Homer1蛋白与Ⅰ组代谢型谷氨酸受体在神经病理性疼痛中的作用

2021
04/27

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古麻今醉
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现有证据表明,Homer1a可以作为Homer1b/c的内源性拮抗剂干扰Homer1b/c与mGluRs的相互作用以阻止疼痛的发展和维持,而使用Homer1b/c的反义核苷酸能够改善炎症性痛行为。


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【综述】

神经病理性疼痛(neuropathic pain, NP)是指躯体感觉系统病变或疾病引起的疼痛,其定义是国际疼痛研究学会最早于1994年提出的,最近一次更改在2011年,包含了中枢或外周疾病广泛的疼痛综合征[1]。流行病学研究表明,一般人群患病率可能高达7%~8%[2],占慢性疼痛患者的20%~25%。尽管疼痛信号转导涉及不同信号通路,但研究发现突触后致密物(postsynaptic density, PSD)均参与了慢性疼痛的发生和发展。PSD是谷氨酸能突触后膜特殊结构,内含Homer蛋白、Shank蛋白等多种蛋白质,这些蛋白质普遍有相互作用的结构域,能够在突触水平募集和整合突触后膜的谷氨酸受体,与配体结合后传递突触信号[3]。本文就突触水平Ⅰ组代谢型谷氨酸受体(metabotropic glutamate receptor, mGluRs)及Homer1蛋白在NP的作用研究进展进行综述。


 

1 Ⅰ组mGluRs

     

1.1 Ⅰ组mGluRs的分类与分布

谷氨酸作为最重要的兴奋性神经递质,与受体结合后参与学习记忆、伤害性信号中枢传递和脑外伤神经元生理调节等,可见其广泛的作用需要不同亚型和不同分布的各类受体。谷氨酸受体主要依靠离子型谷氨酸受体(ionotropic glutamate receptor, iGluRs)和mGluRs发挥不同的神经作用。mGluRs属于G蛋白耦联受体,有8个亚型,分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3组。mGluR1和mGluR5属于Ⅰ组,主要位于突触后膜,但mGluR1在皮质丘脑位置高表达,而mGluR5在皮质纹状体、海马表达较多。


1.2 Ⅰ组mGluR与疼痛

mGluR1和mGluR5是Ⅰ组mGluRs的成员,其与Gq/11家族异源三聚体G蛋白和磷脂酶C(phospholipases C, PLC)耦联,使得三磷酸肌醇和二酰甘油活化,二酰甘油激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC),而三磷酸肌醇触发细胞内钙储存释放钙离子。mGluR1激活通过PLC依赖性和PKC非依赖性机制诱导长时程增强,而mGluR5对杏仁基底外侧核长时程增强的引发作用是PLC和PKC依赖性的。有研究表明,mGluR5在外周和中枢疼痛中起着关键作用,因此可能为我们提供一个潜在的新的痛觉控制靶点[4]。然而,默克公司的数据显示,mGluR5拮抗剂MPEP对敲除mGluR5的小鼠具有抗痛觉过敏作用[5]。因此,应重新审视一些研究,以便更清楚地明确mGluR5在疼痛中的作用,最好在研究中使用与MPEP分子结构不同的药物作为参照。同时应发现,其他谷氨酸受体,特别是mGluR1,也参与了外周和中枢疼痛过程[6]。


研究发现mGluRs不仅在神经中枢,在外周神经系统也有表达。Bhave等[6]发现,在初级传入纤维的外周端,即皮肤伤害性感受器上有mGluR1α和mGluR5表达。然而mGluR1和mGluR5并不参与所有伤害性、炎症性疼痛过程,并且这两种亚型的作用也存在差异。Walker等[7]研究发现,在大鼠脚掌注射选择性mGluR5激动剂CHPG和mGluR1、mGluR5的激动剂DHPG,机械性痛觉过敏检测结果差异不大,角叉菜胶诱发的机械性痛觉过敏可以被mGluR5拮抗剂MPEP阻断,却不能被mGluR1选择性拮抗剂LY314385所抑制,说明mGluR1可能不参与炎性刺激诱发的外周机械性痛觉过敏形成。因此,mGluR5同时参与了热痛和机械痛痛觉过敏过程;而mGluR1只参与伤害性炎症性疼痛过程的热痛觉过敏。


 

2 Homer1蛋白

     

2.1 Homer1蛋白的亚型与结构

Homer蛋白是从人、鼠和果蝇的cDNA克隆出来的,分为Homer1、Homer2和Homer3,而这3种蛋白结构相似,各自又可分为不同亚型,其作为PSD重要的支架蛋白,广泛作用在信号转导、突触发生发展、睡眠、慢性疼痛和药物成瘾等神经发育和可塑性的相关机制中。

Homer1蛋白根据氨基酸序列长短可以分为Homer1a和Homer1b/c。Homer1a蛋白是由186个氨基酸组成,且是最早克隆出来的Homer蛋白。它在羧基末端较其他家族成员缺少螺旋卷曲结构域,所以又被称为“短Homer”[8]。Homer1b/c则由366个氨基酸组成,氨基末端与Homer1a相同,羧基末端含有Homer1a没有的结构,又称“长Homer”[9]。


