PTSD引起海马神经细胞钙超载及其功能紊乱机制的研究

1、 PTSD引起海马神经细胞钙超载及其功能紊乱机制的研究姓名：李雪 期别：91期 班级：4班 指导教师：石玉秀教授摘要：近年来，随着突发灾难性事件增多，创伤后应激障碍(PTSD)亦成为关注的焦点。由于PTSD往往会出现海马体积缩小,功能紊乱，所以海马的损伤越来越引起人们的重视。从生理学角度来看，海马细胞尤其是锥体细胞和齿状回细胞在PTSD后会出现钙超载现象。钙超载是PTSD后出现一系列临床症状的关键因素之一。细胞内Ca2+超载引起细胞的一系列变化,主要包括能量合成障碍，钙调蛋白(CaM)的变化以及蛋白激酶级联反应的紊乱，使其底物蛋白的磷酸化或去磷酸化作用发生改变，影响突触可塑性和神经细胞间的信号

2、传递，最终导致学习、记忆、行为等认知功能障碍与情绪反应的异常。关键词:创伤后应激障碍;Ca2+超载;钙调蛋白;钙调蛋白激酶IIAbstract: During recent years, PTSD has become a concern along with the abrupt disaster affairs. Because PTSD can cause the, shrinkage and dysfunction of hippocampus, the harm of the hippocampus increasingly causes people's concern.

3、Seeing from the physiology angle, calcium overload appears in the hippocampal cell , particular in spine cells and dentate gyrus cells after PTSD . Calcium overload is one of the key factors that cause a series of clinical symptoms.The calcium overkload in the cells which causes a series of changes,

4、including obstacle of energy synthesize, change of camodulin and disorder of calcium/calmodulin-dependent protein kinase,leads to the change of substrate phosphorylation and dephosphorylation,and affects the synaptic plasticity and signal transmission between nerve cells,and eventually leads to dysf

5、unction of the study ,memory , behavior and abnormity of emotional response.Key word : posttraumatic stress disorder (PTSD);calcium overload;camodulin;calcium/calmodulin dependent protein kinase II一 PTSD后细胞内Ca2+的超载以及超载的原因（一）细胞内Ca2+的重要性 Ca2+ 是最重要的细胞内信使之一, 中枢神经系统神经细胞内适当浓度的游离Ca2+对神经元兴奋性, 突触传递及神经冲动传导, 神

6、经内分泌调节, 突触可塑性, 核基因表达调控, 细胞生长发育与再生, 染色体活动, 胞浆、轴浆流动, 环核苷酸代谢和磷酸肌醇循环等许多细胞生物学过程均有至关重要的作用。适当浓度的Ca2+对细胞来说是非常重要的。但过多的Ca2+会对细胞有很大的伤害。有人称Ca2+ 浓度升高为“细胞死亡的最终共同途径”。（二） PTSD后海马神经细胞Ca2+的变化通过电磁脉冲刺激对离体培养的神经元的损伤效应及其对Ca2的+影响观察实验动物海马神经细胞内游离的Ca2+的浓度变化。实验结果显示, 电磁脉冲停止后出现明显而持续的海马神经细胞内钙超载,提示海马结构在创伤应激相关精神、行为异常中可能有重要意义1。如下图：正

7、常对照组大部分海马神经原 在6*106V/m的电磁脉冲后,钙离子内低密度的钙离子 (*400) 的荧光浓度变强 (*1000)（三） 细胞内Ca2+超载的一些可能原因研究证实,胞内Ca2+的增加主要是N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体激活的结果,且对于LTP的诱导是必需的2。应激时，交感肾上腺髓质系统(SAS)被激活，释放肾上腺素，激活迷走神经，从而增加去甲肾上腺素(NE)神经元的活性,NE能神经递质的大量释放促进了海马中的兴奋性氨基酸超常释放,使突触后膜上的NMDA受体表达增强, 上调NMDAR通道的活性, 而且海马处富含NMDAR，从而引起细胞外Ca2+大量内流,导致胞内Ca2+超载.

