・929・
第16卷 第12期 2003年12月
医学研究生学报
JournalofMedicalPostgraduates
Vol.16 No.12
Dec.2003
・综 述・
突触蛋白的结构与功能
梁燕玲综述, 张苏明审校
(华中科技大学同济医学院附属同济医院神经内科,湖北武汉430030)
摘要: 突触蛋白是一组与突触小泡相关的具有神经元特异性的磷酸蛋白家族。突触蛋白在调节神经递质的释放
及参与神经元早期发育等方面起着重要的作用。作者主要对突触蛋白的家族成员、基因定位、分布、结构和功能进行综述。关键词: 突触蛋白; 神经递质; 神经元发育
Ξ
中图分类号: Q421 文献标识码: A 文章编号:100828199(2003)1220929204
Thestructureandfunctionofsynapsins
LIANGYan2lingreviewiug,ZHANGSu2mingchecking
(DepartmentofNeurology,TongjiHospital,TongjiMedicalCollege,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430030,Hubei,China)
Abstrat: Thesynapsinsareafamilyofneuron2specificphosphoproteinsassociatedwiththemembranesofsynapticvesi2cles.Thesynapsinsplayimportantrolesintheneurotransmitterreleaseandduringtheearlyneuronaldevelopment.Inthisreview,wefocusonthefamilymembers,genelocation,distribution,structureandfunctionofthesynapsins.Keywords: Synapsins; Neurotransmitter; Neuronaldevelopment
0 引 言
突触蛋白(synapsins)是一组与突触小泡相关的具有神经元特异性的磷酸蛋白,几乎分布于所有的神经终末处,并位于突触前膜的表面。近年来,突触蛋白是人们研究的热点,被广泛应用于神经系统方面的研究,在其成员的组成、结构和功能方面的研究,均取得了令人鼓舞的进展。本文作者仅就其结构与功能等方面的研究进展作一综述。
1 突触蛋白家族成员及基因定位
码的原始转录物的剪接不同,导致C端结构的不同,从而形
成a和b两种亚型。目前已被发现的突触蛋白共有五种:即突触蛋白2Ⅰa、突触蛋白2Ⅰb、突触蛋白2Ⅱa、突触蛋白2Ⅱb和突触蛋白2Ⅲa。
2 突触蛋白的分布
2.1 组织分布 突触蛋白呈点状分布于所有的神经终末
1972年,Johnson从大鼠脑组织中的突触片段中发现了
突触蛋白的第一个成员———突触蛋白2Ⅰ,并认为突触蛋白2Ⅰ是环磷酸腺苷(cAMP)依赖的蛋白激酶(PK)的主要底物。此后,突触蛋白家族的另外两个成员———突触蛋白2Ⅱ和突触蛋白2Ⅲ陆续被发现。突触蛋白的三个成员分别由位于不同染色体上的三个基因编码。目前发现,人类的突触蛋白2Ⅰ基因位于xP11,突触蛋白2Ⅱ基因位于3号染色体,而突触蛋白2Ⅲ基因则位于22q12～131。由于基因所编
处。在中枢神经系统,突触蛋白主要分布在脑、脊髓和视网
膜中,白质中未见染色;在周围神经系统,主要分布在神经与肌肉接头处和自主神经节内。然而新近的研究表明,用抗突触蛋白2Ⅰ抗体在肝细胞中检测出一个与突触蛋白2Ⅰb大小相近(相对分子质量为8500)的蛋白质,并认为这是非神经元性的突触蛋白2Ⅰ,从而推测突触蛋白有更广泛的组织分布2。另外,不同的突触蛋白其分布范围亦不同,其中突触蛋白2Ⅰb的分布范围最广。同时不同的突触蛋白在不同区域的分布也存在差异,突触蛋白2Ⅲ在脑内不同区域的分布差异性比突触蛋白2Ⅰ和突触蛋白2Ⅱ要大3。2.2 细胞内定位 在未成熟的神经元,突触蛋白分布于正
Ξ
收稿日期: 2003203228; 修订日期: 2003208208
基金项目: 国家自然科学基金资助课题(批准号:30070825)作者简介: 梁燕玲(19722),女,广东广州人,主治医师,医学博士研究生,从事神经内科专业。
・930・
在发育中的轴突远端和生长锥(growthcones)上。在成熟的神经元,主要分布在神经终末处的突触前结构,且定位于突触小泡膜的表面。除突触蛋白2Ⅲ外,突触蛋白不分布在细
胞体上。Kao等4
用蛋白印迹的方法提取突触小泡,然后测定突触蛋白三种亚型在突触小泡的浓集程度,结果发现三者相差不大,突触蛋白2Ⅰa最高,而突触蛋白2Ⅱa和突触蛋白2Ⅲa非常接近。当用高浓度盐(200mmol/LNaCl)孵育2h后,三种突触蛋白大部分均从突触小泡中释放出来。由此表明,三种突触蛋白均定位于突触小泡表面的质膜上。另外,Hosaka等5发现,突触蛋白是以同或异二聚体的形式覆盖于小泡表面的。
3 突触蛋白的结构
每种突触蛋白均由几个不同的结构域(domain)相连而
成。目前共发现有10种不同的蛋白结构域(A～J区),其中A、B、C区是每种突触蛋白均具有的结构域,A区和C区是高度保守的结构域,而E区是a亚型突触蛋白共有的结构域(图1)。不同的结构域其功能不同。由于不同的突触蛋白之间既含有相同的结构域,也含有不同的结构域,因而不同的突触蛋白之间既具有相同的功能,也有不同的功能
