糖皮质激素中枢作用机制的新进展
[文章编号]1008-0872(2001)02-0149-04[中图分类号]Q571[文献标识码]A[收稿日期]2000-08-26 [基金项目]国家重点基础研究规划/脑功能和脑重大疾病的基础研究0(G1999054000)项目资助[通讯作者]孙刚[联系电话]021-********
[作者简介]孙刚(1961-),男,青岛市人,主任教授,博士,主要从事内分泌生理学研究1#进展#
糖皮质激素中枢作用机制的新进展
孙刚,万顺伦,邱俭,倪鑫,陈宜张
(第二军医大学生理学教研室,神经科学研究所,上海200433)
[摘要]研究表明糖皮质激素在脑内具有广泛的作用,它能调节下丘脑-垂体-肾上腺轴的平衡,参与学习记忆过程、调节心血管活动和神经系统的发育、成熟和凋亡等。过高或过低浓度的糖皮质激素将对大脑产生不良影响。糖皮质激素在脑内的作用机制有经典的基因组机制和快速的非基因组机制。糖皮质激素作用的发挥除受到血浆糖皮质激素水平、糖皮质激素代谢酶和结合蛋白的调节外,还受靶细胞内,皮质激素受体类型的影响。
[关键词]糖皮质激素;糖皮质激素受体;基因组机制;非基因组机制
New aspects of the mechanisms of glucocorticoid actions on the brain
SUN Gang,W AN Shun-lun,QI U Jian,NI Xin,C HE N Y-i zhang
(Department o f Physiology,Institute o f Neuroscience,The Second Military Medical University,Shanghai200433, China)
[Abstract]Gluc ocorticoids(GC)are essential for many brain functions.They play critical roles in the development, maturation and apoptosis of neurons,learning and memory,and the balance of hypothala mo-pituitary-adrenal a xis.The classical genomic and the rapid non-genomic mechanisms are involved in the GC effec ts mentioned above.More over,the effects of GC on their targets are determined by the follo wing factors:circulating GC level,corticosteroid-binding-globulin,GC metabolizing enzyme11B-hydroxysteroid dehydrogenase as well as the differential distribution of GC receptors.
[Key words]glucocortic oids;classic genomic mechanism;non-genomic mechanism;11B-hydroxysteroid dehydrogenase;glucocorticoid receptors
糖皮质激素(glucoc orticoid,GC)是由肾上腺皮质分泌的类固醇激素,主要包括皮质醇(cortisol,F)和皮质酮(corticosterone,B),不同动物肾上腺分泌的皮质醇和皮质酮的比例不同,人类以皮质醇为主。糖皮质激素为调节物质代谢和应激反应的重要激素,其受体(GR)广泛分布于中枢神经系统。糖皮质激素对中枢神经系统的作用包括对下丘脑-垂体-肾上腺轴的反馈作用、参与学习记忆过程、调节心血管活动和神经系统的发育等。高浓度的糖皮质激素则与神经元的变性、死亡有关。糖皮质激素的作用机制包括经典的基因组(genomic effect)和快速的非基因组机制(non-genomic effect);糖皮质激素不仅作用于本身受体,而且对盐皮质激素受体(MR)也有很高的亲和力;糖皮质激素受体本身也存在两种亚型;糖皮质激素与受体的结合量受糖皮质激素代谢酶和结合蛋白的调节。本文就近年来糖皮质激素中枢作用机制的新进展作一简要综述。
