乙酰胆碱及受体的作用和与人类健康的关系.doc

乙酰胆碱及受体的作用和人类健康王帅（09级辽宁大学生命科学院生物技术专业本科生 291303118） 摘要 乙酰胆碱( acetylcho line, ACh) 是一种经典的兴奋性神经递质, 通过结合特异受体, 在神经细胞之间或神经细胞与效应器细胞之间中起着信息传递作用。ACh 及其受体存在于从细菌到人类、从神经细胞到其他多种非神经细胞中, 提示它是一类与系统发生相关的古老分子, 可能不仅仅具有作为生理性递质的传递功能。多种人类疾病与ACh 及其受体相关, 尤其是近年来的研究发现ACh 及其受体在多种肿瘤中发挥自分泌和旁分泌因子作用, 参与细胞的生长调节, 甚至与肿瘤的发生发展相关。因此, ACh 涉及到神经系统外非胆碱能传递的作用显得格外引人注目, 可能成为新的肿瘤治疗靶标。 关键词 受体； 乙酰胆碱；人类健康；肿瘤1 乙酰胆碱及其受体简述 乙酰胆碱( acetylcho line, ACh) 是一种经典的兴奋性神经递质, 包括外周神经如运动神经、自主神经系统的节前纤维和副交感神经节后纤维均合成和释放这种神经递质。ACh 由胆碱( choline) 和乙酰辅酶A 合成, 由胆碱乙酰化酶( choline acety lase, ChAT ) 催化,随后进入囊泡贮存。当动作电位沿神经到达神经末梢时, 触发神经末梢Ca2+ 通道开放,囊泡与突触前膜融合、破裂, ACh 释放入突触间隙或接头间隙, 作用于突触后膜或效应细胞膜的乙酰胆碱受体( acet ylcholine recepto rs, AChRs) 引起生理效应。其中位于副交感神经节后纤维所支配的效应器细胞膜的胆碱受体对以毒蕈碱为代表的拟胆碱药较为敏感, 故称为毒蕈碱型胆碱受体( muscar inic acet ylcho line receptor s, mAChRs) ; 位于神经节细胞膜和骨骼肌细胞膜的胆碱受体对烟碱比较敏感, 故称为烟碱型胆碱受体( nicot inic acety lcholine r ecepto rs,nAChRs) 。mAChRs 属于G 蛋白偶联受体家族, nAChRs 是配体门控的离子通道蛋白1 , 属于具有共同起源的半胱氨酸环受体家族, 在中枢神经系统、周围神经系统和肌肉组织广泛表达。2 乙酰胆碱受体与疾病 神经肌肉接头处的烟碱型受体是第一个被认识和命名的受体, 也是第一个采用电生理手段进行研究及获得生化性质的受体。在哺乳类, nAChRs 可分为肌肉和神经2 种类型, 肌肉型nAChRs 亚单位种类和组合形式比较固定, 位于神经肌肉接头处, 介导神经与肌肉间的递质转换作用; 而神经型nAChRs 虽然也由类似的5 个亚单位构成, 但亚单位类型和组合形式变化极大, 是神经系统nAChRs 功能复杂化的分子基础。除原始的神经肌肉间和运动自主神经细胞间的快速神经递质转换作用之外, nAChRs 还与多种中枢神经系统的功能有关, 包括随意运动、记忆及注意、睡眠及清醒、喜悦及痛苦和忧愁等。已证明多种人类神经系统疾病是由于nAChRs 基因遗传变异的结果, 如先天性肌无力、常染色体显性夜发癫癎及精神分裂症、帕金森病、阿尔茨海默病及图雷特综合征都在某种程度上与nAChRs 有关2 4 。越来越多的实验证据表明帕金森病与nAChRs 关系密切5 , 帕金森病主要是由于大脑黑质和纹状体内的神经递质多巴胺减少,使ACh 作用相对亢进, 造成动作减少和肌张力强直等病症。所以现代医学治疗帕金森病, 一是增强多巴胺的作用, 二是降低ACh 的作用, 使二者的相互作用达到一种新的低于正常水平的平衡状态。