8、海马的锥体细胞和齿状回的颗粒细胞都以谷氨酸作为兴奋性递质。谷氨酸释放,激活NMDA受体,使LTP得以产生和维持,从而参与记忆在海马的形成和再巩固。然而上调的NMDA受体以及敏感性的增加,导致NMDA受体依赖性LTP过程持续增加,突触传递效能长时间增强,形成了病理性的LTP。这一方面可能导致了PTSD 创伤性记忆形成和巩固,另一方面可能造成了以后的信息传递障碍,形成学习记忆缺陷。同时，突触后膜内游离Ca2+的增多可激活多种钙依赖酶如钙蛋白酶、磷脂酶C等,然后引起胞内钙贮存库的释放, Ca2+浓度进一步升高,从而激活PKC等蛋白激酶,诱发LTP。应激引起的糖皮质激素(GC)增加也会增加NMDA受体

9、的敏感性并且增加CA1区谷氨酸的释放,进一步增加钙离子内流.还有实验证明：NMDA受体又参与激活HPA轴,进一步促进GC的释放，并参与应激诱导的大鼠海马GR水平减少的机制，抑制应激时HPA轴的负反馈，加剧应激性脑损害2.因此认为,海马区域的NMDA受体活化对于动物应激后产生回避行为的记忆形成是必须的。应激时海马区NMDA受体的活性改变是PTSD行为障碍发生的重要中介因素。在应激条件下，下丘脑垂体肾上腺皮质系统(HPA)也会被激活，肾上腺皮质会释放大量的GC,它能通过血脑屏障,与脑内的相应受体结合。海马中存在两种受体，即盐皮质激素受体(MR)以及糖皮质激素受体(GR)。皮质酮与MR结合亲合力约是

10、与GR的10倍。低水平GC首先与MR结合,只有高水平GC才能在MR饱和后与GR结合。3MR和GR属于类固醇/核受体超家族,也属于核转录因子4。应激后大量GC的释放使海马上的这些受体激活,活化后受体转到核上,在那它们调节效应基因的转录5。很多数据表明：和形成同型或异型二聚化后与基因启动区的特异的序列结合来调节基因的表达 6。还有实验通过免疫双标来定位MR和GR,在用ADX后发现存在核内的GR消失,MR几乎没变化.而后用皮质酮代替发现会诱导大量的MR和GR聚集在核内.进一步证明了它们是一种核转录因子.7因此GC可以通过基因介导的途径增加CA1锥形细胞的钙流幅度.能特异的增强L型钙电流的幅度和下丘脑

11、钙通道亚基的表达。GC也促进编码通道基因的表达而增强Ca2+内流。同时,糖皮质激素受体能够抑制谷氨酸吸收,从而导致NMDA 受体的活动增强, 引发钙离子内流增加。 二 钙超载后引起细胞内的变化（一）Ca2+超载引致离子泵-钙泵的变化神经元内游离钙增多是引发细胞损伤的重要物质，神经细胞内游离Ca2+浓度持续增高, 可促使大量Ca2+ 沉积于线粒体, 导致其氧化磷酸化电子传递脱耦联, ATP 合成障碍, 致使神经细胞能量代谢障碍, 质膜离子泵失效。由于生物膜的受损，线粒体、内质网膜等细胞内钙池释放钙离子也增加，即细胞内钙释放增加。此时钙泵由于ATP缺乏不能正常的将细胞内多余的钙离子泵出，

12、细胞内钙池也不能重新储存钙离子，即生理状态下细胞对钙离子的调控机制在此时失去作用，最终造成Ca2+异常增高而严重影响神经元活性。（二） Ca2+超载引起钙调蛋白(CaM)的变化神经细胞内钙超载可激活细胞内大量钙调蛋白,在非刺激的细胞中钙调蛋白与Ca2+ 结合的亲和力很低,然而刺激后细胞中Ca2+ 浓度升高, Ca2+ 同钙调蛋白结合形成钙-钙调蛋白复合物,就会引起钙调蛋白构型的变化,增强了钙调蛋白与许多效应物结合的亲和力。对CaM的研究揭示，实验动物海马总CaM表达于电刺激停止后48h内明显增高，而细胞内游离CaM含量于电刺激停止后72h内显著降低，提示海马细胞内与钙结合的CAM含量变化与游离

