李曉麗 ，金孝岠 ，朋立超

（1.皖南醫(yī)學(xué)院附屬弋磯山醫(yī)院麻醉科，安徽 蕪湖 241001；2.上海復(fù)旦大學(xué)附屬上海市第五人民醫(yī)院麻醉科，上海 200240）

在神經(jīng)系統(tǒng)中，神經(jīng)元之間通過突觸相互聯(lián)系，形成環(huán)路系統(tǒng)，啟動(dòng)一系列生化級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致突觸的可塑性變化。突觸的可塑性變化是學(xué)習(xí)記憶的神經(jīng)基礎(chǔ)，尤其是長時(shí)程增強(qiáng)（long term potentiation,LTP）與學(xué)習(xí)記憶的研究較為深切。即刻早期反應(yīng)基因（immediate early genes，IEGs）是一組細(xì)胞經(jīng)外部刺激后最先表達(dá)的基因，是可被第二信使誘導(dǎo)轉(zhuǎn)錄的原癌基因［1］，是突觸誘導(dǎo)激活的基因。有研究［2］表明，在新版本的水迷宮試驗(yàn)中，大鼠完成學(xué)習(xí)任務(wù)后海馬相關(guān)基因Egr-1的表達(dá)上調(diào)。而在Egr-1基因敲除的小鼠的實(shí)驗(yàn)中，卻不能誘導(dǎo)出晚期LTP,說明Egr-1在相關(guān)突觸可塑性中起著重要的調(diào)節(jié)作用［3］。 H.Cheval等［4］指出，Egr-1 的活性依賴性調(diào)控，對(duì)于齒狀回突觸可塑性的建立和幾種記憶的鞏固再鞏固是非常重要的。本文就Egr-1表達(dá)以及參與學(xué)習(xí)記憶過程的機(jī)制通路的相關(guān)研究作一闡述。

1 Egr-1基因及蛋白的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

Egr-1基因又稱 Zif268、NGFI-A、Krox-24、Tis8，是IEGs中的一種，是含有3個(gè)鋅指結(jié)構(gòu)的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子［5］，其通過調(diào)控下游靶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)而廣泛影響細(xì)胞的功能，普遍存在于從酵母到人的真核細(xì)胞基因庫中。V.P.Sukhatime等［6］應(yīng)用原位雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)，Egr-1基因位于人的第5對(duì)染色體，編碼3.3 kb的成熟mRNA，其3’-端的非翻譯區(qū)域與其mRNA的不穩(wěn)定、容易降解有關(guān)聯(lián)。Egr-1基因的翻譯產(chǎn)物EGR-1由533個(gè)氨基酸殘基組成，分子量56.595 ku，可分為3個(gè)區(qū)域，N-末端的311個(gè)氨基酸殘基富含絲氨酸（16%）和脯氨酸（14.2%）殘基及蘇氨酸（7.9%）和丙氨酸（7.9%），這可能是磷酸化位點(diǎn)，調(diào)控著EGR-1的活性；C-末端116個(gè)氨基酸，亦富含上述4種氨基酸殘基，大多數(shù)脯氨酸殘基形成二級(jí)結(jié)構(gòu)，可能與配基的激活有關(guān)；中心區(qū)域由3個(gè)重復(fù)的28～30個(gè)氨基酸組成的單元相連而構(gòu)成，含有鋅指結(jié)構(gòu)，與其對(duì)DNA的黏附性有關(guān)。

2 Egr-1基因的功能

人們對(duì)Egr-1的結(jié)構(gòu)研究較多，但具體的生物學(xué)功能仍不清楚。近期逐漸轉(zhuǎn)向在體研究，轉(zhuǎn)基因小鼠的研究也見報(bào)道。許多研究提示Egr-1基因表達(dá)在長期記憶的形成過程中起著極為重要的作用，Egr-1基因的功能是通過調(diào)控結(jié)合于DNA的蛋白質(zhì)合成進(jìn)而調(diào)節(jié)通路下游靶基因的活性實(shí)現(xiàn)的［7］。1）Egr-1是真核細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，在信號(hào)傳導(dǎo)過程中起著重要的作用［8］。各種細(xì)胞外刺激信號(hào)（如藥物［9］、激素［10］、神經(jīng)遞質(zhì)多巴胺［11］等）通過第二信使激活轉(zhuǎn)錄因子，誘導(dǎo)Egr-1蛋白表達(dá)，EGR-1蛋白進(jìn)入細(xì)胞核與Egr-1基因的下游靶基因結(jié)合后轉(zhuǎn)錄，進(jìn)而影響靶基因的表達(dá)［12］。 而 N-甲基－D－天門冬氨酸（NMDA）受體阻滯劑［13］、氯化鑭［14］等可抑制Egr-1的表達(dá)。2）EGR-1下調(diào)Egr-1基因表達(dá)，這可能是一種反向自主調(diào)節(jié)機(jī)制［15］。3）Egr-1基因參與神經(jīng)細(xì)胞生長、發(fā)育、分化等生理過程。如神經(jīng)生長因子能誘導(dǎo)Egr-1基因表達(dá)，促進(jìn)細(xì)胞的生長和分化［16］，可間接影響學(xué)習(xí)記憶。

