HCN通道在突触传递和可塑性中的作用研究进展
Review of Research Progress on HCN Channels in the Synaptic Transmission and Plasticity

作者: 朱时钰 * , 杨红卫 , 陆永利 :三峡大学医学院生理与病理生理学系,湖北 宜昌;

关键词: 超极化激活环核苷酸门控离子通道长时程增强长时程抑制神经疾病Hyperpolarization-Activated and Cyclic Nucleotide-Gated Channels Long-Term Potentiation Long-Term Depression Nervous Diseases

摘要: 超极化激活环核苷酸门控(HCN)离子通道分布于神经组织中,在不同类型的神经元中表达丰富,在调控细胞膜兴奋性等方面发挥重要作用。HCN通道广泛参与了神经元的突触传递和可塑性变化以及中枢神经系统疾病的病理生理过程。HCN通道已成为慢性疼痛及一些神经系统疾病的潜在治疗靶点。本文将重点围绕HCN通道在突触传递和可塑性中的作用及其调节机制进行综述。

Abstract: Hyperpolarization-activated and cyclic nucleotide-gated (HCN) channels, distributed in nervous tis-sues and highly expressed in different neurons, have important roles in modulating neuronal ex-citability. HCN channels are widely involved in the changes of synaptic transmission and plasticity and pathophysiological process of specific nervous diseases. HCN channels seem to be promising targets for specific nervous diseases as well as chronic pain. In this review, we summarized the roles of HCN channels on the synaptic transmission and plasticity with their regulatory factors.

1. 引言

超极化激活环核苷酸门控通道(Hyperpolarization-Activated Cyclic Nucleotide-Gated Channel, HCN)由HCN1~4基因家族编码,有四个亚型。HCN亚基(HCN1~4)具有独特的表达模式和生物物理特性 [1]。HCN通道主要在中枢神经系统和心脏中表达,在平滑肌、肾脏和胰腺等组织中存在HCN通道蛋白。在中枢神经系统,HCN1主要在大脑皮质和海马中表达,HCN2在脑内核团的表达丰富,HCN3的表达可见于下丘脑、嗅球及视网膜,在脊髓、丘脑、基底神经节和海马等脑内结构主要表达HCN4 [2]。研究表明,HCN 通道广泛参与了神经元的突触传递和可塑性变化以及中枢神经系统疾病的病理生理过程。长时程增强(Long-term potentiation, LTP)或长时程抑制(Long-term depression, LTD)是神经元突触可塑性的两种形式,被公认参与学习和记忆的细胞过程 [3] [4]。本文就HCN通道对神经元突触可塑性和认知功能的作用及其机制的研究进展进行探讨。

2. HCN通道的生理学特性

HCN通道是由HCN1~4基因家族编码的四个HCN亚型(HCN1~4)组成,具有特异性的表达模式和生物物理特性 [1]。此外,环核苷酸及各种激酶和磷酸酶在内的多种细胞内物质可调节HCN亚型的表达和功能,HCN通道是各种细胞信号作用的靶标,参与神经元对外部刺激反应的精细调节。比如HCN通道在沙鼠听觉神经元的轴突始段中表达,并降低锋电位概率,其方式与胞体和树突中的HCN通道不同。此外,通过5-HT对5-HT1a受体的调节,从而超极化HCN通道的激活范围。随着5-HT信号的释放,轴突的HCN通道提供了一种将这些信号转化为感官刺激阈值变化的机制 [5]。

HCN通道是一种电压门控阳离子通道,在膜电位大于−50 mv时激活,主要对Na+和K+离子通透,HCN通道电流也被称为“有意思的电流(funny current, If)”、“奇怪的电流(queer current, Iq)”或“超极化激活的电流(hyperpolarization-activated current, Ih)” [6],并在神经系统中传导一个内向的、外在电流的Ih。Ih充当起搏器电流,启动节律性放电,抑制树突兴奋性并调节神经递质释放。因此,Ih电流可能会因神经元亚型的不同而具有不同的特征。在许多神经元亚型中,Ih主要出现在突触后,在膜电位和膜电阻中起着关键作用。通过影响这些膜的内在电学特性改变突触电位的形状和总和,进而影响神经元的兴奋性。在一些神经元中,Ih也可出现在突触前神经元的轴突和突触终末,调节神经递质的释放。此外,Ih对共振特性和内在神经元振荡也有影响 [7]。Ih影响神经元兴奋性,对学习和记忆等生理状态以及癫痫等病理生理状态具有重要作用。HCN通道在中枢神经系统的功能则与它具有的电生理特征密切相关。

3. HCN通道在突触传递中的作用

3.1. HCN通道在LTP中的重要作用

证据表明,HCN通道参与了海马LTP,促进突触整合和可塑性。据报道选择性HCN通道抑制剂ZD7288可阻断海马穿通纤维–颗粒细胞突触和苔藓纤维CA3突触诱导LTP [8] [9]。ZD7288抑制海马LTP诱导的机制可能涉及AMPA和NMDA门控谷氨酸受体的非特异性抑制及递质释放机制的调节 [9] [10],如ZD7288抑制LTP诱导的机制可能与显著减少突触前谷氨酸的释放有关 [10]。

