王 闯1
桩基泥浆比重，程玉芳1
，张汉霆
1,2
，徐江平
1
(1.南方医科大学药学院药理学系，广东广州 510515;2.Dep t of Behavi oralM edicine and Psychiatry,
W est V irginia University Health Sciences Center,Morgant own,WV 2650629137,US A )
中国图书分类号:R 205;R 34214;R 338164;R 74517;R 97713文献标识码:A 文章编号:1001-1978(2009)07-0844-04摘要：大量的研究表明，环磷酸腺苷反应元件结合蛋白
(c AM P res ponse ele ment binding p r otein,CRE B )直接或间接
激活相关基因转录，进而表达c 2f os 、c 2jun 、BDNF 等，在神经元应激损伤后的再生、存活及修复以及学习记忆等方面发挥重要作用。磷酸二酯酶可以水解环磷酸腺苷(cyclic AM P, c AMP )及环磷酸鸟苷(cyclic G MP,cG MP )，进而影响其下游
信号转导，发挥对CRE B 的调节作用。该文从磷酸二酯酶抑制剂与学习记忆相关信号通路的关系及在学习记忆障碍中发挥的作用予以综述，并由该通路入手对发现神经退行性变疾病药物作用新靶点的可能性予以展望。
关键词:c AM P;cG M P；信号转导通路；学习记忆；神经退行性变疾病；靶点
收稿日期:2009-02-14，修回日期:2009-04-27
基金项目：国家自然科学基金资助项目(No 30672453)；广东省自然
科学基金重点资助项目(No 7117782)
作者简介：王 闯(1981-)，男，博士生，研究方向：神经药理与新药
临床前评价,Tel:020*********,E 2mail:c020@fi m mu ；徐江平(1967-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向：神经药理与新药临床前评价,Tel:020*********,E 2mail:
j px@fi m mu
在学习和记忆过程中，大脑中特殊的神经元会被激活，这些分子变化导致神经元功能改变。已经证明有两种因子———环磷酸腺苷反应元件结合蛋白(c AMP res ponse ele 2
ment binding p r otein,CRE B )和zif268起到激活基因的作用。CRE B 作为一种重要的核转录因子，在基因转录水平对学习
记忆的调控起着“开关”作用，成为科学家们研究的热点。环磷酸腺苷(cyclic AM P,c AM P )和(或)环磷酸鸟苷(cyclic
叶轮给粉机
G M P,cG M P )是细胞内两种重要的第二信使，通过特殊的受
体参与机体的多种新陈代谢活动，其细胞内浓度的调节主要由腺(鸟)苷酸环化酶的合成和磷酸二酯酶(P DEs )的水解作用之间的平衡决定。P DEs 能特异性地以3′,5′环核苷酸为底物，催化细胞内的cG M P 和c AM P 水解生成相应的无活性的5′核苷酸，从而影响生物体的各种代谢功能。 磷酸二酯酶(phos phodiesterases,P DEs )是调节第二信使的重要酶类，因此可以调节c AMP (cG M P )/PK A (PKG )/
CRE B 等信号通路，进而影响CRE B 磷酸化过程以及其下游
的基因表达水平。并产生各种生物学作用，包括抗炎、抗抑郁、增强记忆和改善认知功能等。因此,P DEs 及其抑制剂在欧美及日韩等国家成为研究的热点。本文对近年来的研究进展作一综述，并对可能成为改善认知功能的药物作用新靶点给予展望。
1 P D Es 家族及其功能特点
酒精气化炉agonists bovine adrenal medulla 8222and (Tyr6)2ga mma22MSH 26212inhibit f or malin 2evoked nocicep ti on and neur onal Fos 2like i m 2munoreactivity in the s p inal cord of the rat[J ].N euroscience ,2006,141(2):965-75.
[19]Chen T,Hu Z,Quiri on R,et al .Modulati on of NMDA recep t ors by
intrathecal adm inistrati on of the sens ory neur on 2s pecific recep t or
agonist BAM8222[J ].N europhar m acology ,2008,54:796-803.[20]Chen H,I keda S R.Modulati on of i on channels and synap tic trans 2
m issi on by a human sens ory neur on 2s pecific G 2p r otein 2coup led re 2cep t or,S NSR4/m rgX1,heter ol ogously exp ressed in cultured rat neur ons[J ].J N eurosci ,2004,24:5044-53.