。
图1 突触蛋白家族的结构域模式图
Figure1 Domainmodelofthesynapsinfamily
3.1 A区 位于突触蛋白的N端,含有惟一保守的磷酸化位点———蛋白激酶A(PKA)和Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶Ⅰ(CaMKⅠ
)的磷酸化作用位点。在非磷酸化状态,突触蛋白可能通过与A区相关的磷脂结合活性以二聚体的形式与突触小泡结合。A区的磷酸化抑制突触蛋白与小泡磷脂膜的结合,导致突触蛋白从突触小泡中解离6。3.2 C区 是最大而保守的结构域,位于突触蛋白的核心,具有较多的功能。C区的晶体结构与一组利用ATP酶(如谷胱苷肽合成酶)结构非常相似,而且能与ATP结合,从而提示其可能具有酶的功能7。然而,目前尚无确切证据证明C区具有酶的功能。突触蛋白的三个成员虽与ATP结合的亲和力均较高,但不同成员之间的调节机制不同。Ca2+能促进突触蛋白2Ⅰ与ATP的结合,抑制突触蛋白2Ⅲ与ATP结合,而对突触蛋白2Ⅱ与ATP的结合则不起作用1,8。C区中的特定区域可与小泡磷脂膜双分子层的疏水端结合,从而维持了小泡的完整性和大小一致,并防止小泡的随机融合。Cheetham等9发现,突触蛋白2Ⅰ的C区中插入磷脂双分子层的区域为位于晶体结构表面的三个肽段:即残基166～192、233～258和278～327。另外,C区还可与肌钙蛋白结合,从而把小泡联接于肌动蛋白形成的细胞骨架网络上。除
2003年12月 第16卷
此以外,同种或异种的突触蛋白之间还通过C区结合以形成
同或异二聚体5。
3.3 E区 是突触蛋白a亚型的共有结构域,其作用主要
为调节突触小泡贮存池的稳定和神经递质释放的动力学过程10。
3.4 B、D、G、H和J区 它们由相似的氨基酸组成,而且富
含脯氨酸、谷氨酸、丙氨酸和丝氨酸,并含有丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和CaMKⅡ的磷酸化位点,其作用主要为连接相邻结构和参与释放神经递质的调节。3.5 F和I区 分别位于突触蛋白2Ⅰb和Ⅱb的C端,是两个很短的区域。在非脊椎动物的突触蛋白中不一定出现,其功能尚不清楚。
4 突触蛋白的功能
突触蛋白主要有两方面的功能:调节神经递质的释放和参与神经元早期发育的过程。
4.1 调节神经递质的释放
4.1.1 维持突触小泡贮存池的稳定 突触前的小泡分布在
两个池,一个池含有少部分小泡,锚靠在活性带,随时准备释放神经递质,称为释放池;另一个池含有大部分小泡,远离活性带,称为贮存池。贮存池具有足够的小泡,是突触对高水平的神经活动作出反应的保证。在静息状态下,突触蛋白可逆性地把小泡与小泡连接起来,并把小泡联接于肌钙蛋白形成的细胞骨架网络上,从而使小泡远离质膜;神经递质被释放后,突触蛋白可促使更新的小泡回到贮存池,从而维持了小泡贮存池的动态稳定。在突触蛋白2Ⅰ和Ⅱ基因敲除的小鼠中,可观察到突触贮存池目的泡数选择性减少,提示突触蛋白可能在维持小泡贮存池的稳定中起着重要的作用。E区则可能起着主要的作用,于突触前注入E区的一个多肽片段可导致乌贼巨大突触中贮存池的小泡数目明显减少,而释放池的小泡数目并无改变10。
4.1.2 调节突触小泡的可移动性 根据小泡活动假说,当
活性带附近的细胞质中Ca2+浓度提高时,CaMKⅡ被激活,后者使突触蛋白2Ⅰ磷酸化,这就使它同肌钙蛋白的结合能力减弱,增加了小泡的可移动性。随着研究的深入,该假说不断地得以补充。Chi等11为突触蛋白调节小泡的活动提供了直接的生理学证据,在活的海马神经元轴突终末,当动作电位产生时,能观察到用绿色荧光蛋白标记的突触蛋白2Ⅰ与突触小泡分离,并向轴突弥散,而当突触活动停止后又重新聚集至突触。同时,通过阻断各个位点的磷酸化作用发现,突触蛋白的弥散速度是受磷酸化作用控制的。多种PK作用于突触蛋白特定的磷酸化位点,均可导致的磷酸化,而不同位点的磷酸化作用所产生的效应不同。以突触蛋白2Ⅰ为例,位点1是PKA的作用位点,位点2、3是
CaMK2Ⅱ的作用位点,这三个位点的磷酸化使突触蛋白2Ⅰ
与小泡的亲和力降低,并阻断突触蛋白2Ⅰ与肌钙蛋白之间的相互作用。而磷酸化位点4、5、6则是MAPK的作用位点,其磷酸化可抑制突触蛋白2Ⅰ与肌钙蛋白之间的相互作用,而对其与小泡的亲和力并无影响12。
4.1.3 调节神经递质释放的动力学 近年来研究发现,突
触蛋白可调节独立小泡从释放池释放的动力学过程。Hil2
fiker等10由乌贼的巨大突触前注入E区的多肽片段,可观
学报
第12期 梁燕玲,等 突触蛋白的结构与功能
察到释放池的小泡数目并无改变,但神经递质释放过程被抑制和减慢,从而提示突触蛋白可能通过小泡锚定后的机制以调节神经递质的释放。Hilfiker还发现了乌贼兴奋性突触后电流的发生和上升过程延迟,从而支持了上述的推测。许多证据已证明,这种神经递质释放的动力学过程的减慢既不单纯是递质释放减少的结果,也不是突触小泡池的总体变小引起的。Weber等13推测,突触蛋白调节神经递质释放的动力学机制可能为:①E区可能在小泡的正确着位和突触蛋白与小泡的结合中起调节作用;②可能通过补充某些必需的因子以保证小泡的正确着位和融合;③可能在小泡之间以空间分子的形式以利于已着位的小泡与质膜蛋白发生反应;④可能直接催化小泡着位后的一些依赖ATP的反应。
4.1.4 调节突触的可塑性 近年来,突触蛋白与突触可塑