13、钙浓度改变基本同步8。游离CaM与钙结合后被激活，从而可与细胞内多种CAM结合蛋白相互作用，导致海马神经元功能紊乱。Ca2CaM 结合后可激活大量活动依赖性细胞内信号转导环节, 包括CaMKII、AC、磷酸二酯酶、Ca2+ATPase 、丝氨酸/ 苏氨酸蛋白磷酸酶、非受体酪氨酸激酶(PYK2)以及GTP 酶调控单元等。这些复杂的信号转导环节与路径相互交汇作用, 对神经元核基因表达有非常重要的影响。细胞内游离Ca2+浓度持续增高还可通过与钙结合蛋白结合而引发多种神经毒性作用，而且在突触后兴奋性传导、Ca2+内流诱发的突触活动性改变以及活动依赖性核基因长时程表达调控中亦有重要意义。（三） Ca2+

14、超载引起钙调蛋白激酶II(CaMKII)的变化钙调蛋白依赖的蛋白激酶(CaMK)是一类分布广泛的丝/苏氨酸蛋白激酶家族，在钙离子和钙调蛋白存在的条件下发生自磷酸化而被激活，在细胞内对于钙信号的传递具有重要的介导作用。作为CNS中最重要的一种CaM结合蛋白，CaMKII在脑组织中分布广泛，其中以海马的含量最高，占其总蛋白量的1%-2%，CaMKII还是突触后致密体的主要组成成份，占其蛋白总量的20%-30%，与突触小泡的功能及突触长时程增强密切相关。细胞内钙超载会导致钙调蛋白依赖性蛋白激酶信号途径调控紊乱,引发神经细胞长时程基因表达、调控异常。海马中CaMK 激活在突触可塑性、学习和记忆中起重要

15、作用。应激时谷氨酸的大量释放被证明是CaMKII活性减少的原因。CaMKII在学习时通过Ca2+内流引起磷酸化而被激活,活化的激酶分子再催化自身磷酸化,从而使激酶分子在学习结束后很久仍能保持活化状态，因此,该酶具有开关样。有实验表明CaMKII是空间学习和记忆的分子基础, Silva 等选择性敲除CaMKII 亚基,结果发现,小鼠空间学习能力大大降低,但其非空间学习能力不受影响9。Vaynman S等在动物水迷宫实验中用CaMK抑制剂KN - 62阻断大鼠海马区CaMK,结果发现CaMK对认知训练效应起到精细的调节作用,而对记忆保留的调节有选择性的功能。鉴于CaMK广泛的生物学效应，采用wes

16、tern blotting,重点观察脑组织中含量最多的一种CaMK异构体CaMKa的动态变化规律。实验结果显示，与Ca2+-CaM变化趋势相反，阈下刺激组动物海马CaMKa表达在电刺激停止后48h内明显降低，提示CaMK表达与海马神经元兴奋性间可能存在负相关10，因此会影响小鼠的学习和记忆能力。这能更好的帮助理解PTSD的生物学机制。有研究发现，ca-CaM-CaMKII信号途径对维持神经细胞内cAMP/cGMP平衡也有着重要的作用。细胞内cAMP/cGMP分别由腺苷酸环化酶和鸟苷酸环化酶催化相应的核苷酸脱磷酸而形成，由磷酸二酯酶灭活。牛脑磷酸二酯酶由60kDa和63kDa两个不同亚基组成。其

17、中，60kDa亚基由依赖于cAMP的蛋白激酶调节；63kDa亚基则受CaMKIIqa调节，当该亚基经CaMK催化磷酸化后活性增强，对CaM亲和力则下降；而依赖于CaM 的蛋白磷酸化酶则可催化磷酸二酯酶脱磷酸。因此，当CaM表达增高、CaMKa活性下降时可促进磷酸二酯酶活性增强，引发cAMP/cGMP失衡，促使神经元兴奋与抑制过程紊乱，导致海马细胞功能受损促使细胞内Ca2+ 依赖性激酶、磷酸酯酶及磷脂酶类磷酸化, 启动神经细胞内一系列蛋白酶的磷酸化与脱磷酸化过程, 激活或产生具有细胞毒性作用的活性分子或物质, 加重脑组织受损。细胞内的Ca2+超载导致CaM-CaMKIIa信号途径调控异常时，可触