Progress i n the stud i es of M rg receptor fam ily
CHANG M in 1
,L IW ei 1十字滑块联轴器
,WANG Rui
1,2
(1.Institute of B ioche m istry and M olecular B iology,2.Key L aboratory of
Preclinical S tudy for N e w D rugs of Gansu Province,L anzhou U niversity,L anzhou 730000,China )
Abstract:Recently,a large fa m ily of G 2p r otein coup led recep t ors (GPCR s )has been identified as mas 2related genes (M rgs ),W hich are s pecific exp ressed in s mall diameter sens ory neur ons in the trige m inal and dorsal r oot ganglia,suggesting a r ole in pain trans m issi on .M rgs recep t ors have been shown t o modulate s ome physi ol ogical and pathol ogical activities,such as pain and i m mu 2
nity .It is i m portant t o discover ligands ofM rgs f or understanding and elucidating their potential physi ol ogical and pathophysi ol ogi 2cal r oles .The studies on phar macol ogical s pectru m of NPS make it an interesting target for phar maceutical devel opment .Key words:M rg recep t or fa m ily;pain;ligand
·448·中国药理学通报 Chinese Phar m acological B ulletin 2009Jul;25(7):844～7
P DEs迄今已报道有11个家族(P DE1～11)，其可催化3′2磷酸酯键的水解从而灭活c AM P及cG MP。其中P DE4、P DE7、P DE8为c AMP的特异性的水解酶,P DE5、P DE6、P DE9为cG M P特异性的水解酶，其他P DEs则以这两种第二信使为底物，对c AMP、cG MP均可水解。P DEs同工酶分布在不同组织中，具有不同的生理功能(Tab1)。同时，每种同工酶甚至有多种亚型、亚亚型(以P DE4为例，见Fig1)，并且不只每个P DE家族有特异性底物和调节特点，而且每个家族各成员间也有组织、细胞、亚细胞特异性表达的不同，参与不同的信号传导通路。选择性P DEs抑制剂可特异性作用于不同的同工酶而发挥不同的作用。所以对P DEs与学习记忆之间关系的研究工作，目前主要是确定与学习记忆相关P DEs亚型及亚亚型等，筛选出确切的药物作用靶点，为药物的开发提供理论依据。目前对P DE4、P DE5及P DE2的相关抑制剂与学习记忆关系的研究较多，且表明P DE4、P DE5、P DE2抑制剂具有很好的增强认知作用。尤其对P DE4的研究最为深入，被认为其与记忆功能关系密切。
Tab1 PD E家族功能特点及分布特征
P DE家族水解cG MP水解c AMP组织分布
P DE1是是脑、心、肾、肝、骨骼肌、血管和内脏平滑肌
P DE2是是
肾上腺皮质、脑、心、肾、肝、阴茎海绵体、血管和内脏平滑肌
P DE3否是
阴茎海绵体、心、血小板、血管和内脏平滑肌、肝、肾
P DE4否是
肾、肺、脑、肥大细胞、心、骨骼肌、血管和内脏平滑肌
P DE5是否阴茎海绵体、血小板、骨骼肌、脑、血管和内脏平滑肌
P DE6是否视神经P DE7否是骨骼肌
P DE8否是
睾丸、眼、肝、骨骼肌、心、肾、卵巢、脑、甲状腺
P DE9是否肾、肝、肺、脑P DE10是是脑、睾丸、甲状腺
P DE11是是骨骼肌、前列腺、肾、肝、脑垂体、睾丸、唾液腺
2 P D Es抑制剂与学习记忆相关信号转导通路
2.1 P D Es抑制剂与CREB 大量的研究表明,P DEs抑制剂可以通过抑制P DEs对c AMP及cG MP的水解，提高其在胞内量，从而影响其介导的c AMP(cG MP)/PK A(PKG)/ CRE B等信号通路，通过CRE B的磷酸化作用于下游学习记忆相关基因表达及蛋白合成。由于在多种细胞及动物模型中证实CRE B磷酸化在学习记忆过程中发挥重要的作用, CRE B磷酸化成为近年来相关领域的研究热点。因此在介绍P DEs抑制剂与学习记忆相关信号转导通路关系之前有必要对CRE B及其磷酸化过程和所发挥的作用予以介绍。 CRE B是一种重要的转录因子,