1糖皮质激素的经典作用机制
GR属于细胞核受体超家族(nuclear receptor
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中国神经科学杂志
Chin J Neurosci
2001Ma y,17(2)
superfamily),位于细胞内。当无配基时,受体以蛋白复合体的形式存在。此复合体由1个受体分子,1个亲免素(immunophilin)分子和多种热休克蛋白(2分子hsp90、1分子hsp70、1分子hsp56)组成,且处于解离、聚合的周期之中,并穿梭于细胞浆和细胞核之间,其聚合过程依赖于ATP和hsp70。Hsp56与复合体结合与否决定着受体是定位于胞浆还是胞核,如hsp56结合于复合体中,则受体位于胞核内。Hsp90可掩盖受体结合DNA的位点,使受体处于失活状态。受体中有三个主要结构域:N端结构域,与激活转录有关,既可以激活靶基因,又可与其他转录因子相互作用,此端还与免疫原性有关;中间部分(421~ 486氨基酸残基)含有高度保守的锌指蛋白结构,是与DNA结合的结构域,参与由细胞浆到细胞核的转位、转录激活以及受体二聚体的形成;C末端是糖皮质激素结合区,也是热休克蛋白结合处,它也参与转位、受体二聚体的形成及转录激活[1,2]。GR通过激活或抑制基因转录而实施其作用,GR调节基因转录的机制主要有三种[3]:1与基因启动子部分的糖皮质激素反应元件(GRE)结合:GC与糖皮质激素受体结合后,受体构象发生改变,释放出hsp90,暴露与靶基因的结合位点,并形成二聚体转位进入胞核,以二聚体形式结合于靶基因启动子区的GRE。o与其他转录因子相互作用:激活的GR通过蛋白-蛋白间的相互作用直接影响活化蛋白-1(AP1)、c AMP反应元件结合蛋白(CREB)、NFkB等转录因子的活性,导致AP1等转录因子不能与相应的反应元件结合,基因转录受到抑制。?不同核受体间异源二聚体的形成:GR可以与MR或其他的核受体形成异源二聚体,形成的异源二聚体可与GRE或其他激素反应元件(HRE)结合影响靶基因的转录,不同结构的异源二聚体转录活性可有明显的不同。
2两型GR受体的发现使糖皮质激素的经典作用机制复杂化
近年来发现,GR基因的初级转录产物经剪接后出现2种mRNA,二者前8个外显子相同,不同之处在于第9个外显子及其3.端非编码区的核苷酸序列,其相应的表达产物分别为GR A(777aa)、GR B (742aa)。这两种蛋白N末端的前727aa相同,此区域包括DNA结合区和转录激活(transactivation)区;二者C末端的糖皮质激素结合区域有所不同,这种不同导致GR A可以与皮质醇结合,GR B不能与皮质醇结合,但可与糖皮质激素反应元件(GRE)结合。实验表明:GR B可阻断GR A介导的转录激活,而不干预其转录抑制(transrepression)作用。而且,GR B与MR形成的异源二聚体还可导致MR活性的抑制[1,3]。因此,GR B的存在可使糖皮质激素的基因转录作用减弱。
GR A广泛存在于脑内神经元和神经胶质细胞,但以边缘系统的海马、隔区、下丘脑分泌C RH和AVP的小细胞神经元、垂体促肾上腺皮质激素分泌细胞最为丰富。脑干的上行单胺能神经元、丘脑核团、纹状体、杏仁核和皮质也存在相当丰富的GR A。GR B mRNA仅存在于下丘脑、海马神经元,且最多处仅为GR A的1%[3]。
3MR对糖皮质激素的亲和力高于GR