Homer1蛋白含有2个特征性蛋白结构域,N末端含有一个果蝇激活蛋白/血管舒张刺激磷酸蛋白同源结构域1(enabled protein of drosophila/vasodilator‑stimulated phosphoprotein homology, EVH1)和一个含有脯氨酸的结构域,这两个结构存在于所有Homer蛋白。Homer1b/c羧基末端具有一个螺旋卷曲(coiled‑coil, C‑C)结构和两个亮氨酸拉链模体,氨基末端的EVH1样结构域可以识别配体蛋白上富含脯氨酸区域中的一段特殊氨基酸序列并与之发生相互作用,也可与自身的P模体结构发生结合形成Homer蛋白的多聚体结构。mGluRs等具有EVH1可识别的氨基酸序列的蛋白,可以与Homer1蛋白相互作用影响细胞内信号转导。C‑C结构识别的目的蛋白主要为Homer家族蛋白,因此羧基末端结构域也被称为自体结合结构域或多聚化结构域。两个长Homer的C‑C末端和亮氨酸拉链模体结构可以结合形成二聚体结构,同时氨基末端的EVH1样结构域和P模体的功能正常[10‑12]。


2.2 Homer1蛋白与疼痛

Homer1a蛋白由即早基因合成,生理情况表达量很低,在炎症或疼痛刺激激活后表达量迅速升高,而Homer1b/c生理情况下表达稳定,外伤引起的病理性痛还可导致脊髓背角神经元PSD中Homer1b/c表达水平出现缓慢升高[13‑14],说明Homer1b/c和Homer1a在组织或神经损伤诱导的超敏反应调节中显示出不同的功能作用。已有研究发现,Homer1可通过与其他PSD蛋白或谷氨酸受体结合参与神经突触信号转导和突触可塑性,具备C‑C结构的Homer1b/c能够将谷氨酸受体定位在突触调节钙流入与释放,并且可以被Homer1a活性依赖性拮抗。向脊髓背角注射Homer1a过表达腺病毒载体,可以显著减少钙离子的活动并下调谷氨酸受体激活引起的细胞外调节蛋白激酶(extracellular regulated protein kinases, ERK)磷酸化,从而抑制ERK激活相关的转录调控,改变引起痛觉过敏的脊髓神经元突触可塑性[14]。在大鼠左脚踝注射弗氏完全佐剂引起的炎性痛模型中,通过鞘内连续注射Homer1b/c的反义寡核苷酸能够有效缓解大鼠的痛行为,降低其在脊髓的蛋白表达[15]。神经或组织损伤引起的PKCε、磷脂酰肌醇3‑激酶(phosphatidylinositol 3‑kinase, PI3K)或ERK1/2在整个伤害感受性网络中的激活是否需要Homer和不同配体之间的相互作用,以及神经病变诱导的激酶活性升高是否可能导致损伤引起的Homer表达改变仍有待确定。这方面有研究证实,Ⅰ组mGluRs和NMDA受体联合激活ERK1/2的效应呈Homer蛋白依赖性[16],而Ⅰ组mGluRs和NMDA受体激活丝裂原活化蛋白激酶(mitogen‑activated protein kinase, MAPK)通路的能力都被Homer1a过表达所阻止[14]。


 

3 NP中Homer1蛋白与Ⅰ组mGluRs的相互作用

     

目前病理性疼痛的两个关键点是谷氨酸受体的激活和细胞游离钙离子活动。Homer1蛋白已经被证实可以利用其EVH1和C‑C结构在PSD与其他Homer家族蛋白、Shank蛋白、谷氨酸受体和瞬时受体电位通道蛋白结合,通过这种蛋白间的作用调节参与突触可塑性和突触信号转导[17‑19]。Homer1b/c与mGluRs的相互作用促钙离子信号转导和MAPK磷酸化,而这种相互作用被抑制后,mGluRs下游信号通路被抑制的程度会因不同Homer蛋白所在的神经元和信号通路不同而产生差异[20]。研究发现,在刺激mGluRs激活的几种下游通路中,Homer与mGluRs的相互作用在其中的作用并不一致[21‑22],说明在不同信号通路中对应的Homer与mGluRs的相互作用是选择特异性的,这与临床上一些神经、精神类疾病(如阿尔茨海默病、精神分裂症、NP)均涉及Homer与mGluRs的情况相符。目前认为,慢性疼痛的产生涉及神经突触可塑性与突触长时程增强,O'Riordan等[23]发现,在Homer1基因敲除小鼠中使用Homer1c可以恢复小鼠的突触可塑性,激活Ⅰ组mGluRs可以利用突触可塑性将亚阈值θ突发刺激诱导的短时程增强变为长时程增强,并且在阻断Homer1c与mGluR5的相互作用后,海马中维持的长时程增强被中断。这种依赖Ⅰ组mGluRs活化的长时程增强机制上涉及PI3K和ERK活化,与所知的谷氨酸受体激活后参与疼痛发展的机制有共同点。


在外周神经损伤疼痛模型中,中枢与外周的谷氨酸受体增多[24‑25],PKCε、PI3K/MAPK和Homer1表达活性可能促成慢性疼痛发展相关的神经可塑性[26‑28],Obara等[29]发现,Homer1b/c及其相关的谷氨酸受体(mGluR1α/5)和下游激酶(PKCε、PI3K、ERK1/2)在坐骨神经结扎模型中脊髓和脊柱上疼痛结构中的表达均为时间依赖性上调。这些研究表明,神经损伤诱导的mGluRs与Homer信号转导的变化在神经性疼痛进程中呈现动态而又独特的方式,这给临床慢性疼痛的病因学及其治疗提供了宝贵思路。


 

4 总结与展望

     

现有证据表明,Homer1a可以作为Homer1b/c的内源性拮抗剂干扰Homer1b/c与mGluRs的相互作用以阻止疼痛的发展和维持,而使用Homer1b/c的反义核苷酸能够改善炎症性痛行为。因此,将Homer1b/c作为疼痛病因和治疗的一个重要靶点研究Homer1与Ⅰ组mGluRs的相互作用在疼痛发生和发展中的机制是一个值得关注的新思路。


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关键词:
谷氨酸受体,代谢型,病理性,神经

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