其133位丝氨酸残基(Ser133)对CRE B的转录活性起重要作用，在被蛋白激酶A (PK A)磷酸化后,CRE B的转录活性会增加10～20倍。目电子顺磁共振
F i g1 PD E4cl a ssi f i ca ti on
S:Short2f or m;SS:super short2for m;no labels:l ong2for m;LARBS: l ow2affinity r oli p ra m binding state;HARBS:high2affinity r oli p ra m binding state
前，己知受磷酸化CRE B(pCRE B)调节的下游靶基因至少有100多个，包括c2f os、c2jun等。c2f os基因参与细胞生长、分化、信息传递、学习和记忆等生理过程。
CRE B磷酸化调节大量神经元蛋白基因表达，影响个体神经元直至整个神经网络的功能。首先，愈来愈多的动物实验证明CRE B在介导L2LTP及记忆过程中的关键性作用；其次，研究发现[1]CRE B活化的重要结果之一可能就是突触结构的可塑性增强。此外，研究发现[2]CRE B磷酸化介导的转录，还可以促使新的突触链接的生成，提高神经元的存活率，缓解脑损伤后认知障碍。
因此,P DEs抑制剂通过对第二信使的调节从而介导相关信号转导通路进而影响CRE B及磷酸化过程及其下游因子，发挥了增强认知功能的作用。下面就目前国内外研究的热点，分别选择P DEs特异性水解酶及其非特异性水解酶抑制剂在发挥认知功能增强作用中与相关信号转导通路之间的关系予以介绍。
2.2 P D E4抑制剂与cA M P/PKA/CREB及M APK/ ERK/CREB信号通路
2.2.1 P DE4抑制剂与c AMP/PK A/CRE B信号通路 虽然腺苷酸环化酶(adenylyl cyclase,AC)和cAMP2P DE都参与调控细胞内c AM P浓度，但是后者在调解细胞内c AM P积累过程中起着更为重要的作用。相对于其他P DEs而言,P DE4对神经细胞中c AMP的水解起着更为重要的作用。抑制P DE4使c AMP在细胞内积聚，并产生各种生物学作用，包括抗炎、抗抑郁、增强记忆和改善认知功能等[3]。
由于P DE4特异性的催化c AMP的水解，因此对调解细胞内c AMP浓度起关键的作用。c AMP激活蛋白激酶A (PK A),PK A磷酸化并激活CRE B；后者调节与记忆相关的表达，表明c AMP信号通路对记忆的调节发挥重要作用, P DE4抑制剂可对突触可塑性和记忆有重要调节作用：首先，研究发现[2,4]P DE4抑制剂(如r oli p ra m)增加脑内c AMP浓度，通过激活c AM P/PK A/CRE B信号通路，并促进记忆形成，对抗由药物、电惊厥、脑缺血等多种削弱c AMP信号转导的因素引起的记忆减弱，以及延缓记忆的消退。其次，早期
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中国药理学通报 Chinese Phar m acological B ulletin 2009Jul;25(7)
研究发现[5]与P DE4抑制剂的记忆增强作用相一致，在大鼠和小鼠海马脑片中,r oli p ra m 可增强LTP，并可将早时相LTP
(与短时记忆有关)，转化为晚时相LTP (与长时记忆相关。
第三,P DE4在脑内，尤其在与记忆相关的脑区(如海马和杏仁核)有很高的分布。
2.2.2 P DE4抑制剂与MAPK/ERK/CRE B 信号通路 ERK
是重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，它的底物包括转录因子、组蛋白、细胞内其他重要的激酶以及K +通道等。这些物质都是细胞内的重要组成成分，是学习记忆形成过程中必不可少的。ERK 被激活后也可通过激活核糖体S6激酶(ribos o 2
mal S6kinase,R sk )来激活CRE B，从而作用于CRE，启动CRE 依赖性的转录。此外,ERK 也可直接磷酸化转录因子CRE B (Fig 2)。Kelly 等
[6]
的研究证明MAPK/ERK 信号通路
参与了海马内学习记忆的巩固。研究发现[5]NMDA 受体拮抗剂AP 25可拮抗r oli p ra m 的认知增强作用，提示r oli p ra m 的作用有赖于NMDA 受体的激活，这与r oli p ra m 逆转NMDA 受
体拮抗剂MK 2801引起的记忆减弱是一致的[7]
，表明Roli p 2
ram 的作用使NMDA 受体的激活，从而激活MAPK/ERK/CRE B 信号通路，在神经保护及学习记忆过程中发挥重要作
用
[8]
。研究发现