MR的中枢表达不如GR广泛,主要局限于海马、外侧隔核、杏仁核、嗅核、脑干的部分核团、小脑和与水盐代谢有关的下丘脑、穹隆下器官、脉络层等区域,其他脑区虽有MR表达,但水平很低。GR和MR可共存于一些脑区,如海马的C A1,CA2,CA3亚区和齿状回都表达较高水平的MR和GR。GR和MR受体被纯化克隆后,人们发现它们的一级结构具有相当高的同源性,特别是与激素及DNA结合的结构域同源性更高。纯化和体外重组的MR与糖皮质激素和盐皮质激素都有相当高的亲和力,MR对糖皮质激素的亲和力(KD=0.5nmol/L)甚至高于GR对糖皮质激素的亲和力(KD=5.0nmol/L)。低浓度的糖皮质激素首先与MR结合,只有较高浓度的糖皮质激素才与GR结合[4,5]。因此,Seckle等[3]提出了GR,MR介导作用的平衡学说,认为MR主要维持糖皮质激素的作用,而GR主要参与糖皮质激素的负反馈作用。由于MR对糖皮质激素的亲和力比GR的高,因此下丘脑-垂体-肾上腺轴激活初期产生的较低浓度的糖皮质激素首先与海马的MR结合,维持下丘脑-垂体-肾上腺轴的基础活动,称为兴奋预备反馈(proactive feedback)。当糖皮质激素浓度继续升高,便可以与GR结合,过高的糖皮质激素通过GR负反馈抑制下丘脑-垂体-肾上腺轴的活动,称之为反应性反馈(reactive feedback)。糖皮质激素通过MR,GR介导的两种反馈模式使下丘脑-垂体-肾上腺轴的活动处于适当水平,MR/GR介导作用失衡将导致疾病的发生。除了MR和GR的相互平衡作用外,中枢GR和MR介导的糖皮质激素作用往往相反,如海马GR和MR分别介导升高和降低血压作用、对海马神经元电活动的S波起相反的调节作用。
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MR受体的单独激活使神经元的兴奋性升高、增加突触传递的稳定性和加强海马神经元的长时程增强(LTP)。GR和MR的同时激活,则导致神经元的兴奋性降低和LTP的削弱[3,6]。
脑内MR,GR在个体发育中出现的时间并不一致。GR在妊娠中期开始表达,而MR则在妊娠晚期才开始表达[7],两型受体发育随时间的变化可能体现了糖皮质激素对不同胎龄CNS发育调节的特异性。有证据表明,不同的发育阶段中,GC可分别通过MR或GR介导的作用影响神经细胞中不同类型的神经诱导因子和神经营养因子的表达,这些因子在突触信息传递、突触发育和可塑性中起重要作用[3]。
411B-羟基类固醇脱氢酶(11B-HS D)是决定GC与MR或GR特异性结合的重要因素
尽管MR对糖皮质激素的亲和力高于GR,但体内盐皮质激素的靶器官却可以在高浓度糖皮质激素的环境下,特异性地结合盐皮质激素。决定MR特异性的因素是存在于盐皮质激素靶器官的11B-HSD2,它能把皮质醇氧化为无活性的可的松,失活或减弱糖皮质激素的作用。体内还存在一种催化性能与11B-HSD2相反的糖皮质激素转化酶11B-HSD1,它催化无活性的可的松转化为有活性的皮质醇,但11B-HSD1主要存在于糖皮质激素的靶器官,加强糖皮质激素的作用[5]。
11B-HSD1在脑内广泛存在。脑内11B-HSD1表达较高的脑区有海马、皮质、小脑、脑干背侧、中脑、下丘脑和垂体。11B-HSD2在成年大鼠脑内的表达仅局限于几个特别部位,如下丘脑前区、室周器官、联合下器官、孤束核等,这些部位有MR的表达,与心血管的调节、血钠水平的维持有关[8]。此处11-HSD2的功能可能与外周一样,主要为保护MR受体免受糖皮质激素的作用。有趣的是脑内MR表达水平较高的海马却不表达11B-HSD2,但表达11B-HSD1,使得此处的MR暴露于糖皮质激素的作用之下。MR和GR对糖皮质激素的亲和力不同,糖皮质激素与海马MR和GR的结合往往产生相反作用。值得注意的是,妊娠中期胎儿脑内的许多部位均有11B-HSD2的高度表达,接近妊娠足月时表达逐渐下降,出生后其表达仅局限于少数几个脑区[7]。妊娠中期胎儿脑内11B-HSD2的一过性广泛表达,可能与保护神经组织发育,不受糖皮质激素的抑制有关。脑内11B-HSD1的出现发生在妊娠晚期,这可能有利于脑组织的成熟,成年脑内的11B-HSD1也可能与加强糖皮质激素的中枢作用有关。