nAChRs 在不同生理情况下有不同的状态( 开启或者关闭) , 在特定的情况下相互交替。最近发现一些nAChRs 的突变改变了这种状态( 如长时间的处于开启状态或者过于快速脱敏) 而改变了受体的功能导致疾病发生。如基因分析发现染色体20q13. 2 和常染色体显性遗传性夜间额叶癫癎( autosomal dominant nocturnal fro ntal lobe epilepsy,ADNFLE) 表型存在连锁关系 6 , AChR 的4 基因定位在染色体的这个区域。ADNFLE 患者的AChR 的4 基因的一个单核苷酸的改变导致M 2 跨膜区一个关键氨基酸的置换,使得离子通道的选择性质发生强烈改变 7 。慢通道先天性肌萎缩综合征( slow channel congenitalmy asthenic syndr omes, SCCMS) 是由于nAChR 突变造成离子通道长时间的不正常开启并且比野生型受体更容易被尼古丁激动 8 , 在临床上表现为重症肌无力。基因分析发现结合 亚基G153S 位点的突变导致SCCMS 长时间开启的典型症状。除此之外, M1 跨膜区N217K 和M2 跨膜区V249F 的突变也导致该症状。除亚基的改变外亚基的M2 区域L269F 和T264P 位点以及亚基的V266M 位点的突变也会导致SCCMS 表型。重症肌无力( myasthenia gr avis, MG) 是典型的累及神经肌肉接头处突触后膜AChR 的自身免疫性疾病 9 , 是由乙酰胆碱受体抗体( acetylcholine r eceptor s antibo dy , AChRAb)介导的具有细胞免疫依赖性、补体参与的自身免疫性疾病,病变是属于外周性的。临床特征为部分或全身骨骼肌易于疲劳, 其发病机制为体内产生了AChRAb, 在补体的参与下和AChR 发生免疫应答反应, 破坏了大量的AChR, 导致突触后膜传递障碍而产生肌无力。在MG 患者中, 80% 90%患者血清中可测到AChRAb, 但是却不能解释临床上为什么有10% 20%的典型患者, 其血中检测不到所谓的特异性致病因子AChRAb 10 ( 称为抗体阴性重症肌无力) , 也不能解释为什么为数不少的抗体阳性重症肌无力抗体滴度与临床症状轻重程度之间不相吻合的问题。大量临床资料中发现, 有相当多数量的MG 患者合并其他自身免疫性疾病, 如甲状腺功能亢进、甲状腺炎、系统性红斑狼疮、类风湿关节炎、天疱疮等等, 因此认为MG 也是一种自身免疫性疾病。AChRAb 的产生有赖于CD4+ 和CD8+ T辅助( Th) 细胞分泌的细胞因子11 。因此, 在MG 细胞免疫紊乱的研究中细胞因子网络失衡已成为研究热点。根据分泌细胞因子的不同, Th 可分为2 个亚群: Th1 和Th2。Th1主要分泌IL-2、IL-12、IFN-7、穿孔素、TNF-、T GF- ; Th2 主要分泌IL-4、IL-5、I L-6、IL-10, 其中IL-4 和IL-5 可促使B 细胞转化为浆细胞, 并促进IgG 的产生。同时研究者发现在临床上这种自身免疫病与恶性肿瘤高发率相关。可见在累及到ACh 导致的疾病范围已经超出了神经递质传导神经兴奋的范畴, 它或多或少与免疫系统的关系极为密切。3 非神经细胞的乙酰胆碱能系统( non-neuronal cholinergicsystem)非神经性乙酰胆碱系统包括乙酰胆碱、胆碱乙酰转移酶、胆碱酯酶、毒蕈碱乙酰胆碱能受体和烟碱胆碱能受体,广泛地存在于角质化细胞、肿瘤细胞、内皮细胞、胶质细胞、上皮细胞、淋巴细胞、生殖器官等非神经性细胞和组织,参与这些细胞和组织的功能调节,并与一些疾的病理生理变化相关。