥理學(xué)實(shí)驗(yàn)也表明： 多巴胺神經(jīng)元的SNARE對(duì)肉毒桿菌毒素B(破壞SNARE復(fù)合體中的synaptobrevin組分，可以抑制末梢多巴胺釋放)完全不敏感。這說明至少胞體樹突釋放的SNARE有些特殊。相應(yīng)的，免疫組化的研究也的確表明多巴胺神經(jīng)元缺乏常規(guī)的synaptobrevin1組分。另一方面，多巴胺神經(jīng)元并不表達(dá)常規(guī)神經(jīng)元中的Synaptotagmin 1和2(鈣離子感受器)，而是高表達(dá)了鈣結(jié)合能力更強(qiáng)的Synaptotagmin 7, 這可能與胞體樹突多巴胺釋放對(duì)鈣離子比較敏感有關(guān)。然而，需要指出的是：
盡管多巴胺神經(jīng)元胞體樹突的囊泡釋放通路很特別，它還是共享了很多組分，例如syntaxin3、synaptobrevin2和SNAP-25。有意思的是，多巴胺胞體表達(dá)了囊泡單胺轉(zhuǎn)運(yùn)體和質(zhì)子泵(用于攝取多巴胺進(jìn)入囊泡)，這與胞體釋放相符。但這些蛋白在遠(yuǎn)端樹突卻很少見到，這提示樹突上的釋放可能依賴從胞體轉(zhuǎn)運(yùn)囊泡，當(dāng)然也可能存在其他通路，例如前面提到的DAT的反轉(zhuǎn)運(yùn)。
3.4 多巴胺胞體樹突釋放的調(diào)節(jié)
與其他種類的釋放一樣，多巴胺的胞體樹突釋放也受到多方面的調(diào)節(jié)。一方面多巴胺神經(jīng)元自身所表達(dá)的離子通道、轉(zhuǎn)運(yùn)體以及受體可以對(duì)多巴胺釋放產(chǎn)生直接影響;另一方面多巴胺的釋放也間接受到很多外部神經(jīng)投射的調(diào)節(jié)。
自身方面，多巴胺的胞體樹突釋放可以被局部注射TTX阻斷而被去極化增強(qiáng)，說明神經(jīng)元自身的電活動(dòng)可以明顯影響遞質(zhì)的釋放量。多巴胺受體本身對(duì)于多巴胺的釋放也有不容忽視的調(diào)節(jié)作用。多巴胺受體特別是D2類受體(主要是D2、D3和D4受體，以D2受體最多)在VTA和SNc腦區(qū)胞體和樹突具有較高的表達(dá)量。D2受體激活可以激活一種鉀離子通道，從而降低多巴胺神經(jīng)元的興奮性而抑制釋放。有證據(jù)表明，直接微注射D2受體阻斷劑到多巴胺神經(jīng)元胞體可以增強(qiáng)多巴胺神經(jīng)元的電活動(dòng)，說明多巴胺神經(jīng)元的活動(dòng)一直處在D2受體的調(diào)節(jié)下。而另外一個(gè)重要的調(diào)節(jié)因素則是DAT的表達(dá)量。DAT是調(diào)節(jié)多巴胺末梢含量和動(dòng)力學(xué)的重要環(huán)節(jié)。DAT的表達(dá)量在末梢遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于在胞體和樹突上，這就導(dǎo)致胞體和樹突釋放的多巴胺并不能很快地被清除，從而對(duì)多巴胺神經(jīng)元自身產(chǎn)生更長(zhǎng)效的影響。
多巴胺神經(jīng)元的胞體樹突釋放也受到很多外部遞質(zhì)的影響，其中最為直接的是GABA和Glutamate。在VTA或SNc，有約15%~20%的GABA能神經(jīng)元存在，多巴胺神經(jīng)元也接受大量外部GABA能投射，而多巴胺神經(jīng)元在胞體和樹突上也存在GABAA和GABAB受體。功能方面，這些受體的直接激活可以明顯抑制多巴胺神經(jīng)元的放電和多巴胺的釋放。而有意思的是，直接局部注射GABAA激動(dòng)劑muscimol卻可以增強(qiáng)多巴胺的胞體樹突釋放，可能是通過抑制局部的GABA能神經(jīng)元而作用于局部網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行的。多巴胺神經(jīng)元胞體和樹突表達(dá)幾乎所有種類的谷氨酸受體。
直接激活A(yù)MPA受體可以明顯增加多巴胺釋放，而阻斷AMPA受體對(duì)多巴胺本身的電活動(dòng)和局部釋放卻沒有明顯的作用，但可以抑制多巴胺在mPFC腦區(qū)的釋放。而與AMPA受體截然不同的是，局部NMDA受體的激活則顯著改變多巴胺神經(jīng)元的放電模式(從單放電變?yōu)榇烹?并強(qiáng)烈促進(jìn)多巴胺的釋放。
4、 多巴胺樹突釋放的意義
目前人們認(rèn)為多巴胺胞體樹突釋放的主要生理作用是反饋調(diào)節(jié)，這又分為兩種方式：一種是通過作用于胞體和樹突上的D2受體，激活自身的鉀離子電流(主要是GIRK通道)從而降低自身的電活動(dòng)和末梢釋放。另外一種則是通過激活局部GABA神經(jīng)元上的D1受體興奮這些神經(jīng)元，從而降低多巴胺神經(jīng)元向外的投射。這兩種調(diào)節(jié)方式對(duì)于多巴胺釋放可以達(dá)到一種穩(wěn)態(tài)的平衡作用，并可以通過控制胞體樹突多巴胺的釋放量和不同受體的表達(dá)量達(dá)到精確地調(diào)控。這種調(diào)節(jié)往往對(duì)于維系正常的運(yùn)動(dòng)功能具有重要作用。有證據(jù)表明，多巴胺胞體樹突釋放在動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)中起到重要作用。而一些多巴胺相關(guān)的疾病例如帕金森氏病中，運(yùn)動(dòng)功能的損傷也不僅僅是由于SNc腦區(qū)多巴胺神經(jīng)元數(shù)目的減少，更取決于中腦和紋狀體多巴胺的釋放以及對(duì)釋放的調(diào)節(jié)。由于多巴胺釋放的失調(diào)往往同時(shí)也是多種精神疾病(例如精神分裂癥)的主要原因，多巴胺胞體樹突釋放也可能在其中發(fā)揮重要作用。
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