3 Egr-1基因與學(xué)習(xí)記憶

目前研究表明，海馬是腦內(nèi)學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的重要結(jié)構(gòu)部位之一。各種信號(hào)刺激進(jìn)入海馬，使突觸前膜釋放遞質(zhì)谷氨酸，作用于突觸后膜NMDA受體，使突觸后神經(jīng)元產(chǎn)生LTP,繼而激活即刻早期基因。LTP是突觸可塑性形式中的一種，反映了突觸水平上信息儲(chǔ)存過程。E.Pastalkova等［17］的實(shí)驗(yàn)表明，應(yīng)用蛋白激酶（PKMz）專一抑制劑阻斷海馬已形成的晚期LTP，能使存儲(chǔ)的空間記憶缺失。D.D.Pollak等［15］的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也同樣說明，海馬LTP能使突觸遞質(zhì)活性呈依賴性的增加，在同源小鼠中產(chǎn)生各種不同形式的學(xué)習(xí)和記憶。由此表明，LTP與海馬形成的學(xué)習(xí)記憶關(guān)系密切。

Egr-1是可以編碼鋅指結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)錄因子，在突觸可塑性和記憶的鞏固以及LTP的誘導(dǎo)和學(xué)習(xí)過程中都伴隨著Egr-1表達(dá)的增加［18］。Egr-1以及IEGs是神經(jīng)細(xì)胞在長期認(rèn)知記憶建立的重要分子機(jī)制［19］。組織損傷能引起動(dòng)物的海馬CA1區(qū)神經(jīng)元Egr-1水平的快速增加，Egr-1耦合細(xì)胞外信號(hào)和細(xì)胞內(nèi)基因表達(dá)，在海馬內(nèi)是通過刺激誘導(dǎo)出LTP而上調(diào)的。而在Egr-1基因敲除小鼠的實(shí)驗(yàn)中，卻不能誘導(dǎo)出晚期LTP,說明Egr-1在相關(guān)突觸可塑性中起著重要的調(diào)節(jié)作用［3］。在Egr-1突變的小鼠海馬齒狀回，LTP早期時(shí)相表現(xiàn)正常，但其晚期時(shí)相缺失，小鼠維持所得信息的能力缺失長達(dá)24 h。在學(xué)習(xí)任務(wù)中短期記憶正常，長期記憶受損，表明Egr-1表達(dá)水平的減少對(duì)空間學(xué)習(xí)記憶影響尤為敏感［13，20］。由此可見，Egr-1的表達(dá)是突觸可塑性從短期向長期轉(zhuǎn)變以及長期記憶形成必不可少的條件之一。

Egr-1基因通過轉(zhuǎn)錄表達(dá)翻譯成蛋白重新進(jìn)入核內(nèi)，與靶基因結(jié)合調(diào)控突觸可塑性相關(guān)的學(xué)習(xí)記憶。Egr-1所調(diào)控的靶基因很多。細(xì)胞骨架相關(guān)基因arc可能是Egr-1的靶基因之一，是一個(gè)突觸活性誘導(dǎo)的效應(yīng)分子，在晚期LTP和海馬依賴的學(xué)習(xí)記憶過程具有重要的作用［21］。 也有證據(jù)［22］表明，在強(qiáng)烈刺激的條件下，Egr-1可以單獨(dú)調(diào)控海馬CA1區(qū)晚期活性依賴性arc基因的轉(zhuǎn)錄。arc的表達(dá)對(duì)學(xué)習(xí)記憶的調(diào)節(jié)可以通過調(diào)節(jié)AMPA受體的放電來實(shí)現(xiàn)［1］。

Egr-1基因還可以通過激活脯氨酸相關(guān)激酶Cdk5、滅活蛋白磷酸酶PP1、促進(jìn)tau蛋白磷酸化，造成微管細(xì)胞骨架的不穩(wěn)定，影響學(xué)習(xí)記憶的過程。這也可能是阿爾茨海默病患者學(xué)習(xí)記憶認(rèn)知功能下降的原因之一［23］。

然而也有相反的研究［24］結(jié)論，認(rèn)為Egr-1活性和LTP存在負(fù)性關(guān)系，即能有效誘導(dǎo)LTP的刺激卻不能激活Egr-1,而不能誘導(dǎo)LTP的刺激卻能引起Egr-1的表達(dá)，認(rèn)為Egr-1的激活對(duì)于LTP既不必需也不充分。雖然Egr-1與LTP之間關(guān)系還有爭議，但鑒于大量研究發(fā)現(xiàn)Egr-1在學(xué)習(xí)記憶過程中的明顯變化，將其作為學(xué)習(xí)記憶功能的客觀指標(biāo)進(jìn)行研究成為可能。

