中脑多巴胺能神经元自身受体DRD2的功能与调控

㊀㊀基金项目:国家自然科学基金资助项目(81601117)ꎻ北京市自然科学基金资助项目(7184221)ꎻ北京市百千万人才工程资助项目(2017A14)ꎻ北京市科技新星计划资助项目(Z181100006218045)ꎻ北京市医院管理局临床医学发展专项基金资助项目( 扬帆计划 ꎬZYLX201833)ꎻ北京市卫生系统高层次卫生技术人才基金资助项目(2015-3-117)ꎻ北京老年医院院内课题(2016bjlnyy-青-5㊁
2017bjlnyy-青-2)作者单位:100095㊀北京中医药大学附属北京老年医院老年病临
床与康复研究所
通讯作者:王玉波ꎬ主任医师ꎬ:wangyubo5223@163.comꎻ于佳ꎬ副研究员ꎬ:jyu319@163.com
中脑多巴胺能神经元自身受体DRD2的功能与调控
杨㊀璇㊀王玉波㊀张㊀云㊀贾㊀丁㊀张正慧㊀宋彬彬㊀于㊀佳
摘㊀要㊀多巴胺受体家族共有5个成员ꎬ在运动㊁奖赏㊁情感㊁记忆等多种神经功能中发挥重要的作用ꎮ尽管大部分多巴胺受体分布在非多巴胺能神经元上ꎬ还有一部多巴胺受体分布于多巴胺能神经元中ꎬ这部分多巴胺受体被称为多巴胺自身受体ꎬ其中多巴胺受体D2(dopaminereceptorD2ꎬ
路上有惊慌DRD2)是最重要的多巴胺自身受体ꎮ本文将对DRD2自身受体的结构㊁功能㊁调节机制进行综述ꎬ以期对多巴胺神经系统的功能和作用机制加深理解ꎮ
关键词㊀多巴胺受体D2㊀自身受体㊀多巴胺能神经元㊀成瘾㊀帕金森病中图分类号㊀R74㊀㊀㊀㊀文献标识码㊀
A㊀㊀㊀㊀DOI㊀10.11969/j.issn.1673 ̄548X.2019.03.005
㊀㊀一㊁DRD2的结构
多巴胺受体D2(dopaminereceptorD2ꎬDRD2)编
码基因位于11号染体q22~23ꎬ编码415~444
(鼠)㊁414~443(人)个氨基酸ꎬDRD2基因可编码产
生剪接变异体ꎬ即短型(D2S)和长型(D2L)ꎬD2L比D2S在第3胞内环处多29个氨基酸序列ꎮDRD2属于G蛋白偶联受体ꎬ由7个跨膜区域组成ꎮDRD2的氨基端位于胞外ꎬ包含有4个N-糖基化位点ꎮ羧基端与位于胞内ꎬ包含有多个丝氨酸㊁苏氨酸残基位点ꎬ可被激酶磷酸化ꎻ在DRD2的第3胞内环也存在多个磷酸化位点ꎬ这些位点的磷酸化参与了激动剂依赖的受体去敏感化以及第四胞内环的形成[1]ꎮ二㊁DRD2在中枢神经系统的分布以及亚细胞分布
DRD2广泛分布于中枢神经系统中ꎮDRD2高表
达于纹状体㊁伏隔核㊁嗅球ꎬ在大脑皮质㊁基底前脑㊁边缘系统㊁下丘脑㊁后脑表达较低[1]ꎮDRD2还表达于中脑多巴胺能神经元中ꎮ检测发现敲除中脑多巴胺能神经元中的DRD2可使大脑中DRD2含量下降
20%ꎻ而敲除纹状体神经元中DRD2则可使大脑中DRD2含量下降约70%ꎬ表明DRD2在中脑的表达也相对较低[2]ꎮ在神经元中ꎬDRD2主要分布于胞膜上ꎬ但胞质内也有DRD2ꎬ可能主要是位于内体[3]ꎮ
近年来的研究表明ꎬDRD2在多巴胺能神经元胞膜中并不是弥散分布的ꎮRobinson等[4]观察到DRD2基因敲入小鼠中脑多巴胺能神经元中胞体胞膜和树突膜上的DRD2呈点状聚集分布ꎮ此外ꎬSharma等[3]利用生化实验证实在HEK293T细胞膜上有一部分DRD2存在于某种微结构中ꎬ不易于其他膜蛋白发生相互作用ꎮ上述结果提示ꎬDRD2与其他G蛋白偶联受体的分布有所不同ꎬ其功能的发挥可能也具有一定特殊性ꎬ这也是未来需要进一步研究的问题ꎮ
三㊁多巴胺能神经元中存在DRD2自身受体早在1976年多巴胺自身受体的概念就已经被提出ꎬ人们发现多巴胺受体激动剂可以抑制多巴胺的释放ꎻ而通过利用多巴胺受体亚型特异性激动剂或抑制剂ꎬ人们发现DRD2可能是最主要的多巴胺自身受体ꎮ因此ꎬ为了明确DRD2的自身受体功能ꎬ研
