GABA 转运体与癫痫关系的研究进展1.doc

精品论文gaba 转运体与癫痫关系的研究进展1毛小元，蔡际群 中国医科大学药学院药物毒理学教研室，辽宁沈阳（110001） e-mail: 摘要：-氨基丁酸（gaba）是哺乳动物中枢神经系统主要的抑制性神经递质，广泛分布于整个神经系统中，目前临床上已经证明，许多中枢神经系统疾病如偏头痛，焦虑症，抑郁 症和癫痫等都与 gaba 介导的抑制性突触传递作用的降低有关。它在胞内的合成途径主要是在谷氨酸脱羧酶的作用下将谷氨酸脱羧而获得，同时突触间隙中 gaba 的摄取以及胞内部分的释放主要是通过突触前膜，胶质细胞膜或囊泡膜中的 gaba 转运体（主要是 gat-1和 gat-3）来进行调节的。gaba 转运体是一种 na+依赖的神经递质转运体和存在于膜上的 重要的糖蛋白，有研究表明，它是突触间隙中使 gaba 浓度降低的唯一途径。本文就 gaba转运体的结构，分类及与癫痫关系的最新进展作一综述。关键词：gaba 转运体；癫痫氨基丁酸（gamma-aminobutyric acid，简称 gaba）是哺乳动物中枢神经系统主要 的抑制性神经递质，1,2,3,4广泛分布于整个神经系统中，5研究表明，gaba 在中枢神经系 统的 60%-70%的突触中均有分布。6它能介导抑制性突触传递作用，从而防止脑内神经元过 度兴奋。其合成的场所主要在神经轴突末端，合成过程为：首先在转氨作用下，-酮戊二酸 转化为谷氨酸，然后在谷氨酸脱羧酶（glutamic acid decarboxylase，简称 gad）的作用下 将谷氨酸脱羧形成 gaba。临床上已证明，许多中枢神经系统疾病都与 gaba 介导的抑制 性突触传递作用的降低有关，增强中枢神经系统中 gaba 介导的抑制性突触传递的药物不 仅可以治疗焦虑和失眠，还可以有效地治疗癫痫。7 gaba 是在 gaba 转氨酶（gaba transaminase，简称 gabat）作用下与 酮戊二酸（ketoglutarate，简称 -kg）反 应生成琥珀酸 半醛（succinic semialdehyde， 简称 ssa），进而被琥珀酸半醛脱氢酶（succinic semialdehyde dehydrogenase,简称 ssadh）氧化为琥珀酸（succinic acid，简称 sa）然后进入三羧酸循环，同时突触间隙中的 gaba 可通过突触前膜，神经胶质细胞膜或 囊泡膜上的 gaba 转运体（gat）的摄取，使其在突触间隙中的浓度降低，从而减少或终 止 gaba 能的抑制性突触传递8;此外，突触间隙中的 gaba 可与突触后膜相应的受体结合， 从而发挥突触后膜受体的作用。如图 1 所示- 6 -gat胞吐 - 氨基 丁酸（突 触间隙）作用于突触后膜gaba 受体图 1 -氨基丁酸的代谢过程38附：gat：gaba 转运体；gad：谷氨酸脱羧酶；plp：（辅酶）磷酸吡多醛；gaba-t:gaba 转氨 酶；ssadh：琥珀酸半醛脱氢酶；nadp+：（辅酶）烟酰胺腺嘌呤二核苷酸磷酸1本课题得到教育部高校博士学科专项基金的资助。（no 20060159003）1. gaba 转运体的结构与分类gaba 转运体是存在于囊泡膜，突触前膜或胶质细胞膜中 na+依赖的神经递质转运体家 族成员之一，是一种调节 gaba 神经元活动的重要糖蛋白。它可摄取突触间隙中的 gaba， 将其转运至神经元，神经胶质细胞或囊泡中，同时也参与 gaba 的部分释放。gaba转运体（gat）包括浆膜gat和囊泡gat（vgat），guastella等9的分子克隆技 术表明，大鼠浆膜gat包括四种转运体亚型10, 即gat-1，gat-2，gat-3和gat-4（或称 bgt-1）（对应于小鼠中的mgat1，mgat3，mgat4和mgat2）如表1所示。表1 gaba转运体亚型在不同物种中的命名 附：nc表未克隆出来的gaba转运体物种各转运体亚型的命名人gat-1ncgat-3bgt-1大鼠gat-1gat-2gat-3bgt-1小鼠gat1gat3gat4gat2分别对应于人类的以下四种基因：slc6a1, slc6a13, slc6a11, 和slc6a12。11,12同时 分别对应于鼠类的以下四种基因：slc6a1，slc6a13，slc6a11，slc6a1213。它们都具有12个跨膜片段的共同分子结构，均由600个左右的氨基酸组成，但却具有不同的药理活性14，主要表现在：gat-1在摄取gaba时能被achc（3-氨基环己烷甲酸）高度抑制，但不被-丙氨 酸抑制，这或许是“神经元”性转运体的典型特点；而gat-2和gat-3在摄取gaba时恰好与 gat-1摄取gaba时相反，即能被-丙氨酸高度抑制，但不被achc抑制，这可能是“神经胶 质细胞”性转运体的典型特点；此外，gat-4即bgt-1摄取gaba时既不被achc抑制，也不 被-丙氨酸抑制，仅被甜菜碱抑制。它们对gaba亲和力的大小顺序为 gat1gat3gat2gat4（或bgt1）。15,16这表明，在脑中gat-1摄取gaba的能力最大。除了上述的四种浆膜转运体外，在突触囊泡中还存在囊泡 gat（vgat）。囊泡 gat 能 将突触间隙中的 gaba 转运至囊泡中，从而终止 gaba 能神经元的抑制性突触传递作用, 同时通过囊泡 gat 对 gaba 的摄取也有利于 gaba 释放至突触间隙中。