4 影響Egr-1表達(dá)的可能機(jī)制

對(duì)于學(xué)習(xí)記憶誘導(dǎo)Egr-1基因表達(dá)的機(jī)制非常復(fù)雜。大量體內(nèi)和體外研究［25］表明，Egr-1 mRNA的表達(dá)可以被多種不同的受體激活調(diào)控，比如鈣離子、多巴胺受體、谷氨酸受體的所有亞型等，同樣這些受體也參與學(xué)習(xí)記憶的過程?？赡苁沁@些受體激活后，通過不同的第二信使系統(tǒng)，進(jìn)而激活不同的激酶級(jí)聯(lián)反應(yīng)，導(dǎo)致活化的Egr-1與靶基因啟動(dòng)子區(qū)域特異的結(jié)合位點(diǎn)作用而調(diào)控靶基因的轉(zhuǎn)錄表達(dá)［17］。

NMDA受體是親離子型谷氨酸受體的亞型，是學(xué)習(xí)記憶的過程中的關(guān)鍵物質(zhì)，并且是鈣離子的主要通道。鈣離子進(jìn)入突觸后膜，作為第二信使激活PKC和CaMKⅡ、CaMKⅣ，進(jìn)而磷酸化絲裂原活化蛋白激酶（MAPK），激活 MAPK通路。CaMK、多巴胺、腎上腺素受體還可以活化腺苷酸環(huán)化酶，cAMP激活蛋白激酶A（PKA），通過磷酸化Rap-1或抑制Ras磷酸化進(jìn)而活化MAPK途徑，激活Egr-1基因的轉(zhuǎn)錄，調(diào)控Egr-1基因的表達(dá)。

MAPK通路在突觸的可塑性具有重要的作用。隨著齒狀回 LTP的誘導(dǎo)，MAPK、ERK1、ERK2以及下游2個(gè)轉(zhuǎn)錄因子Elk-1和CREB在數(shù)分鐘內(nèi)過磷酸化。通過轉(zhuǎn)錄因子Elk-1和CREB分別結(jié)合于SRE和CRE位點(diǎn)調(diào)控Egr-1的轉(zhuǎn)錄,進(jìn)而進(jìn)一步影響突觸的LTP。應(yīng)用上游激酶MEK抑制劑，LTP誘導(dǎo)的ERK過磷酸化以及下游轉(zhuǎn)錄因子Elk-1、CREB和Egr-1mRNA的表達(dá)都會(huì)被阻滯，從而導(dǎo)致LTP的快速下降。

綜上所述，Egr-1與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系密切，并且觀察到學(xué)習(xí)記憶活動(dòng)后以及學(xué)習(xí)記憶損傷后，Egr-1基因表達(dá)呈現(xiàn)一定規(guī)律性的變化。Egr-1基因的變化同樣引起學(xué)習(xí)記憶的變化。在全身麻醉藥所致學(xué)習(xí)記憶變化的研究中，觀察Egr-1基因的表達(dá)狀況，來探討全身麻醉藥對(duì)學(xué)習(xí)記憶的影響機(jī)制，可為麻醉學(xué)提供一種更深入的研究方法。還可以Egr-1基因表達(dá)作為標(biāo)志物，發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)記憶過程所涉及腦內(nèi)的解剖結(jié)構(gòu)，有助于全面認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)記憶的機(jī)制。

5 結(jié)語

學(xué)習(xí)和記憶是大腦重要的高級(jí)神經(jīng)功能之一，也是構(gòu)成人類智能的要素。IEGs與學(xué)習(xí)記憶關(guān)系的研究取得了很大的進(jìn)展，但還有很多問題有待于闡明。例如與Egr-1相關(guān)的靶基因大約有30多種，如arc、Bim［26］等。 但與學(xué)習(xí)記憶有關(guān)的 IEGs 所調(diào)控的靶基因研究的較少，MAPK通路Egr-1的下游機(jī)制還不是很清楚。Egr-1與LTP之間的關(guān)系還有相互矛盾的地方。此外，除了MAPK途徑外可能還有未知的信號(hào)途徑參與長期記憶的儲(chǔ)存。近年來，關(guān)于術(shù)后認(rèn)知功能障礙（post-operative cognitive dysfunction，POCD）逐漸成為麻醉學(xué)研究的熱點(diǎn)，但具體發(fā)生機(jī)制到目前還不清楚。可以Egr-1基因表達(dá)作為標(biāo)志物研究全身麻醉后的學(xué)習(xí)記憶功能的改變，并探討其發(fā)生的可能機(jī)制。這些都需要進(jìn)一步的研究、探索和證實(shí)。

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