究者建立了DRD2基因敲除小鼠并观察到与野生型小鼠相比ꎬDRD2基因敲除小鼠表现为水平运动减少ꎻ在刺激下ꎬ野生型小鼠和DRD2基因敲除小鼠的运动均显著提高ꎬ但对DRD2基因敲除小鼠运动能力的提高要强于野生型小鼠ꎮ进一步研究发现ꎬ或电刺激下ꎬDRD2基因敲除小鼠纹状体胞外多巴胺含量增加幅度高于野生型小鼠ꎬ提示DRD2可以调节小鼠脑内多巴胺的释放[5]ꎮ
为了进一步明确DRD2在小鼠多巴胺能神经元突触前和突触后的作用ꎬ人们建立了选择性DRD2基因敲除小鼠ꎮAnzalone等[2]研究发现在的刺激下ꎬ中型多棘神经元选择性DRD2敲除小鼠的运动
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功能与野生型小鼠相比明显下降ꎬ而中脑多巴胺能神经元选择性DRD2敲除小鼠运动功能则显著升高ꎮ
DRD2激动剂喹吡罗可抑制野生型小鼠纹状体内多巴胺释放ꎬ但在中脑多巴胺能神经元选择性DRD2基因敲除小鼠喹吡罗的这一效应明显降低ꎮ但上述DRD2基因敲除小鼠在神经系统发育早期DRD2就已经表达缺失ꎬ这可能会导致神经系统的发育障碍ꎬ从而影响对DRD2功能的研究ꎮ因此ꎬBudygin等[6]利用腺相关病毒包装的短发夹RNA敲减成年小鼠黑质中的DRD2ꎬ结果发现
该小鼠同样表现为运动显著增强ꎻDRD2拮抗剂氟醇可以显著增加对照组小鼠纹状体内多巴胺释放ꎬ但是这种效应在DRD2敲减小鼠中被明显抑制ꎮ上述结果提示ꎬ中脑多巴胺能神经元中的DRD2作为自身受体抑制多巴胺的释放和小鼠运动功能ꎮ
四、DRD2自身受体介导的细胞功能
1.DRD2自身受体调节中脑多巴胺释放:当多巴胺能神经元在刺激下释放多巴胺至突触间隙ꎬ可激活轴突上的DRD2自身受体ꎬ降低随后的多巴胺胞吐释放的概率ꎬ这一过程一般仅需几百毫秒到几秒[5]ꎮ轴突上的DRD2自身受体对多巴胺胞吞释放的抑制作用具有重要的生理意义ꎬ可限制动作电位持续爆发诱发的多巴胺过度释放ꎮ
多巴胺的胞吐释放和胞内钙离子浓度增加密切相关ꎮ研究表明ꎬDRD2激动剂喹吡罗可明显抑制神经元的钙离子电流ꎬDRD2的激活可以有效的抑制P/Q以及N型钙离子通道ꎬ降低突触前钙离子浓度ꎬ从而抑制突触前囊泡的释放[5]ꎮ此外ꎬDRD2还可以不通过钙离子通道ꎬ而是钾离子通道调节突触前囊泡释放ꎮFulton等[7]利用免疫荧光染观察到电压门控性钾离子通道Kv1亚基Kv1.2㊁1.3和1.6分布于多巴胺能神经元轴突ꎬKv1广谱抑制剂4-AP可以减轻喹吡罗对多巴胺能神经元释放多巴胺的抑制作用ꎬ提示Kv1参与介导了DRD2的自身受体功能ꎮ进一步研究发现Kv1.2亚基拮抗剂MTX几乎可以完全拮抗喹吡罗对多巴胺释放的抑制作用ꎬ提示Kv1.2亚基参与了
DRD2对多巴胺释放的抑制ꎮ在基础条件下ꎬKv1.2基因敲除小鼠纹状体中多巴胺释放量明显高于野生型小鼠ꎬ且Kv1.2基因敲除小鼠对喹吡罗不敏感ꎬ进一步证实了Kv1.2亚基参与了DRD2自身受体功能[7]ꎮKv1.2的激活可导致大量钾离子进入多巴胺能神经元中ꎬ使得神经元静息电位降低ꎬ神经元发生超极化ꎬ从而抑制多巴胺的释放ꎮ
多巴胺释放至突触间隙后ꎬ胞外的多巴胺清除主要是通过多巴胺转运体(dopaminetransporterꎬDAT)ꎬ这也是避免胞外过量DA产生持续性神经兴奋毒性重要机制ꎮ研究发现ꎬDRD2自身受体可以调节DAT的活性ꎮBudygin等[6]研究发现利用腺相关病毒包装的短发夹RNA敲减成年小鼠黑质中DRD2可导致