非神经性乙酰胆碱系统不但与神经性乙酰胆碱系统不尽相同,而且不同组织的非神经性乙酰胆碱系统也不完全一样。正是由于非神经细胞的乙酰胆碱能系统在人体内广泛表达, 如上皮细胞( 皮肤、呼吸道、消化道) 和免疫细胞( 淋巴细胞) 表达非神经依赖的胆碱能系统的全部成分, 同时ACh的作用涉及到这些非神经依赖的细胞基本生物学功能的调节, 例如增殖、分化、介质( 一氧化氮、促炎症细胞因子等) 的释放、细胞骨架的组装、运动、分泌和纤毛运动 13 15 。因此,非神经细胞的乙酰胆碱! 或 非神经细胞的胆碱能系统! 的概念被提出14, 15 。同时这些发现, 使得人们不得不重新认识ACh 在人体或者更广泛的生物系统中的概念以适应这2种角色: 非神经细胞的ACh 作为一种局部的信号分子涉及到细胞形态和功能的调节; 神经细胞的ACh 作为神经递质分子介导神经细胞和效应分子间的快速交流。2 种不同的ACh 需要不同结构和功能的胆碱能系统, 可以认为这种差别是在进化中产生的, 也可以推测非神经细胞的胆碱能系统作为1 种模式在神经系统进化并优化和适应了成为神经递质作用的神经细胞的胆碱能系统。神经细胞合成的ACh 与非神经细胞合成的ACh 在许多方面存在着差异。检测呼吸道上皮组织中的ACh 时发现在胆碱能神经元和非神经细胞中ACh 的贮存能力是显著不同的 17 。与神经细胞合成的ACh 释放机制不同, 在人胎盘上皮细胞中ACh 是通过有机离子运载体( or ganic cationtr anspor ters, OCTs) 释放的 18 , 其结构和功能显然不同于神经细胞合成的乙酰胆碱能系统, 它是由动作电位导致囊泡释放, 而OCTs 是浓度梯度持续激活的。神经细胞来源的AChR 的分布( 例如高浓度尼古丁受体集中分布在神经突触或运动终板) 和ChAT 的高活性部位都非常靠近释放囊泡,以适应快速传递神经冲动的需要。但是在非神经细胞中AChR 的分布特征还未知, 另外, ChAT 的活性在非神经细胞较低, 例如在胎盘可以在不阻断ChAT 活性的情况下来检测ACh19 。胆碱能神经元中ACh 的合成在神经末梢, 而前面已经提到非神经细胞中抗ChAT 免疫反应发现ACh 在细胞中广泛分布, 包括细胞核, 表明ACh 在整个细胞合成。在神经细胞, ACh 贮存在转运囊泡里, 便于ACh 迅速释放产生神经冲动的传递。非神经细胞则不需要在囊泡里贮存, 甚至非神经细胞合成的ACh 是否贮存也未知, 是一定存在着一个持续的合成、传递、释放和水解的平衡过程, 而这种平衡一旦被打破或许将引起异常的生物学活动。非神经细胞的乙酰胆碱能系统的存在支持非神经细胞的ACh 作为一个持续的局部信号分子涉及调节细胞的基本生物学功能。在这里, ACh 似乎是一个最佳选分子, 因为它可以通过多样化受体和它的电荷性质或多或少涉及细胞信号途径。非神经胞的胆碱能系统的广泛存在, 以及众多亚型的受体偿作用所削弱。但是无论如何, 非神经细胞的胆碱能系使得ACh 病理作用的鉴定非常复杂。例如一个成分的作用可以被其他成分( AChRs、AChT 和AChE) 的代统的病理作用确实存在。Scott 等20 曾报道ACh 水平在炎症性皮肤疾病中升高, 类似的这些工作最近也被证实, 在遗传性过敏性皮炎的患者2 mm 皮肤层中( 主要是上皮组织) ACh 水平上升了14 倍 21 。