性的关系,因其可能与神经系统复杂的学习和记忆功能及神经康复有关而受到特别的关注。Humeau等14将特定的抗
突触蛋白抗体注入一种软体动物的体内,以中和内源性的突触蛋白,结果发现,突触的强直后强化(post2tetanicpotentia2
tion,PTP)消失,取而代之的是强直后抑制(post2tetanicde2pression,PTD),同时突触衰竭的速度加快和程度加重。由
此说明,突触蛋白可能参与了突触短期可塑性的调节。Sato等15使用定量免疫组化分析发现,在刺激产生长时期强化(long2termpotentiation,LTP)后8h中,在大鼠的齿状回分子层和海马CA3区的透明层中,突触蛋白2Ⅰ免疫阳性物质的光密度明显增高,从而提示突触蛋白也可能与突触的长期可塑性有关。
4.2 参与中枢神经元的早期发育过程
4.2.1 调节轴突和树突的伸长 研究表明,突触蛋白在神
经元的早期发育阶段———突触形成之前已经有表达,而且主要集中在与伸长有关的细胞区域,其中以突触蛋白2Ⅲ的表达最高,且集中在生长锥16。Leypoldt等17使用维A酸以促进人的NTERA22clD1细胞分化,结果发现,突触蛋白三个成员的转录水平均明显上调,其中突触蛋白2Ⅰ升高了2.1倍,突触蛋白2Ⅱ升高了2.6倍,而突触蛋白2Ⅲ则升高了5.5倍。突触蛋白2Ⅲ的绝对优势提示,在突触前的早期发育中起着不可代替的作用。轴突和树突的伸长过程分为四个阶段:①神经元被片状胞足部分或完全围住;②片状胞足形成相同的短突起;③其中一个小突起开始快速地伸长并形成轴突;④其余的小突起也伸长并分化形成树突,抑制突触蛋白不同成员的表达可导致不同阶段的改变。既往的研究已发现,从突触蛋白2Ⅰ基因敲除小鼠获取的海马神经元可以分化出轴突和伸出几个小树突,但是轴、树突的长度明显比正常者短。近期的研究发现,抑制突触蛋白2Ⅱ的表达可导致20%的神经元未能长出突起,80%长出畸形的突起,而且在培养的前48h内,这些畸形的突起均不能分化成轴突18。而缺乏突触蛋白2Ⅲ的海马神经元可以长出正常的小突起,却未能伸长并分化出轴突和树突16。
4.2.2 参与突触的形成和维持 许多研究表明,突触蛋白
参与了突触的形成过程。在突触蛋白2Ⅰ基因敲除的小鼠中可观察到突触的末端变小,其中的突触小泡数目也明显减少。Ferreira等18在突触蛋白基因突变的小鼠中提取海马神经元进行培养,结果发现,海马神经元之间虽然还能形成突触联系,但比正常对照所形成的突触联系明显减少,同时
・931・
突触的发生延迟了近1周。突触蛋白主要通过两方面参与
突触的形成过程:一方面,可调配突触小泡的分布。在突触的形成过程中,突触小泡的分布经历三种状态:最初,突触中仅存在再循环池,对强的刺激仍能释放神经递质;接着,再循环池的大部分小泡锚定在质膜的内侧,形成了释放池,最后,新的小泡又形成贮存池。缺乏突触蛋白2Ⅰ和Ⅱ的海马神经
元在突触的早期发育过程中其释放池明显减少19
。另一方面,突触蛋白还可参与调节其他突触发生相关蛋白。抑制突触蛋白2Ⅰ或Ⅱ的表达可导致多种突触前蛋白表达的减少。值得一提的是,并未发现突触蛋白2Ⅲ参与突触联系的形成,在轴突伸长后抑制突触蛋白2Ⅲ的表达并没有影响突触形成的过程16。 除参与突触的形成外,突触蛋白还参与突触的维持。Ferreira等20利用反义核苷酸技术以抑制突触蛋白2Ⅱ的表达,结果发现,在突触联系形成前抑制海马神经元的突触蛋白2Ⅱ表达,会导致突触发生的抑制,而在突触联系形成后抑制其表达,则会导致神经元丢失大部分的突触。
5 突触蛋白的应用前景
突触蛋白作为突触终末的特异性标志物,可应用于神经
系统发育、疾病和可塑性的研究。目前,许多研究已发现,脑缺血缺氧、阿尔茨海默病、朊蛋白病和癫 等神经系统疾病均存在突触蛋白表达的改变。深入研究突触蛋白在神经系统疾病的变化,可为研究其发病机制及病理、生理改变提供很好的手段,为某些神经系统疾病的预防和治疗提供新的思路,同时还可为选择各种治疗方法提供可靠的依据。参考文献:
1
HosakaM,SudhofTC.Synapsin2Ⅲ,anovelsynapsinwithan
unusalregulationbyCa2+J.JBiolChem,1998,273(22):[1**********].
2 BustosR,KolenER,BraitermanLetal.SynapsinⅠisex2
pressedinepithelialcells:localizationtoauniquetrans2GolgicompartmentJ.JCellSci,2001,114(20):369523704.
3 PieriboneVA,PortonB,RendonBetal.Expressionof
synapsin2ⅢinnerveterminalsandneurogenicregionsoftheadultbrainJ.JCompNeurol,2002,454(2):1052114.
4 KaoHT,PortonB,CzernikAJetal.Athirdmemberofthe
synapsingenefamilyJ.ProcNatlAcadSciUSA,1998,95(8):466724672.
5 HosakaM,SiidhofTC.Homo2andheterodimerizationofsynap2
insJ.JBiolChem,1999,274(24):[1**********].