5糖皮质激素结合蛋白决定糖皮质激素反馈的中枢部位
血液中存在的皮质醇结合蛋白(CB G)是由肝脏合成的,它结合了大部分血液循环中的天然糖皮质激素,只有少量的糖皮质激素处于游离状态,可以进入靶细胞发挥作用。CBG不仅存在于血液,而且也存在于垂体,因此糖皮质激素对垂体的反馈作用很小。由于糖皮质激素极易进入脑组织,脑内又不存在CBG,因此糖皮质激素的反馈部位主要在下丘脑和海马。人工合成的皮质醇类似物不与CB G结合,但血脑屏障存在一种可以阻挡人工合成的皮质醇类似物进入脑内的mdr1a P-糖蛋白,因此人工合成的皮质醇类似物主要反馈作用于垂体[3,9]。
6糖皮质激素的快速非基因组作用
甾体激素作用的基因组理论,能完满地阐述激素的缓慢代谢作用及对机体(包括神经系统)发育过程的影响,三十多年来被广泛接受。但在解释糖皮质激素对神经活动的快速作用时,此理论受到挑战。如糖皮质激素对下丘脑-垂体CRH和AC TH释放的快速反馈作用发生在糖皮质激素血浆水平升高的5 min内。
在20世纪60~70年代,研究者已经注意到甾体激素确实对细胞有快速作用,并致力于配基结合实验描述膜受体。不同的种属及不同的组织中均可见到甾体激素的快速作用,如生理剂量皮质酮作用于培养的大鼠垂体细胞时,能快速抑制血管活性肠肽诱导的c AMP及催乳素的产生[10]。皮质酮通过调节蝾螈延髓神经元的兴奋性而快速抑制其生殖行为[11]。糖皮质激素快速作用于下丘脑的突触小体则抑制促肾上腺皮质激素释放激素(CRH)的释放;糖皮质激素通过快速调节脑干尾端神经元的活动抑制感觉冲动的传入等等[12]。基于电生理学的证据,陈宜张等[13]在1987年首次提出糖皮质激素快速作用非基因组机制的假说,并推测快速作用是由甾体激素膜受体介导的。继而发现与牛血清白蛋白偶联的糖皮质激素能快速引起海马神经元、交感神经节神经元的超级化;糖皮质激素通过非基因组机制快速促进突触体对谷氨酸的重摄取过程、抑制下丘脑脑薄片AVP的释放等。这些电生理学的、生物化学
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糖皮质激素中枢作用机制的新进展孙刚,万顺伦,邱俭,等
的数据均支持了这一假说[14,15]。
目前,被推测的糖皮质激素膜受体的结构还不清楚,受体尚未克隆,故现在的研究多集中于/膜受体0介导的信号转导途径。研究提示,在大鼠垂体细胞糖皮质激素可快速抑制血管活性肠肽引起的c AMP增加和催乳素释放,皮质醇可以抑制鱼垂体组织刺激引起的cAMP增加,在小鼠垂体瘤细胞系AtT20糖皮质激素对ACTH分泌和cAMP的抑制,可能有百日咳毒素敏感的G蛋白参与[16],以上结果均说明糖皮质激素通过G蛋白和c AMP起快速作用。但另一方面,陈宜张等[14]的结果表明,PKC激活剂(P MA)能模拟皮质酮对烟碱引起的肾上腺髓质嗜铬细胞瘤细胞[Ca2+]i升高的抑制作用及缓激肽引起的外钙内流,而PKC抑制剂chelerythrine chloride和Gê6976则可以逆转皮质酮的抑制作用。此结果提示G蛋白-PKC系统也参与糖皮质激素的快速作用。当然也可能有其他的途径,如MAPK,ERK等参与此快速作用[17],而且这些作用也许在不同的水平与基因组机制发生联系。上述的研究作为对膜受体假说的补充及其作用机制的进一步探索,确定糖皮质激素快速作用参与的信号转导途径是否与已知的膜受体的相似是必需的和有意义的。
既然糖皮质激素的作用是通过细胞膜上的受体进行的,那么受体的分子结构是什么?这是一个相当棘手的问题。国际上已有实验室正在进行甾体激素膜受体克隆工作。吗啡受体的寻找曾延续近20年之久,到1993年才终于找到。糖皮质激素膜受体的寻找可能比吗啡受体更困难,但这是一个必须进行的工作。
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