非神经细胞的胆碱能系统表达于免疫细胞和黏膜表面, 这给出一个最初的提示: 非神经细胞合成的ACh 可能涉及炎症反应。在遗传性过敏性皮炎患者的湿疹和非湿疹皮肤部位甚至在患者的口腔黏膜都发现ACh 水平升高, 说明在这些病人中这是一种普遍的现象。另外, 用于治疗炎症疾病的肾上腺皮质激素可以显著降低ACh 和AChT 水平, 对非神经细胞的ACh 的抑制作用可以协助提高临床使用类固醇的效果 22 。有实验显示刺激ACh 的释放可以增加兔呼吸道对Alter na ria tenuis 的免疫反应 23 。虽然迁移的免疫细胞的增加、AChT 和AChE 的活力的改变和细胞内ACh 的转运和释放还有待进一步阐明, 但是ACh水平的提高显然加速了炎症反应进程。总之, 非神经细胞的胆碱能系统在非神经细胞中的广泛表达, 表明它是一个局部的调节系统对细胞和组织的稳态有着重要作用。对于确认非神经细胞中胆碱能系统中的各种细节的研究还有待于深入, 它的生物学和病理学的作用应该得到更清晰地阐明, 并有可能成为新的治疗靶标。因此,ACh 和nAChRs 在非神经细胞中的存在提示重新认识ACh在人体功能的时候已经到来。4 尼古丁乙酰胆碱受体（nAchRs）和肿瘤4. 1 尼古丁对细胞增殖的影响神经尼古丁乙酰胆碱受体（nAchRs）属于配体门控Ca2+离子通道超家族成员之一，为同源性或非同源性五聚体。nAchR不仅支持神经系统的化学突触传递，而且在非神经组织也表达。nAchRs激动剂尼古丁是烟草的主要活性成分。尼古丁处理SCLC、NSCLC等细胞系诱导依赖nAchRs方式的细胞增殖24外，在hamster鼠中研究表明尼古丁和氧过多结合能够诱导肺癌。这一发现表明肺部结合氧的减弱以及nAchRs的慢性刺激诱导肺癌发生。nAchR拮抗剂的产生加强了nAchRs在细胞增殖中作用的研究。尤其a7nAchRs被表明具有调节尼古丁的增殖作用。以往在NHBE、SCLC和NSCLC细胞的研究表明a7nAchRs拮抗剂、a金环蛇毒素等能够减弱尼古丁的增殖作用。然而，有一些研究者在BEAS-2B无限增殖的人支气管上皮细胞和吸烟者的NHBE细胞中未检测到a7nAchRs的表达。已表明，尼古丁通过a7nAchR刺激间皮瘤的增长。此外，通过MTT和软凝胶实验在两株由胸膜活检组织建立原发肿瘤细胞系中，100n筒箭毒碱终止细胞生长。这些研究强调了nAchR做为肿瘤治疗分子靶位点的可行性。4.2 尼古丁诱导细胞增殖的信号通路尼古丁通过增加生长因子如BDNF等和生长因子受体如VEGFR-2等水平促进细胞增殖。尼古丁通过增加细胞内Ca2+和Ca2+通道诱导表皮生长因子受体转导。细胞内Ca2+引起EGFR导的可能的机制之一，Ca2+的上升诱导胞浆激酶活性，进一步磷酸化EGFR。尼古丁在胃癌细胞中通过刺激COX-2的表达上调血管内皮生长因子受体VEGFR。这些结果首次表明了MMPs和纤溶酶原在nAchR信号途径中的作用。在A549细胞系中，尼古丁可以促进蛋白磷酸酶1（PP1）的抑制性磷酸化。磷酸化使PP1功能丧失，降低细胞周期依赖性激酶抑制子p27Kip1的水平，p27Kip1反作用促进细胞周期过程。尼古丁以依赖7受体模式，通过诱导纤维结合素和51整合素的表达增强NSCLC细胞的生长。影响7nAchR作用的纤维结合素受ERK和PI3K/mTOR信号通路的激活调节。尼古丁在小细胞肺癌细胞、角质化细胞及间皮瘤中激活Ca2+流入，尼古丁与7 nAchR结合导致膜去极化、Ca2+通道激活和5-羟色胺释放25丁诱导细胞增殖的其它信号通路包括NFkB、Src,Akt、HIF-1和COX-2激活的信号通路26皮瘤细胞中，尼古丁结合nAchR引起Ca2+流入，并激活激酶MEKK-1、ERK1/2和p90RSK。