18、发神经细胞内复杂的信号转导链，启动多级核转录因子，特别是cAMP依赖性反应元件结合蛋白介导的基因调控路径，引发神经细胞长时程基因表达、调控异常，促使CNS神经可塑性改变，最终导致学习、记忆、行为等认知功能障碍与情绪反应异常 11,12。（四）海马区CAMKII的含量变化引起LTP的异常 CaMKII是LTP产生的一个重要分子基础。有实验证明,突触后注射CaMKII抑制剂以减少其表达可阻止LTP产生，而增加海马CA1区CAMKII活性则可促进突触传递及LTP产生13。西方杂交实验分析海马CA1区表明：慢性应激降低了CaMKII，磷酸化的(P)-CAMKII,钙调蛋白的含量,而蛋白磷酸化酶2B增加

19、,此酶也是造成磷酸化的(P)-CaMKII减少的主要原因。磷酸化的(P)-CaMKII是CaMKII的活性形式。磷酸化的(P)-CaMKII的减少又可能是应激诱导的LTP表达 减少的主要原因14。LTP被广泛的接受为学习和记忆的分子模型.有实验证明，SPS后的大鼠LTP先降低后恢复正常，并揭示了PTSD样大鼠在SPS模型建立初期记忆力出现减退，SPS1天LTP明显降低，提示学习记忆力尤为受损。之后LTP恢复，提示学习记忆能力开始恢复。15所以LTP在学习记忆中起着重要的作用,它的紊乱最终会导致学习和记忆的障碍。终上所述: PTSD的临床病理生理学研究已经基本完成，但对于发病的确切分子生物学机制

20、还处于假设阶段，有待进一步的研究和证明，这样才能更好地指导临床治疗。而对于发病机制的研究很显然钙超载是关键因素之一，所以对钙超载的深入研究是必不可少的。另外，海马体积的变化是钙超载后一系列分子紊乱的结果，因此钙超载后信号转导的研究是PTSD研究的方向。参考文献：1 Xu Qian,Liu Shao-chen,Li Yu-hong,Mei Li-Xin,Zhang Ying-chun injured effects of electromagnetic pulse on hippocampal neurons andCa2i Chinese Journal of Clinical Rehabil

21、itation ,November 15 2006 Vol,10 No,422 田玉娥 李敏 海马与创伤后应激障碍研究进展 中国行为医学科学 2007 Vol.16 No.63 杜喆 韩芳 石玉秀 PTSD样大鼠海马MR和GR变化的研究 Dec.2007,Vol.16 No.64 林晓峰 吴乔 几种核受体核浆穿梭与调控机制 细胞生物学杂志 2005 Vol.27 No.4 P.363-3685 Mitsuhiro Kawata, Mayumi Nishi, Ken-ichi Matsuda, Hirotaka Sakamoto,Cui Honghai, and Takanori Yoshii

22、Stress and Corticosteroid Receptor6 Pascal Chameau, Yongjun Qin, Sabine Spijker, Guus Smit and Marian Joëls Glucocorticoids Specifically Enhance L-Type Calcium Current Amplitude and Affect Calcium Channel Subunit Expression in the Mouse Hippocampus Journal of neurophysiology    2007,&

23、#160;vol. 97, no.1, p. 5-14 7 Fang Han, Hitoshi Ozawa, Ken-ichi Matsuda, Mayumi Nishi, Mitsuhiro Kawata Colocalization of mineralocorticoid receptor and glucocorticoid receptor in the hippocampus and hypothalamus Neuroscience Research 51 (2005) 3713818 王庆松王正国朱佩芳 创伤后应激障碍样行为异常大鼠海马Ca2+/CaM依赖性蛋白激酶表达的研究 中华医学杂志 2002， Vol.82 No.11 9 Silva AJ ,Paylor R,Wehner JM, et al.Impaired spatial learning in alpha-calcium-calmo-dulin kinas