[9]
c AM P 通过小G 蛋白Rap1来激活B 2Raf
从而直接启动ERK 信号转导通路的激活。因此上述表明
P DE4抑制剂可以通过c AM P 及NMDA 受体发挥对MAPK/ERK/CRE B 信号通路作用
。
图2 PD E4与信号转导通路模式图
NMDA 2R:N 2甲基2D 2天(门)冬氨酸受体;Raf：一种丝氨酸/苏氨酸激酶;MEK：丝裂原活化蛋白激酶;ERK：细胞外信号调节激酶
2.3 P D E5抑制剂与cG M P /PKG /CREB 及NO /cG M P /sGC 信号通路 P DE5是cG MP 的特异性水解酶，可以影响cG MP /PKG/CRE B 信号通路而发挥作用。P DE5抑制剂的应
用很广泛[如sildenafil (V iagra )和vardenafil (Levitra )]，早期主要用于勃起障碍。研究表明[4]P DE5抑制剂可以缓解急性氨酸缺失诱导的动物目标识别记忆能力障碍，并且可以提高老年动物的自发活动能力[10]。Prickaerts 等[11]进一步跟踪研究发现P DE5抑制剂提高记忆巩固的早期过程
可能通过突触前机制:NO 2cG MP 信号转导通路发挥作用或者通过突触后机制:cG MP /PKG/CRE B 信号转导通路发挥作用。
NO 作为一种特殊的信使分子，不仅可以通过影响海马
LTP，与脑内其他递质共同作用，调节脑血流量来影响学习
记忆，还参与海马发育和突触形成，甚至对基因表达起着调控作用。研究发现[10]P DE5抑制剂在发挥增强认知功能的同时可以提高动物的NOS 活性，表明NO 2cG MP 信号通路在
P DE5发挥增强认知功能过程中具有重要作用。随着近年来
对NO 2cG MP 细胞信号传导通路及其下游底物，如蛋白激酶
G (cG MP 2dependent p r otein kinases,PKG )等有关研究地深
入，也许可以对NO 在学习记忆中的作用机制有一个更加深入的认识。因此对于特异性影响cG MP 及其介导的信号通路的P DEs 抑制剂在发挥认知功能增强的作用不容忽视。
2.4 P D E2抑制剂与cA M P(cG M P)/PKA (PKG)/CREB
及N O 2cG M P 信号转导通路 P DE2是非特异性的水解酶，可以水解c AM P 及cG MP，所以从理论上讲其应该通过c AM P
及cG MP 介导的信号转导通路发挥作用。研究发现[10]
P DE2
抑制剂可以改善不同年龄段的动物的认知能力，这与P DE5仅仅改善试验中3mon 动物的认知能力不同，并且P DE2抑制剂同样可以增强NOS 的活性，这表明P DE2抑制剂可能是通过多条通路来发挥作用的。大量的研究表明第二信使
cAMP 及cG M P 在学习记忆过程中发挥不同的作用，这就是
为何Rutten 等[12]整体动物实验中发现P DE2抑制剂在训练阶段结束后立刻给药及结束后3h 给药表现出很好的认知增强作用，而P DE4抑制剂仅在训练后3h,P DE5仅在训练后立刻给药方发挥提高认知的作用。所以推测cG MP 在记忆形成的早期阶段，而c AM P 在记忆形成的晚期阶段发挥重要作用，并且c AM P 及cG M P 在长期记忆的巩固阶段中作用时间窗较窄。因此P DE2抑制剂可以通过c AM P 及cG MP 介导的信号转导通路协同发挥作用。
3 展望与挑战
老年性痴呆(又称阿尔采末病,A lzhei m er ’s disease,AD )是当今社会严重威胁老龄化人口的一种疾病，其主要表现为中枢神经系统进行性、不可逆性的认知和记忆能力的衰退。在全世界大约有25%的人超过65岁，而其中有1/3可能患
打印胶片AD 。尽管在神经科学投入大量人力物力，但目前只有4种
药物：他克林(Tacrine )、多奈哌齐(Donepezil )、加兰他敏
(Galanta m ine )、卡巴拉汀(R ivastig m ine )均为胆碱酯酶抑制
剂通过F DA 批准用于AD 的对症，且效果均不尽人意。寻新的AD 靶点成为神经药理学家研究的热点。
P DEs 对记忆具有重要的调解功能，它可作为老年性痴呆症
等影响记忆和认知功能疾病药物的作用靶标。P DE 抑制剂有望成为一种新型认知增强剂。
考虑到P DEs 可以控制细胞内cAMP 及cG MP 参与调控学习与记忆等认知过程，因此能否以P DEs 为靶标作为改善神经退行性变疾病所引起的认知功能障碍是科学家研究的热点。然而面对的挑战众多。首先P DEs 众多的亚型筛选出特异性强的靶点仍具很大挑战。目前对P DE4与学习记
·648·中国药理学通报 Chinese Phar m acological B ulletin 2009Jul;25(7)
忆的研究较为深入，然而哺乳动物的P DE4有4种亚型，即P DE4A、P DE4B、P DE4C、P DE4D4种基因编码，每种亚型又包括多种亚亚型。然而迄今P DE4亚型功能尚不清楚且缺乏高选择性抑制剂，亚型对记忆的调节作用任重而道远。其次，在长时记忆中发挥重要作用的CRE B及其磷酸化过程如何