6
HosakaM,HammerRE,SiidhofTC.Aphosphoswitchcontrols
thedynamicassociationofsynapsinswithsynapticvesiclesJ.Neuron,1999,24(2):3772387.
7 EsserL,WangCR,HosakaMetal.SynapsinⅠisstructurally
similartoATP2utilizingenzymesJ.EMBOJ,1998,17(4):9772984.
8 HosakaM,SiidhofTC.Synapsin2Ⅰand2ⅡareATP2binding
proteinswithdifferentialCa2+regulationJ.JBiolChem,1998,273(3):142521429.
9 CheethamJJ,HilfikerS,BenfenatiFetal.Identificationof
SynapsinⅠpeptidesthatinsertintolipidmembranesJ.BiochemJ,2001,354(1):57266.
10 HilfikerS,SchweizerFE,KaoHTetal.Twositesofactionfor
学报・932・
synapsindomainEinregulatingneurotransmitterreleaseJ.NatNeurosce,1998,1(1):29235.11
16
2003年12月 第16卷
FerreiraA,KaoHT,FengJetal.SynapsinⅢ:developmental
expression,subcellularlocalization,androleinaxonformationJ.JNeurosci,2000,20(10):373623744.
17
ChiP,GreengardP,RyanTA.Synapsindispersionandreclus2
teringduringsynapticactivityJ.NatNeurosci,2001,4(12):118721193.
LeypoldtF,FlajoletM,MethnerA.Neuronaldifferentiationof
culturedhumanNTERA22cl.D1cellsleadstoincreasedexpres2sionofsynapsinsJ.NeurosciLett,2002,324(1):37240.
12 JovanovicJN,SihraTS,NairnACetal.Opposingchangesin
phosphorylationofspecificsitesinsynapsinⅠduringCa2+2de2pendentglutamatereleaseinisolatednerveterminalsJ.JNeu2rosci,2001,21(20):794427953.
18
FerreiraA,ChinLS,LiLetal.DistinctrolesofsynapsinⅠ
andsynapsinⅡduringneuronaldevelopmentJ.MolMed,1998,4(1):22228.
13 WeberT,ZemelmanBV,McNewJAetal.SNAREpins:mini2
malmachineryformembranefusionJ.Cell,1998,92(6):7592772.
19 MozhayevaMG,SaraY,LiuXetal.Developmentofvesicle
poolsduringmaturationofhippocampalsynapseJ.JNeurosci,2002,22(3):6542665.
14 HumeauY,DoussauF,VitielloFetal.Synapsincontrolsboth
reserveandreleasablesynapticvesiclepoolsduringneuronalac2tivityandshort2termplasticityinAplysiaJ.JNeurosci,2001,21(12):419524206.
20 FerreiraA,HanHQ,GreengardPetal.Suppressionof
synapsin2ⅡinhibitstheformationandmaintenanceofsynapseinhippocampalcultureJ.ProcNatlAcadSciUSA,1995,92(20):922529229.
15 SatoK,MorimotoK,SuemaruSetal.IncreasedsynapsinⅠ
immunoreactivityduringlong2termpotentiationinrathippocam2pusJ.BrainRes,2000,872(122):2192222.
(责任编辑 李风华)
(上接第928页)
因价格原因,仍未将外文全文数据库的购买列入计
划。国内一些大学图书馆采取集团购买的方式采购外刊全文数据库,结果发现,在全文电子期刊中每种刊物的平均价格要比购买印刷型刊物的价格低3,此法值得借鉴。载体形式的多样化,使得采购人员必须综合考虑,以保证外刊学科结构的完整性、多样性和全面性。3.6 资源协调共建,重视文献传递功能 网络环境下图书馆更应该是一所“没有围墙的学校”,医学的学科特点亦决定了医院图书馆的读者需求趋向网络化、综合化、社会化4。各医院图书馆应树立协调意识,克服长期以来各自为政、相互封闭的做法,加强馆际间合作,共同探讨,协调采购。通过协调采购工作,以地区为单位,确定合适的复本量,既要突出各医院订刊特色,又要避免重复采购,同时尽可能地扩大学科范围。此外,在文献传递日益发展的今天,“重藏轻用”早已被“不比馆藏数量,但求服务质量”的观点所取代,不再片面强调一馆的馆藏,而是将根据读者需要,通过各种途径获得并传递到读者手中的信息资料,一并视为馆藏的一部分。这种观点,国外在20世纪90年代初即得到足够的重视,如美国乔治・华盛顿大学图书馆就曾削减了200种期刊,共节约经费30万美元,而通过文献传递获得这些期刊
资料的费用仅为1.5万美元5。文献传递既节约了期刊采购经费,又节省了空间,这对经费、馆舍相对紧张的医院图书馆来说,是获取信息资源的重要途径。因此,各馆之间要积极开通文献传递的绿色通道。 总之,外文期刊的采购是图书馆各项采购工作的重点之一,每年图书馆在外文期刊上的经费投入的价格占全馆预算的很大比例。入世及计算机网络技术的发展为外文期刊的采购工作提供了新的机遇和挑战,医院图书馆应结合医院实际,合理规划,资源共建共享,最终实现美国图书馆学家杜威先生所说“以最小的花费为最多的读者提供最好的读物”。
参考文献:
12345
栾振华.外文期刊价格趋势及其对策J.
2002,(5):66269.
图书馆工作与研究,
徐晓冰,刘大红.论现代信息技术环境中的期刊收集工作J.山东图书馆季刊,2002,(1):21223.
袁 青.试析高校图书馆外文期刊的合理采购J.知识,2002,(5):73274.
盛 梅.改进信息网络环境下医院图书馆的读者服务工作J.医学研究生学报,2001,14(5):4642464.
肖冬梅.网络环境下文献传递与外文期刊订购J.情报学刊,2002,20(1):63265.