DAT活性降低ꎮBenoit-Marand等[8]检测了前脑内侧束中多巴胺的半衰期ꎬ多巴胺的半衰期可反映DAT对多巴胺的再摄取活性ꎬ结果发现DRD2拮抗剂氟醇和依替必利可延长野生型小鼠多次电刺激诱发释放的多巴胺的半衰期ꎬ但是却对DRD2基因敲除小鼠无明显影响ꎮ此外ꎬ还有研究发现激活D2S提高了细胞膜上DAT含量[5]ꎮ但值得注意的是ꎬDRD2拮抗剂氟醇和依替必利并未能改变DAT对单次电刺激诱发释放的多巴胺的再摄取ꎬ这一结果表明DRD2介导的DAT活性增强可能只在DRD2被过度持续激活时才会发生ꎮ
DRD2自身受体还可以调节多巴胺的合成ꎮ多个研究显示ꎬDRD2激活可降低多巴胺合成限速酶酪
氨酸羟化酶(tyrosinehydroxylaseꎬTH)Ser40磷酸化水平ꎬDRD2对THSer40磷酸化水平的调节是通过抑制环腺苷酸(cyclicadenosinemonophosphateꎬcAMP)/蛋白激酶A(proteinkinaseAꎬPKA)通路[5]ꎮTHSer40磷酸化水平和TH的活性呈正相关ꎮDRD2拮抗剂氟醇和阿立哌唑增加而DRD2激动剂喹吡罗降低小鼠纹状体内的多巴胺合成[5]ꎮ多巴胺合成降低可能会导致突触前囊泡中多巴胺含量降低ꎬ进而抑制多巴胺的释放ꎮ
在刺激或静息状态下均有多巴胺在胞体和树突中释放ꎮ胞体和树突释放的多巴胺可激活DRD2自身受体ꎬ促使Gβγ和Gα解离释放入胞质ꎬGβγ可与G蛋白门控内向整流钾离子通道(Gproteingatedin ̄wardlyrectifyingKchannelsꎬGIRK)胞质结构域结合从而激活GIRKꎮ在黑质和中脑腹侧被盖区多巴胺能神经元中均有有GIRK表达ꎮGIRK激活会导致大量钾离子内流ꎬ多巴胺能神经元膜电位发生强烈超极化ꎬ多巴胺能神经元停止放电ꎬ从而抑制多巴胺释放[9]ꎮ2.DRD2自身受体调节多巴胺能神经元的发育
和存活:研究发现胚胎发育期DRD2基因敲除小鼠中脑多巴胺能神经元数目与野生型小鼠相比明显降低ꎬ而喹吡罗处理可以提高野生型小鼠中脑多巴胺能神经元数量ꎬ促进神经突起生长ꎬ提示多巴胺能神经元强盗的逻辑
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中DRD2自身受体可能促进了多巴胺神经元的发育ꎮWiemerslage等[10]研究发现ꎬDRD2激动剂喹吡罗可减轻MPP+所诱导的果蝇多巴胺能神经元损伤ꎻ而当在多巴胺能神经元中DRD2被敲减ꎬ喹吡罗则不能减轻MPP+诱导的损伤ꎮBellucci等[11]发现糖剥夺处理导致SY5Y细胞中α-突触核蛋白发生纤维状聚集ꎬ并伴随有细胞死亡ꎬ而喹吡罗则可以明显抑制糖剥夺诱导的细胞死亡ꎮ上述研究提示多巴胺能神经元中的DRD2自身受体还可能介导了神经保护作用ꎮ
多巴胺能神经元中的DRD2自身受体是通过何种机制促进多巴胺能神经元的发育和存活?研究发现ꎬDRD2可通过激活ERK通路提高核相关受体因子(nuclearreceptorrelatedfactor1ꎬNurr1)的活性ꎬNurr1在多巴胺能神经元的发育和存活中起到重要作用[12]ꎮ因此ꎬ中脑多巴胺能神经元中的DRD2可能通过激活Nurr1促进神经元的发育和存活ꎮ此外ꎬTozzi等[13]发现喹吡罗可减轻鱼藤酮诱导的氧化应激损伤ꎬ包括钙离子积累㊁线粒体片段化㊁ATP合成降低ꎻPKA的抑制剂H89也可以抑制上述损伤ꎮ据此可以推测ꎬDRD2可能通过抑制PKA的活性以抑制氧化应激损伤ꎬ保护多巴胺能神经元ꎮ
五㊁D2L和D2S均可作为自身受体
为了确定D2L和D2S可否在中脑多巴胺能神经元中作为自身受体发挥功能ꎬRadl等[14]同时建立了D2S基因敲除小鼠和D2L基因敲除小鼠ꎬ并观察到喹吡罗可以有效抑制野生型和D2L基