在学习记忆中发挥作用的确切机制还不清楚,CRE B活化后如何影响下游途径?对哪个脑区的影响在长时记忆中起到更重要的作用?P DEs抑制剂对胆碱能系统作用如何及其确切的机制如何?c AMP(cG MP)/PK A(PKG)/CRE B及NO2 cG MP信号转导通路在对CRE B发挥作用的同时之间具有何种相互作用?既然c AM P/PK A/CRE B和cG MP/PKG/CRE B 两条信号转导通路再学习记忆中均发挥作用，这两条通路在调解学习记忆中的地位如何?既然非特异性水解酶P DE2被抑制后可以通过c AM P/PK A/CRE B和cG MP/PKG/CRE B 两条甚至多条通路发挥提高认知的功能，能否说非特异性水解酶在调解学习记忆过程中优于特异性水解酶等等一系列问题等待用事实回答。
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Progress i n the rel a ti on sh i p of phosphod i estera ses i n h i b itors and si gna l tran sducti on pa thway a ssoc i a ted w ith learn i n g and m em ory WANG Chuang1,CHENG Yu2fang1,Z HANG Han2ting1,2,XU J iang2p ing1
(1.D ept of Phar m acology,School of Phar m aceutical Sciences,Southern M edical U niversity,Guangzhou 510515,China;
2.D ept of B ehavioral M edicine and Psychiatry,W est V irginia U niversity Health Sciences Center,M organto w n WV2650629137,USA)
Abstract:A large nu mber of studies indicates that c AMP re2 s ponse element binding p r otein(CRE B)directly or indirectly ac2 tivates the transcri p ti on of certain gene such as c2f os,c2jun, BDNF,et al,and then exp resses the certain p r otein molecules and neur otr ophic fact or,which p lays an i m
portant r ole in the re2 ne wable,survival and repair of neur ons in the stress injury and learning and me mory.Phos phodiesterases(P DEs)can hydr olyze cyclic AMP(c AMP)and cyclic(G M P),affect its downstrea m signal transducti on,and p lay a r ole in the regulati on of CRE B. This article reviews the p r ogress in the relati onshi p of phos phodi2 esterases inhibit ors and signal transducti on path way ass ociated with learning and me mory and the r ole of its effects on learning and me mory dis orders,t o exp l ore the p r os pects of phos phodies2 terase as ne w drug targets for neur odegenerative dis orders.
Key words:c AMP;cG MP;signal transducti on path way;learning and me mory;neur odegenerative dis orders;target
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中国药理学通报 Chinese Phar m acological B ulletin 2009Jul;25(7)
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