目前许多文献报道，位于神经元和神经胶质细胞上的 gaba 转运体的改变与癫痫的发 生密切相关，其中 gat1 和 gat3 的改变最为主要。2. gaba 转运体在脑内的分布gaba 转运体在脑内具有广泛分布，分布于脑区时，大多数位于神经末梢的胞膜上， 有一部分位于黑质和神经胶质细胞上。其中 gat-1 和 gat-3 只在中枢神经系统中表达，而 gat-2 和 gat-4 不仅存在于中枢神经系统，在外周器官如肝、肾中也有表达。免疫组化和 原位杂交分析技术表明，gat-1 主要位于神经元的细胞膜上，少数存在于神经胶质细胞膜上， 且在脑内的含量最高17。它在脑内的分布非常广泛，18可存在于海马 ca3 区等多个部位， 约占总转运体数的 80%，承担着 85%的转运任务；19 gat-2 可以分布于各种组织中，在脑 中含量比较低，主要位于蛛网膜和室管膜细胞上，研究表明，gat-2 在肝等非神经组织中的 含量特别高；而在神经胶质细胞上，gat-3 的含量最高，它在下丘脑中含量较高，在视网膜 细胞中也有一定的分布，它在海马 ca3 区几乎不表达，20但在锥体细胞层和颗粒细胞层中 的主要神经元中却能检测到；21gat-4（即 bgt-1）也可分布于多种组织中，且在各种组织中表达的量不同，但对于鼠和人来说，在同一组织中表达的量基本一致。3. gaba 转运体的改变与癫痫癫痫的发生是由于脑内兴奋性氨基酸与抑制性氨基酸含量的失衡引起的，其中兴奋性氨 基酸含量的增高或抑制性氨基酸含量的降低有利于癫痫的诱发和传播。许多研究结果表明， gaba 能神经元突触传递的损伤对癫痫的发生起着非常重要的作用。22 gaba 转运体能高 效地将 gaba 从突触间隙内或细胞外转运至细胞内，从而终止 gaba 的突触后效应。有研 究表明，gaba 转运体参与维持整个脑部细胞外的低 gaba 浓度，这对防止由于过度激活 突触和突触外受体而产生强直的现象具有重要的作用2。所以在癫痫发生过程中经常可观察 到 gaba 转运体特别是 gat-1 和 gat-3 的变化，而在各种癫痫模型中，有关 gaba 转运体 变化的报道往往不一致，如表 2 所示。表 2：各种癫痫模型 gaba 转运体的变化 制作癫痫模型的方法研究者gaba 转运体的变化海马齿状回 gat-1mrna 水平在点燃后 9h 增加 30%， 但以后则下降 25%；齿状回颗粒细胞中的 gat-3mrna 在海人酸点燃sperk21海人酸诱导后 4h-30d 下降 35%-75%，认为 gaba 转运体 的下降提高了突触间隙内的 gaba 浓度，从而保护齿状 回颗粒细胞防止发生过度兴奋。雷革非23给予海人酸后 2h，6h 和 12h，三组的海马 gat-1mrna 表达明显升高，但有逐渐下降的趋势，24h 恢复至正常水 平，72h 显著下降。fecl3 注射至 杏仁核诱导ueda y15用 fecl3 诱导后 5d 和 15d，双侧海马中的 gat-1 分别增至 170%和 250%，30d 后则恢复至正常水平；双侧海马 的 gat-3 在 fecl3 注射后 5-15 天也显著地提高，但在 30天后仍维持在较高水平。通过杏仁体点燃诱导 的颞叶癫痫模型hirao t24点燃后 1h 两侧海马齿状回的 gat-1mrna 显著增加到111%-116%，点燃后 4h，双侧海马的各个分区（ca1-ca4） 的 gat-1mrna 也明显地增加到 110%-117%；然而，在点 燃后的任何时间，不管是同侧还是对侧，杏仁核，梨状皮 层和大脑皮层的 gat-1mrna 都没有发生明显的变化。与 之相反的是，点燃后 1h，双侧杏仁核和对侧梨状皮层及对 侧大脑皮层 gat-3mrna。遗传性癫痫易感大鼠接受 6 次音源性刺激诱导akbar25戊四氮点燃张卫清26遗传性癫痫易感大鼠接受 6 次音源性刺激后 7d 处死，发现在大脑皮层，纹状体等各个脑区，gat-1mrna 与对 照组比较，均减少 8%-24%。点燃后即刻，48h 和 7d 后，gat-1mrna 均有高表达，30d 后， gat-1mrna 的表 达恢复至对照水平， 60d后,gat-1mrna 的表达无变化。近年来，囊泡 gaba 转运体在癫痫发生发展中的作用也有一定的报道。lamas 等27发 现在正常对照鼠的齿状回和苔藓纤维突触小体中可以检测到微量的 vgatmrna。28对于多 次发作的点燃鼠和发生一次急性发作的正常鼠的齿状回，在发作后 1h 或 24h 时并没有观察 到明显的改变。然而在癫痫发作鼠的苔藓纤维的突触小体中，vgatmrna 的含量明显地比正常鼠高，这些数据结果表明，齿状回颗粒细胞和苔藓纤维，除了含有 gaba 合成的机械装置，也含有协助囊泡转运的物质成分。同时也进一步地表明，局部突触分子结构的改变能 促使苔藓纤维释放 gaba 以适应脑内的高兴奋性。还有一点必须考虑到的是，在某些病理情况下29，例如神经元高频放电时期，细胞外钾离子增高，细胞内钠离子增加，细胞膜去极化，30均可发生gaba转运体（主要是gat-1） 的逆转运，即由转运体介导将细胞内的gaba转运到细胞外，它是一种不依赖ca2+的非囊泡 式的转运。这样便可以加强gaba的抑制作用，对癫痫的发作起积极的保护作用。据报道， 这种逆转运在颞叶癫痫中尤为常见。同时wu30和cheng31等研究发现，应用两种抗惊厥药 氨己烯酸vigabatrin和加巴喷丁gabapentin后，均能使gaba的逆转运增加。但这些都只是在 体外实验中观察到的结果，至于在体内是否会发生这种现象还不是十分清楚。