大学图书图书情报
(责任编辑 石 东)
・929・
第16卷 第12期 2003年12月
医学研究生学报
JournalofMedicalPostgraduates
Vol.16 No.12
Dec.2003
・综 述・
突触蛋白的结构与功能
梁燕玲综述, 张苏明审校
(华中科技大学同济医学院附属同济医院神经内科,湖北武汉430030)
摘要: 突触蛋白是一组与突触小泡相关的具有神经元特异性的磷酸蛋白家族。突触蛋白在调节神经递质的释放
及参与神经元早期发育等方面起着重要的作用。作者主要对突触蛋白的家族成员、基因定位、分布、结构和功能进行综述。关键词: 突触蛋白; 神经递质; 神经元发育
Ξ
中图分类号: Q421 文献标识码: A 文章编号:100828199(2003)1220929204
Thestructureandfunctionofsynapsins
LIANGYan2lingreviewiug,ZHANGSu2mingchecking
(DepartmentofNeurology,TongjiHospital,TongjiMedicalCollege,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430030,Hubei,China)
Abstrat: Thesynapsinsareafamilyofneuron2specificphosphoproteinsassociatedwiththemembranesofsynapticvesi2cles.Thesynapsinsplayimportantrolesintheneurotransmitterreleaseandduringtheearlyneuronaldevelopment.Inthisreview,wefocusonthefamilymembers,genelocation,distribution,structureandfunctionofthesynapsins.Keywords: Synapsins; Neurotransmitter; Neuronaldevelopment
0 引 言
突触蛋白(synapsins)是一组与突触小泡相关的具有神经元特异性的磷酸蛋白,几乎分布于所有的神经终末处,并位于突触前膜的表面。近年来,突触蛋白是人们研究的热点,被广泛应用于神经系统方面的研究,在其成员的组成、结构和功能方面的研究,均取得了令人鼓舞的进展。本文作者仅就其结构与功能等方面的研究进展作一综述。
1 突触蛋白家族成员及基因定位
码的原始转录物的剪接不同,导致C端结构的不同,从而形
成a和b两种亚型。目前已被发现的突触蛋白共有五种:即突触蛋白2Ⅰa、突触蛋白2Ⅰb、突触蛋白2Ⅱa、突触蛋白2Ⅱb和突触蛋白2Ⅲa。
2 突触蛋白的分布
2.1 组织分布 突触蛋白呈点状分布于所有的神经终末
1972年,Johnson从大鼠脑组织中的突触片段中发现了
突触蛋白的第一个成员———突触蛋白2Ⅰ,并认为突触蛋白2Ⅰ是环磷酸腺苷(cAMP)依赖的蛋白激酶(PK)的主要底物。此后,突触蛋白家族的另外两个成员———突触蛋白2Ⅱ和突触蛋白2Ⅲ陆续被发现。突触蛋白的三个成员分别由位于不同染色体上的三个基因编码。目前发现,人类的突触蛋白2Ⅰ基因位于xP11,突触蛋白2Ⅱ基因位于3号染色体,而突触蛋白2Ⅲ基因则位于22q12～131。由于基因所编
处。在中枢神经系统,突触蛋白主要分布在脑、脊髓和视网
膜中,白质中未见染色;在周围神经系统,主要分布在神经与肌肉接头处和自主神经节内。然而新近的研究表明,用抗突触蛋白2Ⅰ抗体在肝细胞中检测出一个与突触蛋白2Ⅰb大小相近(相对分子质量为8500)的蛋白质,并认为这是非神经元性的突触蛋白2Ⅰ,从而推测突触蛋白有更广泛的组织分布2。另外,不同的突触蛋白其分布范围亦不同,其中突触蛋白2Ⅰb的分布范围最广。同时不同的突触蛋白在不同区域的分布也存在差异,突触蛋白2Ⅲ在脑内不同区域的分布差异性比突触蛋白2Ⅰ和突触蛋白2Ⅱ要大3。2.2 细胞内定位 在未成熟的神经元,突触蛋白分布于正
Ξ
收稿日期: 2003203228; 修订日期: 2003208208
基金项目: 国家自然科学基金资助课题(批准号:30070825)作者简介: 梁燕玲(19722),女,广东广州人,主治医师,医学博士研究生,从事神经内科专业。
・930・
在发育中的轴突远端和生长锥(growthcones)上。在成熟的神经元,主要分布在神经终末处的突触前结构,且定位于突触小泡膜的表面。除突触蛋白2Ⅲ外,突触蛋白不分布在细
胞体上。Kao等4
用蛋白印迹的方法提取突触小泡,然后测定突触蛋白三种亚型在突触小泡的浓集程度,结果发现三者相差不大,突触蛋白2Ⅰa最高,而突触蛋白2Ⅱa和突触蛋白2Ⅲa非常接近。当用高浓度盐(200mmol/LNaCl)孵育2h后,三种突触蛋白大部分均从突触小泡中释放出来。由此表明,三种突触蛋白均定位于突触小泡表面的质膜上。另外,Hosaka等5发现,突触蛋白是以同或异二聚体的形式覆盖于小泡表面的。
3 突触蛋白的结构
每种突触蛋白均由几个不同的结构域(domain)相连而
成。目前共发现有10种不同的蛋白结构域(A～J区),其中A、B、C区是每种突触蛋白均具有的结构域,A区和C区是高度保守的结构域,而E区是a亚型突触蛋白共有的结构域(图1)。不同的结构域其功能不同。由于不同的突触蛋白之间既含有相同的结构域,也含有不同的结构域,因而不同的突触蛋白之间既具有相同的功能,也有不同的功能