因敲除小鼠的运动能力ꎬ但是对D2S基因敲除小鼠的运动无明显影响ꎻ氟醇可以诱导野生型和D2S基因敲除小鼠出现僵直行为ꎬ但是却对D2L基因敲除小鼠无效ꎮ根据以上证据ꎬ研究者认为D2L主要分布于多巴胺作用的靶神经元ꎬ介导突触后功能ꎻ而D2S主要分布于中脑多巴胺能神经元ꎬ作为自身受体调节多巴胺释放ꎮ
但是也有证据表明ꎬD2L也表达于多巴胺能神经元并发挥自身受体功能ꎮJang等[15]利用RT-PCR检测发现小鼠黑质中同时有D2L和D2S表达ꎬ且D2L的mRNA水平明显高于D2Lꎮ喹吡罗可以明显抑制表达D2L或D2S的中脑神经元放电ꎬ且这种抑制作用在D2L和D2S阳性神经元中无明显差异ꎮNeve等[16]利用腺相关病毒在DRD2基因敲除小鼠黑质中表达D2L或D2Sꎬ结果发现D2L或D2S均可使DRD2基因敲除多巴胺能神经元的自身受体功能回复ꎮ因此可以推测ꎬD2L和D2S均表达于中脑多巴胺能神经元中发挥自身受体功能ꎮ
书拉密女小站D2L比D2S在第3胞内环处多29个氨基酸序列ꎬ鉴于第3胞内环包含多个翻译后修饰位点ꎬ因此D2S和D2L可能具有不同的特性ꎮTabor等[17]利用全内角反射荧光显微镜在CHO细胞中观察到在激动剂刺激下ꎬD2S发生内化的程度要明显高于D2LꎮGantz等则发现胞内钙离子可促使D2S发生去敏感化ꎬ但对D2L却无明显影响ꎬ即胞内钙离子的增加可导致D2S的自身受体功能被抑制ꎬ而D2L却依然可以发挥自身受体功能ꎮ
此外ꎬ第3胞内环对于胞内信号转导起着重要作用ꎬ因此D2S和D2L介导不同的胞内信号通路ꎮDRD2通常和Gαi偶联抑制cAMP/PKA信号通路ꎮTHSer40㊁多巴胺和cAMP调节的磷蛋白(dopamineandadenosine3ᶄ5ᶄ-monophosphate-regulatedphos ̄pho-proteinꎬMr32kDaꎬDARPP-32)Thr34都是PKA磷酸化作用靶点ꎮ在D2L基因敲除小鼠中ꎬ喹吡罗仍可降低小鼠多巴胺能神经元内THSer40磷酸化水平ꎬ但是DARPP-32Thr34磷酸化水平无改变ꎬ提示D2L介导了DARPP-32Thr34的磷酸化ꎬ而D2S介导了THSer40的磷酸化ꎮDRD2的激活还可促进AKT和其负性调节蛋白蛋白磷酸酶2A形成复合体ꎬ使其失活ꎮ激活D2L可抑制AKT活性ꎬ而激活D2S则不会影响AKT活性[5]ꎮ上述D2L和D2S的差异可能对DRD2自身受体功能的发挥有重要意义ꎬ但是目前人们还未能阐明其生理意义以及导致这些差异的机制ꎮ我心目中的春天
六㊁DRD2自身受体功能的调节机制
1.GRK2对DRD2自身受体功能的调节:DR的内化过程受到G蛋白偶联受体激酶(Gprotein-cou ̄pledreceptorkinaseꎬGRK)调节ꎬ当DR被激活后ꎬ会被GRK磷酸化ꎬ增加DR和Arrestin的结合能力ꎬ促使DR发生内化ꎮDaigle等[18]建立了DRD2阳性神经元GRK2特异性基因敲除小鼠ꎬ并观察发现该小鼠纹状体中多巴胺释放量显著低于野生型小鼠ꎬ并且DRD2自身受体活性明显降低ꎬ提示GRK2可以调节中脑多巴胺能神经元中的
DRD2活性ꎮ
2.其他膜受体对DRD2自身受体功能的调节:素受体(cannabinoidreceptor1ꎬCB1)受体和DRD2共定位与多巴胺能神经元的轴突末端㊁轴突㊁树突以及胞体中ꎮCB1受体是一个7跨膜的G蛋白偶联受体ꎬ在中枢神经系统广泛表达ꎬ位于突触前膜的CB1