4. gaba 转运体抑制剂在临床中的应用gaba 转运体抑制剂在临床上具有广泛的应用，它们不仅用于癫痫的治疗，也可用于 抗惊厥32。近年来已开发出多种 gaba 转运体抑制剂，它们主要包括两大类：（1）小分子 的底物相关的 gaba 和 -丙氨酸类似物；（2）含有芳香侧链的 gaba 和 -丙氨酸类似物。 33其中底物相关的 gaba 转运体抑制剂由于极性大不容易透过血脑屏障而只能在药理学上 作为工具药，没有在临床上得到应用。目前批准使用的gaba转运体抑制剂主要有噻加宾（tiagabine），它是现在临床上唯一 一种可用于治疗癫痫的选择性的gat-1抑制剂，副作用很小，作用机制主要是通过抑制gat-1 从而降低gaba的摄取，34增加突触间隙中gaba的浓度。35据相关文献报道，它对药物点 燃的局限性和继发的全身性发作和强直性惊厥有效，而对电休克诱导的强制性惊厥却无效。 与之相反的是，非选择性的gat-1抑制剂却对电休克诱导的强直性惊厥非常有效，对药物诱 导的强制性惊厥无效。这可能与gat-1/gat-3亲和力的比值有关。36,17同时，在一些失神性 发作模型中，噻加宾会加重痫性发作，可能是由于它增强了gaba对gabab受体的作用， 这也是它在临床治疗过程中产生的最主要的副作用。此外，ef1502也是一种具有广泛应用前景的gaba转运体抑制剂，它是一种非选择性的 gat-1和bgt-1（对应于小鼠的gat-2）抑制剂，white等22认为，由于ef1502能抑制bgt-1， 使其明显地增强了ef1502的抗惊厥活性。同时等辐射分析37表明，将噻加宾和ef1502联合 应用于癫痫发作的治疗时，能明显地增强抗癫痫作用，并且使噻加宾单独使用时产生的副作 用大大降低。但是由于ef1502在体内的代谢情况不是十分清楚，所以还未在临床上得到推 广。5. 小结癫痫发病机制的阐明一直是近年来研究的热点，目前人们普遍认为癫痫的发生是由于兴 奋性氨基酸含量的增高或抑制性氨基酸含量的降低造成的。但是，对于癫痫发生过程中哪一 种氨基酸的含量起主要作用目前仍不十分清楚，作为癫痫发病机制的一个方面，gaba 含 量的调节与 gaba 转运体的表达异常或功能受损密切相关。所以，进行 gaba 转运体及相关蛋白的研究不仅有助于进一步揭示癫痫的病因及发病机制，而且对于开发癫痫治疗的新药具有十分重要的意义。参考文献1 jia hu et al.substrate-mediated regulation of -aminobutyric acid transporter 1 in rat brainj.neuropharmacology ,2008,54:309-318.2 chiu, c.s. et al.gaba transporter deficiency causes tremor, ataxia,nervousness, and increasedgaba-induced tonic conductance in cerebellumj. j. neurosci,2005, 25:3234-3245. 3 bolette christiansen et al.cloning and characterization of a functional human-aminobutyric acid (gaba) transporter, human gat-2 j.the journal of biological chemistry vol,july 6, 2007,282（27）,1933119341.4 n.g. bowery et al.gaba and glycine as neurotransmitters: a brief historyj.br. j. pharmacol.147,2006,suppl. 1:s109s119.5 s. j. enna et al.the role of gaba in the mediation and perception of painj .advances inpharmacology ,2006,54:1-22.6 peter d et ala review of the preclinical pharmacology of tiagabine:a potent and selective anticonvulsantgaba uptake inhibitorj,epilepsia,1995,36（6）:612-626.7 rasmus p. clausen et al .a novel selective-aminobutyric acid transport inhibitor demonstrates a functional role for gaba transporter subtype gat2/bgt-1 in the cnsj .neurochemistry international,2006,48:637642. 