。
图1 突触蛋白家族的结构域模式图
Figure1 Domainmodelofthesynapsinfamily
3.1 A区 位于突触蛋白的N端,含有惟一保守的磷酸化位点———蛋白激酶A(PKA)和Ca2+/CaM依赖的蛋白激酶Ⅰ(CaMKⅠ
)的磷酸化作用位点。在非磷酸化状态,突触蛋白可能通过与A区相关的磷脂结合活性以二聚体的形式与突触小泡结合。A区的磷酸化抑制突触蛋白与小泡磷脂膜的结合,导致突触蛋白从突触小泡中解离6。3.2 C区 是最大而保守的结构域,位于突触蛋白的核心,具有较多的功能。C区的晶体结构与一组利用ATP酶(如谷胱苷肽合成酶)结构非常相似,而且能与ATP结合,从而提示其可能具有酶的功能7。然而,目前尚无确切证据证明C区具有酶的功能。突触蛋白的三个成员虽与ATP结合的亲和力均较高,但不同成员之间的调节机制不同。Ca2+能促进突触蛋白2Ⅰ与ATP的结合,抑制突触蛋白2Ⅲ与ATP结合,而对突触蛋白2Ⅱ与ATP的结合则不起作用1,8。C区中的特定区域可与小泡磷脂膜双分子层的疏水端结合,从而维持了小泡的完整性和大小一致,并防止小泡的随机融合。Cheetham等9发现,突触蛋白2Ⅰ的C区中插入磷脂双分子层的区域为位于晶体结构表面的三个肽段:即残基166～192、233～258和278～327。另外,C区还可与肌钙蛋白结合,从而把小泡联接于肌动蛋白形成的细胞骨架网络上。除
2003年12月 第16卷
此以外,同种或异种的突触蛋白之间还通过C区结合以形成
同或异二聚体5。
3.3 E区 是突触蛋白a亚型的共有结构域,其作用主要
为调节突触小泡贮存池的稳定和神经递质释放的动力学过程10。
3.4 B、D、G、H和J区 它们由相似的氨基酸组成,而且富
含脯氨酸、谷氨酸、丙氨酸和丝氨酸,并含有丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)和CaMKⅡ的磷酸化位点,其作用主要为连接相邻结构和参与释放神经递质的调节。3.5 F和I区 分别位于突触蛋白2Ⅰb和Ⅱb的C端,是两个很短的区域。在非脊椎动物的突触蛋白中不一定出现,其功能尚不清楚。
4 突触蛋白的功能
突触蛋白主要有两方面的功能:调节神经递质的释放和参与神经元早期发育的过程。
4.1 调节神经递质的释放
4.1.1 维持突触小泡贮存池的稳定 突触前的小泡分布在
两个池,一个池含有少部分小泡,锚靠在活性带,随时准备释放神经递质,称为释放池;另一个池含有大部分小泡,远离活性带,称为贮存池。贮存池具有足够的小泡,是突触对高水平的神经活动作出反应的保证。在静息状态下,突触蛋白可逆性地把小泡与小泡连接起来,并把小泡联接于肌钙蛋白形成的细胞骨架网络上,从而使小泡远离质膜;神经递质被释放后,突触蛋白可促使更新的小泡回到贮存池,从而维持了小泡贮存池的动态稳定。在突触蛋白2Ⅰ和Ⅱ基因敲除的小鼠中,可观察到突触贮存池目的泡数选择性减少,提示突触蛋白可能在维持小泡贮存池的稳定中起着重要的作用。E区则可能起着主要的作用,于突触前注入E区的一个多肽片段可导致乌贼巨大突触中贮存池的小泡数目明显减少,而释放池的小泡数目并无改变10。
4.1.2 调节突触小泡的可移动性 根据小泡活动假说,当
活性带附近的细胞质中Ca2+浓度提高时,CaMKⅡ被激活,后者使突触蛋白2Ⅰ磷酸化,这就使它同肌钙蛋白的结合能力减弱,增加了小泡的可移动性。随着研究的深入,该假说不断地得以补充。Chi等11为突触蛋白调节小泡的活动提供了直接的生理学证据,在活的海马神经元轴突终末,当动作电位产生时,能观察到用绿色荧光蛋白标记的突触蛋白2Ⅰ与突触小泡分离,并向轴突弥散,而当突触活动停止后又重新聚集至突触。同时,通过阻断各个位点的磷酸化作用发现,突触蛋白的弥散速度是受磷酸化作用控制的。多种PK作用于突触蛋白特定的磷酸化位点,均可导致的磷酸化,而不同位点的磷酸化作用所产生的效应不同。以突触蛋白2Ⅰ为例,位点1是PKA的作用位点,位点2、3是
CaMK2Ⅱ的作用位点,这三个位点的磷酸化使突触蛋白2Ⅰ
与小泡的亲和力降低,并阻断突触蛋白2Ⅰ与肌钙蛋白之间的相互作用。而磷酸化位点4、5、6则是MAPK的作用位点,其磷酸化可抑制突触蛋白2Ⅰ与肌钙蛋白之间的相互作用,而对其与小泡的亲和力并无影响12。
4.1.3 调节神经递质释放的动力学 近年来研究发现,突
触蛋白可调节独立小泡从释放池释放的动力学过程。Hil2
fiker等10由乌贼的巨大突触前注入E区的多肽片段,可观
学报
第12期 梁燕玲,等 突触蛋白的结构与功能
察到释放池的小泡数目并无改变,但神经递质释放过程被抑制和减慢,从而提示突触蛋白可能通过小泡锚定后的机制以调节神经递质的释放。Hilfiker还发现了乌贼兴奋性突触后电流的发生和上升过程延迟,从而支持了上述的推测。许多证据已证明,这种神经递质释放的动力学过程的减慢既不单纯是递质释放减少的结果,也不是突触小泡池的总体变小引起的。Weber等13推测,突触蛋白调节神经递质释放的动力学机制可能为:①E区可能在小泡的正确着位和突触蛋白与小泡的结合中起调节作用;②可能通过补充某些必需的因子以保证小泡的正确着位和融合;③可能在小泡之间以空间分子的形式以利于已着位的小泡与质膜蛋白发生反应;④可能直接催化小泡着位后的一些依赖ATP的反应。
4.1.4 调节突触的可塑性 近年来,突触蛋白与突触可塑