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可以调节神经递质的释放ꎮOᶄNeill等[19]发现CB1受体激动剂WIN55212-2可以降低喹吡罗对多巴胺释放的抑制作用ꎬ提示激活CB1受体可以拮抗DRD2的自身受体功能ꎮ在纹状体神经元和HEK293细胞中ꎬ激活CB1受体降低了多巴胺和DRD2的结合能力ꎬ但是这一机制是否同样适用于多巴胺能神经元中的DRD2自身受体目前仍缺乏证据ꎬ需要进行验证ꎮ
Escobar等[20]利用免疫荧光染观察在伏隔核中到κ阿片受体㊁DRD2和突触前标志物Syntaxin1共定位ꎬ且κ阿片受体和DRD2双阳性的突触小体也表现为TH阳性ꎬ表明κ阿片受体和DRD2共定位于多巴胺能神经元的突触前ꎮ而κ阿片受体激动剂U69593可加速喹吡罗对多巴胺释放的抑制作用ꎬ表明κ阿片受体激活可促进DRD2自身受体功能ꎮ此外ꎬ还有研究检测到痕量胺相关受体1(traceamine-associatedreceptor1ꎬTAAR1)的激活可以抑制多巴胺的释放ꎮTAAR1分布于大脑边缘系统ꎬ如杏仁核㊁背缝神经核㊁中脑腹侧被盖区
中ꎮLeo等[21]观察到TAAR1基因敲除小鼠伏隔核中多巴胺释放量明显高于野生型小鼠ꎬ而TAAR1激动剂RO5166017可导致野生型小鼠伏隔核中多巴胺释放降低ꎮ进一步研究发现ꎬ在野生型小鼠中RO5166017可以增强喹吡罗对多巴胺释放的抑制作用ꎬ提示TAAR1的激活也可以作用于DRD2ꎬ提高其自身受体功能[21]ꎮ七㊁DRD2自身受体异常与神经精神疾病
DRD2自身受体表达异常与成瘾相关ꎮMilella等[22]利用正电子发射型计算机断层显像(positrone ̄missioncomputedtomographyꎬPET)检测发现在滥用者中脑内DRD2水平越低ꎬ其对渴求程度越高ꎮTournier等[23]研究发现黑质和中脑腹侧被盖区内天生DRD2表达降低的大鼠可能更易滥用药物ꎮ
DRD2自身受体表达异常还可能参与了帕金森病的发生ꎮDragicevic等[24]检测发现在帕金森病患者中黑质未变性死亡的多巴胺能神经元内DRD2mRNA水平明显则增加ꎬ目前这一改变在帕金森病发病中的意义仍不明确ꎮ但已有临床证据显示DRD2激动剂罗平尼罗可能会延缓帕金森病病程的进展ꎬ提示黑质中未变性死亡的多巴胺能神经元内DRD2表达升高可能一种代偿性的保护机制ꎮ
八㊁展㊀㊀望
多巴胺能神经元上的DRD2自身受体调节多巴胺的释放ꎬ还参与多巴胺能神经元的发育和存活ꎮ因此
ꎬ目前研究者正致力于开发以DRD2自身受体作为靶点的药物ꎬ用于帕金森病或干预药物成瘾ꎮ
DRD2的两种亚型D2L和D2S均可发挥自身受体功能ꎬ但由于D2L和D2S的自身特性和所介导的胞内信号通路存在差异ꎬ其所介导的功能也可能有所不同ꎬ而今后对于这些差异的研究将会促使人们细化DRD2自身受体的功能ꎬ为进一步药物的开发提供实验和理论依据ꎮ此外ꎬDRD2自身受体活性还受多个其他膜受体的调节ꎬ也就意味着DRD2自身受体的活性还可能与其他递质系统相关ꎬ揭示大脑中多种递质系统存在交互调节机制ꎮ而在未来对这些调节机制的研究将有助于进一步阐明神经系统中多巴胺受体的生理功能和病理意义ꎬ并可为药物靶点的开发提供新思路ꎮ
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(收稿日期:2018-03-10)
(修回日期:2018-04-14)
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(收稿日期:2018-05-16)
(修回日期:2018-06-11)
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