8 sotirios keros et al. subtype-specific gaba transporter antagonists synergistically modulate phasic and tonic gabaa conductances in rat neocortexj . j neurophysiol ,2005,94: 20732085.9 guastella j etal.cloning and expression of a rat brain gaba transporter j .science.1990,249(4974):1303-6.10tih-shih lee etal.gat1 and gat3 expression are differently localized in the human epileptogenic hippocampusj.acta neuropathol.2006,111: 351363.11 qiang wu etal.functional characterization of zn2+-sensitive gaba transporter expressed in primarycultures of astrocytes from rat cerebral cortexj .b r a i n r e s e a r c h ,2006,1075:100 109.12 chen, n.-h., reith, m.e.a., quick, m.w.synaptic uptake and beyond: the sodium- and chloride -dependent neurotransmitter transporter family slc6. j.pfluger. arch. eur. j. physiol,2004,447:519531.13 brian s. meldrum etal.molecular targets for antiepileptic drug development j.neurotherapeutics,2007january ,4(1): 1861.14 borden la etal.molecular heterogeneity of the y-aminobutyric acid (gaba) transport systemj.the journal of biological chemistry,1992,267（29）:21098-21104.15 yuto ueda and l. james willmore.hippocampal gama-aminobutyric acid transporter alterations following focal epileptogenesis induced in rat amygdalaj.brain research bulletin,2000,52:357-361.16lopez-corcuera etal.expression of a mouse brain cdna encoding novel gamma-aminobutyric acidtransporter.j .biol. chem.,1992,267:1749117493.17 nils ole dalby etal.inhibition of -aminobutyric acid uptake: anatomy, physiology and effects against epileptic seizuresj.european journal of pharmacology,2003,479 :127 137.18 olsen, m etal. effect of hyperosmotic conditions on the expression of the betaine-gaba transporter(bgt-1) in cultured mouse astrocytes. j.neurochem res,2005,30:855865.19 durkin mm etal.localization of messenger rnas encoding three gaba transporters in rat brain: an in situ hybridization studyj.mol brain res,1995,33:7-21.20 ikegaki n etal.production of specific antibodies against gaba transporter subtypes(gat1, gat2, gat3)and their application to immunocytochemistryj.molecular brain research,1994,26:47-54.21 sperk g,schwarzer c,heilman j etal.expression of plasma membrane gaba transporters but not of the vesicular gaba transporter in dentate grannule cells after kainic acid seizuresj.hippocampus,2003,13（7）:806-815.22 white, h.s.et al.first demonstration of a functional role for central nervous system betaine/gamma-aminobutyric acid transporter(mgat2) based on synergistic anticonvulsant action among inhibitors of mgat1 and mgat2. j.j. pharmacol. exp. ther,2005, 312:866874.23 雷革非等.