性的关系,因其可能与神经系统复杂的学习和记忆功能及神经康复有关而受到特别的关注。Humeau等14将特定的抗
突触蛋白抗体注入一种软体动物的体内,以中和内源性的突触蛋白,结果发现,突触的强直后强化(post2tetanicpotentia2
tion,PTP)消失,取而代之的是强直后抑制(post2tetanicde2pression,PTD),同时突触衰竭的速度加快和程度加重。由
此说明,突触蛋白可能参与了突触短期可塑性的调节。Sato等15使用定量免疫组化分析发现,在刺激产生长时期强化(long2termpotentiation,LTP)后8h中,在大鼠的齿状回分子层和海马CA3区的透明层中,突触蛋白2Ⅰ免疫阳性物质的光密度明显增高,从而提示突触蛋白也可能与突触的长期可塑性有关。
4.2 参与中枢神经元的早期发育过程
4.2.1 调节轴突和树突的伸长 研究表明,突触蛋白在神
经元的早期发育阶段———突触形成之前已经有表达,而且主要集中在与伸长有关的细胞区域,其中以突触蛋白2Ⅲ的表达最高,且集中在生长锥16。Leypoldt等17使用维A酸以促进人的NTERA22clD1细胞分化,结果发现,突触蛋白三个成员的转录水平均明显上调,其中突触蛋白2Ⅰ升高了2.1倍,突触蛋白2Ⅱ升高了2.6倍,而突触蛋白2Ⅲ则升高了5.5倍。突触蛋白2Ⅲ的绝对优势提示,在突触前的早期发育中起着不可代替的作用。轴突和树突的伸长过程分为四个阶段:①神经元被片状胞足部分或完全围住;②片状胞足形成相同的短突起;③其中一个小突起开始快速地伸长并形成轴突;④其余的小突起也伸长并分化形成树突,抑制突触蛋白不同成员的表达可导致不同阶段的改变。既往的研究已发现,从突触蛋白2Ⅰ基因敲除小鼠获取的海马神经元可以分化出轴突和伸出几个小树突,但是轴、树突的长度明显比正常者短。近期的研究发现,抑制突触蛋白2Ⅱ的表达可导致20%的神经元未能长出突起,80%长出畸形的突起,而且在培养的前48h内,这些畸形的突起均不能分化成轴突18。而缺乏突触蛋白2Ⅲ的海马神经元可以长出正常的小突起,却未能伸长并分化出轴突和树突16。
4.2.2 参与突触的形成和维持 许多研究表明,突触蛋白
参与了突触的形成过程。在突触蛋白2Ⅰ基因敲除的小鼠中可观察到突触的末端变小,其中的突触小泡数目也明显减少。Ferreira等18在突触蛋白基因突变的小鼠中提取海马神经元进行培养,结果发现,海马神经元之间虽然还能形成突触联系,但比正常对照所形成的突触联系明显减少,同时
・931・
突触的发生延迟了近1周。突触蛋白主要通过两方面参与
突触的形成过程:一方面,可调配突触小泡的分布。在突触的形成过程中,突触小泡的分布经历三种状态:最初,突触中仅存在再循环池,对强的刺激仍能释放神经递质;接着,再循环池的大部分小泡锚定在质膜的内侧,形成了释放池,最后,新的小泡又形成贮存池。缺乏突触蛋白2Ⅰ和Ⅱ的海马神经
元在突触的早期发育过程中其释放池明显减少19
。另一方面,突触蛋白还可参与调节其他突触发生相关蛋白。抑制突触蛋白2Ⅰ或Ⅱ的表达可导致多种突触前蛋白表达的减少。值得一提的是,并未发现突触蛋白2Ⅲ参与突触联系的形成,在轴突伸长后抑制突触蛋白2Ⅲ的表达并没有影响突触形成的过程16。 除参与突触的形成外,突触蛋白还参与突触的维持。Ferreira等20利用反义核苷酸技术以抑制突触蛋白2Ⅱ的表达,结果发现,在突触联系形成前抑制海马神经元的突触蛋白2Ⅱ表达,会导致突触发生的抑制,而在突触联系形成后抑制其表达,则会导致神经元丢失大部分的突触。
5 突触蛋白的应用前景
突触蛋白作为突触终末的特异性标志物,可应用于神经
系统发育、疾病和可塑性的研究。目前,许多研究已发现,脑缺血缺氧、阿尔茨海默病、朊蛋白病和癫 等神经系统疾病均存在突触蛋白表达的改变。深入研究突触蛋白在神经系统疾病的变化,可为研究其发病机制及病理、生理改变提供很好的手段,为某些神经系统疾病的预防和治疗提供新的思路,同时还可为选择各种治疗方法提供可靠的依据。参考文献:
1
HosakaM,SudhofTC.Synapsin2Ⅲ,anovelsynapsinwithan
unusalregulationbyCa2+J.JBiolChem,1998,273(22):[1**********].
2 BustosR,KolenER,BraitermanLetal.SynapsinⅠisex2
pressedinepithelialcells:localizationtoauniquetrans2GolgicompartmentJ.JCellSci,2001,114(20):369523704.
3 PieriboneVA,PortonB,RendonBetal.Expressionof
synapsin2ⅢinnerveterminalsandneurogenicregionsoftheadultbrainJ.JCompNeurol,2002,454(2):1052114.
4 KaoHT,PortonB,CzernikAJetal.Athirdmemberofthe
synapsingenefamilyJ.ProcNatlAcadSciUSA,1998,95(8):466724672.
5 HosakaM,SiidhofTC.Homo2andheterodimerizationofsynap2
insJ.JBiolChem,1999,274(24):[1**********].