随后，MEKK1激活转录因子NF-kB复合物，后者诱导细胞进入S期。尼古丁也能激活MAP激酶通路，以依赖于7nAchR的方式增加Raf-1、ERK1/2和MEK1的水平27尼古丁处理A549细胞引起Rb和Raf-1信号激酶的生理性相互作用。Rb-Raf之间的相互作用是调节细胞增殖的重要早期事件。此外，尼古丁引起Rb-Raf下游的细胞周期蛋白和依赖细胞周期蛋白激酶的失活，随后E2F1从Rb解离下来促进细胞生长。尼古丁可以促进E2F1、E2F2和E2F3结合到增殖启动子上，引起它们的相互作用使细胞进入S期。4.3nAchR和生存途径尼古丁可以抵抗由于外界因素诱发的细胞凋亡。尼古丁通过磷酸化Bcl-2导致磷酸酯酶C活化，保护H82 SCLC细胞避免由于顺铂诱导的凋亡。NHBE细胞中含a3和a4亚基的nAchR通过Akt通路调节尼古丁的凋亡活性。此外，数据显示尼古丁可以诱导Akt位点特异性磷酸化（Thr308和Ser473）。尼古丁也导致下游Akt分子的磷酸化，如mTOR、FKHR等。参与尼古丁抗凋亡的其它信号通路包括：PKC、PKA和NFk的激活以及肿瘤抑制因子p53的下调。尼古丁诱导前凋亡蛋白Bad的多位点磷酸化，导致Bad失活并阻止凋亡。尼古丁诱导的Bad磷酸化通过PKC、PKA、MEK和PI3K信号途径调节。凋亡抑制蛋白IAPs在尼古丁抗凋亡中的作用在NSCLC中已有研究。尼古丁在A549细胞中，以3 nAchR依赖方式可以调节XIAP和survivin的上调。关于乙酰胆碱受体何种亚基负责尼古丁的抗凋亡作用，目前存在争论。一些实验室数据显示，在尼古丁生存作用中存在二氢-刺桐敏感的3或4受体28这表明尼古丁增殖作用和生存作用是受不同nAchR受体类型调控的。7nAchR和-肾上腺素受体在一些细胞系中调节尼古丁抗凋亡作用。这种差异部分可由nAchR亚单位抑制子的多效性解释。nAchRs在支气管、血管和口腔上皮中的功能鉴定，有可能表明nAchR受体调节烟草相关的细胞毒作用。一些有争论的研究猜测，烟草在心血管和呼吸系统的细胞毒性可能是通过尼古丁结合靶细胞nAchRs触发的。32 nAchR通过p21、Bcl-2、NF-kB和STAT1途径调节烟草毒性。相反，7nAchR在口腔角质形成细胞通过MAP激酶和JAK/STAT途径的激活调节烟草的细胞毒作用。通过对人类口腔角质形成细胞基因表达谱、吸烟环境和纯尼古丁条件下基因表达情况的研究发现，尼古丁和吸烟环境都依赖7-nAchR使生存因子NF-Kb的转录活性增加7倍。5 结束语神经细胞的乙酰胆碱能系统是在神经系统中由非神经细胞的胆碱能系统特化而成的适应了成为神经递质作用的神经细胞的胆碱能系统。而非神经细胞的乙酰胆碱能系统则是广泛存在于生物系统中的局部信号分子, 它对细胞的基本生物学功能有着调控作用, 该系统中的组成成分的异常改变可能导致相关疾病直至肿瘤的发生。胆碱能系统在非神经依赖的细胞中的广泛表达表明它是一个局部的调节系统, 对细胞和组织的稳态有着重要作用。当然, 对于确认非神经细胞的胆碱能系统中各种细节的研究仍有待于深入, 它的生物学和病理学的作用才能得到更清晰地阐明, 并有可能成为新的治疗靶标。参考文献 1 MIYAZAWA A, FUJIYOSHI Y, UNWIN N. 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