海人酸致痫大鼠海马氨基丁酸及其转运体的动态变化研究j .山东大学学报（医学版）,2003,41（5）:531-535.24 toru hirao etal.time-dependent and regional expression of gaba transporter mrnas following amygdala-kindled seizures in ratsj.molecular brain research,1998,54:4955.25 akbar mt etal.reduction of gaba and glutamate transporter messenger rnas in the severe seizure genetically epilepsy-prone ratj .neuroscience,1998,85（4）:1235-1251.26 张卫清等戊四氮点燃大鼠海马中gaba转运体动态变化的研究j .临床神经病学杂志,2001,6:333-33527 lamas m etal.vesicular gaba transporter mrna expression in the dentate gyrus and in mossy fiber synaptosomesj.molecular brain research,2001,93:209-214.28 王娜娜等.海马颗粒细胞和苔藓纤维表达gaba的研究j.国际神经病学神经外科学杂志,2007,34（2）:157-161.29 yuanming wu etal.nonvesicular inhibitory neurotransmission via reversal of the gaba transportergat-1j.neuron,2007 december 6.56: 851865.30 yuanming wu etal.vigabatrin induces tonic inhibition via gaba transporter reversal withoutincreasing vesicular gaba releasej.j neurophysiol,2003,89: 20212034.31 cheng etal.gabapentin increases a tonic inhibitory conductance in hippocampal pyramidal neuronsj.anesthesiology,2006,105:325333.32 a. schousboe etal.characterization of the substrate-binding site in gaba transportersm.molecularneuropharmacology: strategies and methods humana press inc,totowa,nj.33 rasmus prtorius clausen etal.structureactivity relationship and pharmacology of aminobutyricacid (gaba) transport inhibitors j.advances in pharmacology,2006（54）:265-284.34 misty d. smith etal.inhibition of the betaine-gaba transporter (mgat2/bgt-1) modulates spontaneous electrographic bursting in the medial entorhinal cortex (mec)j,epilepsy research, 2008,79,61335 ap aldenkamp etal.newer antiepileptic drugs and cognitive issues j.epilepsia,2003（44）(suppl.4):2129.36 nils ole dalby etal.tiagabine exerts an anti-epileptogenic effect in amygdala kindling epileptogenesis in the rat j.neuroscience letters,1997,229:135137.37 jarogniew j. luszczki etal.synergistic interaction of gabapentin with tiagabine in the formalin test in mice: an isobolographic analysis j.european journal of pain,2008:1-11.38 jack deruiter,etal.gabaminergic neurotransmission:introductionj principles of drug action 2,fall 2004:1-11.the research progress of the rela