6
HosakaM,HammerRE,SiidhofTC.Aphosphoswitchcontrols
thedynamicassociationofsynapsinswithsynapticvesiclesJ.Neuron,1999,24(2):3772387.
7 EsserL,WangCR,HosakaMetal.SynapsinⅠisstructurally
similartoATP2utilizingenzymesJ.EMBOJ,1998,17(4):9772984.
8 HosakaM,SiidhofTC.Synapsin2Ⅰand2ⅡareATP2binding
proteinswithdifferentialCa2+regulationJ.JBiolChem,1998,273(3):142521429.
9 CheethamJJ,HilfikerS,BenfenatiFetal.Identificationof
SynapsinⅠpeptidesthatinsertintolipidmembranesJ.BiochemJ,2001,354(1):57266.
10 HilfikerS,SchweizerFE,KaoHTetal.Twositesofactionfor
学报・932・
synapsindomainEinregulatingneurotransmitterreleaseJ.NatNeurosce,1998,1(1):29235.11
16
2003年12月 第16卷
FerreiraA,KaoHT,FengJetal.SynapsinⅢ:developmental
expression,subcellularlocalization,androleinaxonformationJ.JNeurosci,2000,20(10):373623744.
17
ChiP,GreengardP,RyanTA.Synapsindispersionandreclus2
teringduringsynapticactivityJ.NatNeurosci,2001,4(12):118721193.
LeypoldtF,FlajoletM,MethnerA.Neuronaldifferentiationof
culturedhumanNTERA22cl.D1cellsleadstoincreasedexpres2sionofsynapsinsJ.NeurosciLett,2002,324(1):37240.
12 JovanovicJN,SihraTS,NairnACetal.Opposingchangesin
phosphorylationofspecificsitesinsynapsinⅠduringCa2+2de2pendentglutamatereleaseinisolatednerveterminalsJ.JNeu2rosci,2001,21(20):794427953.
18
FerreiraA,ChinLS,LiLetal.DistinctrolesofsynapsinⅠ
andsynapsinⅡduringneuronaldevelopmentJ.MolMed,1998,4(1):22228.
13 WeberT,ZemelmanBV,McNewJAetal.SNAREpins:mini2
malmachineryformembranefusionJ.Cell,1998,92(6):7592772.
19 MozhayevaMG,SaraY,LiuXetal.Developmentofvesicle
poolsduringmaturationofhippocampalsynapseJ.JNeurosci,2002,22(3):6542665.
14 HumeauY,DoussauF,VitielloFetal.Synapsincontrolsboth
reserveandreleasablesynapticvesiclepoolsduringneuronalac2tivityandshort2termplasticityinAplysiaJ.JNeurosci,2001,21(12):419524206.
20 FerreiraA,HanHQ,GreengardPetal.Suppressionof
synapsin2ⅡinhibitstheformationandmaintenanceofsynapseinhippocampalcultureJ.ProcNatlAcadSciUSA,1995,92(20):922529229.
15 SatoK,MorimotoK,SuemaruSetal.IncreasedsynapsinⅠ
immunoreactivityduringlong2termpotentiationinrathippocam2pusJ.BrainRes,2000,872(122):2192222.
(责任编辑 李风华)
(上接第928页)
因价格原因,仍未将外文全文数据库的购买列入计
划。国内一些大学图书馆采取集团购买的方式采购外刊全文数据库,结果发现,在全文电子期刊中每种刊物的平均价格要比购买印刷型刊物的价格低3,此法值得借鉴。载体形式的多样化,使得采购人员必须综合考虑,以保证外刊学科结构的完整性、多样性和全面性。3.6 资源协调共建,重视文献传递功能 网络环境下图书馆更应该是一所“没有围墙的学校”,医学的学科特点亦决定了医院图书馆的读者需求趋向网络化、综合化、社会化4。各医院图书馆应树立协调意识,克服长期以来各自为政、相互封闭的做法,加强馆际间合作,共同探讨,协调采购。通过协调采购工作,以地区为单位,确定合适的复本量,既要突出各医院订刊特色,又要避免重复采购,同时尽可能地扩大学科范围。此外,在文献传递日益发展的今天,“重藏轻用”早已被“不比馆藏数量,但求服务质量”的观点所取代,不再片面强调一馆的馆藏,而是将根据读者需要,通过各种途径获得并传递到读者手中的信息资料,一并视为馆藏的一部分。这种观点,国外在20世纪90年代初即得到足够的重视,如美国乔治・华盛顿大学图书馆就曾削减了200种期刊,共节约经费30万美元,而通过文献传递获得这些期刊
资料的费用仅为1.5万美元5。文献传递既节约了期刊采购经费,又节省了空间,这对经费、馆舍相对紧张的医院图书馆来说,是获取信息资源的重要途径。因此,各馆之间要积极开通文献传递的绿色通道。 总之,外文期刊的采购是图书馆各项采购工作的重点之一,每年图书馆在外文期刊上的经费投入的价格占全馆预算的很大比例。入世及计算机网络技术的发展为外文期刊的采购工作提供了新的机遇和挑战,医院图书馆应结合医院实际,合理规划,资源共建共享,最终实现美国图书馆学家杜威先生所说“以最小的花费为最多的读者提供最好的读物”。
参考文献:
12345
栾振华.外文期刊价格趋势及其对策J.
2002,(5):66269.
图书馆工作与研究,
徐晓冰,刘大红.论现代信息技术环境中的期刊收集工作J.山东图书馆季刊,2002,(1):21223.
袁 青.试析高校图书馆外文期刊的合理采购J.知识,2002,(5):73274.
盛 梅.改进信息网络环境下医院图书馆的读者服务工作J.医学研究生学报,2001,14(5):4642464.
肖冬梅.网络环境下文献传递与外文期刊订购J.情报学刊,2002,20(1):63265.
大学图书图书情报
(责任编辑 石 东)