Li等的研究表明永久性双侧颈总动脉闭塞引起的大脑低灌注5周后,空间和非空间学习和记忆能力明显下降,神经元丢失和树突棘密度显著降低,schaffer侧支CA1LTP受损,HCN1表达减少,而 HCN2表面表达增加。恢复大鼠海马CA1区HCN1/ HCN2的表面表达平衡,可改善认知功能障碍 [11]。局灶性脑缺血会损害海马活动依赖性LTP的诱导。兴奋毒性和随后对海马LTP相关递质系统(包括NR2B和PSD-95)的干扰可引起海马突触可塑性的损伤。HCN通道可能在调节细胞膜兴奋性和节律性神经元活动中起重要作用。选择性HCN通道阻滞剂ZD7288可通过降低谷氨酸释放,对schaffer侧支突触诱导CA1区LTP具有剂量依赖性的抑制效应 [10] [11]。研究发现局灶性脑缺血/再灌注损伤诱导的CA1区活性依赖性LTP及 NR2B和 PSD-95表达均明显降低,而低剂量ZD7288可减轻LTP诱导损伤,减轻脑缺血/再灌注损伤常见NR2B和PSD-95 mRNA及其蛋白的下调,研究表明阻断HCN通道可改善海马CA1区缺血/再灌注损伤的神经元上午突触可塑性 [12]。

大麻素1型受体(CB1R)通过HCN通道控制海马突触可塑性和空间记忆,而HCN通道是 Ih电流的基础,是树突兴奋性的关键调节器。CB1R-HCN通路涉及c-Jun-N末端激酶(Jnks)、一氧化氮合酶和胞内cGMP对CA1区锥体细胞表层的Ih有选择性的增强作用,而深层细胞则无此效应。CB1R-HCN通路的激活损害了兴奋性输入、长时程增强作用和空间记忆形成的树突整合。药理学上抑制Ih或HCN1的敲除可以消除CB1R引起的LTP和记忆缺陷。这些研究表明海马的CB1R-Ih通路是大麻素对LTP和空间记忆形成作用的必需途径 [13]。

HCN通道在大脑内源性神经元兴奋性调节中起重要作用。在海马锥体神经元中,海马 CA1区内的HCN通道明显富集于远端树突。这种独特的分布模式对调节树突的兴奋性至关重要。据报道,在锥体神经元的树突中,Ih的作用影响兴奋性突触后电位传导的动力学和振幅 [14]。有人认为ZD7288诱导的基础的突触传递和活性依赖性突触可塑性的抑制可能是由于其对海马AMPA和NMDA门控谷氨酸受体的非特异性抑制 [9]。有证据表明ZD7288可以调节和减少突触前递质的释放 [15],消除cGMP引起的海马谷氨酸释放增加,突触后NO/cGMP通过HCN通道增加海马NMDA受体电流对于海马CA1区LTP的诱导是必需的 [16]。ZD7288阻断了HCN通道,引起了神经元膜的超极化和膜电导的降低,它或者导致了突触前神经末梢神经元活性的大幅度降低,从而降低了脑缺血期间谷氨酸释放的增强,或者导致了超极化,从而降低了突触后神经元的兴奋性,抑制了缺血诱导的谷氨酸和细胞质去极化的过度激活,减轻了异常的Ca2+进入和Ca2+超载 [12] [14]。因此,ZD7288可能导致兴奋性毒性级联反应的中断,防止NR2B水平的下调,这种调节可能导致缺血后病理性突触可塑性的衰减,并解救活动依赖性LTP的损伤。

Matt等 [17] 为评估HCN2通道对海马突触可塑性的作用,在直接穿通路径至CA1区椎体神经元诱导LTP。LTP在HCN2基因敲除小鼠中得到增强,但在敲除受限的椎体神经元并未增强。进而排除了HCN2位于突触后椎体神经元的可能。同时发现在特异性敲除HCN2的中间神经元的小鼠的穿通路径中增强了LTP。研究揭示局部抑制性间神经元HCN2通道通过促进γ-氨基丁酸(GABA)输出到椎体神经元调节穿通路径中的突触可塑性。HCN1主要在海马区表达,并在很多病理环境中改变。在慢性缺血性大鼠模型,研究发现慢性脑缺血后LTP受损,大鼠的空间学习和记忆功能减弱。海马CA1区和新皮质的HCN1 mRNA明显降低 [18]。该结果为进一步研究HCN1在慢性不完全性全脑缺血的生理和病理意义提供了新的见解。

HCN1通道是海马CA1椎体神经元远端树突空间学习、突触整合和长时程可塑性的抑制约束。然而,由于HCN1通道提供兴奋性电流,HCN1通道可抑制CA1远端树突Ca2+火花,这与远端兴奋性突触LTP的诱导有关。研究表明HCN1通道通过降低远端兴奋性突触后点位的时间整合和增加T型和N型电压门控Ca2+通道的静息失活导致Ca2+火花 [19]。因此HCN通道通过这种双重机制可调控树突的兴奋性。

HCN通道是神经元生理学或病理生理学活动的重要调节器,有助于膜的被动电学特性,如静息电位和输入电阻,以及内在振荡活性和突触整合。TRIP8b(辅助HCN通道蛋白)的基因缺失导致功能性HCN通道的消除,从而影响突触后神经元的整合特性 [20]。Brager等研究发现来自野生型和TRIP8b基因敲除小鼠的Schaffer侧枝 LTP没有显著差异。但在敲除小鼠神经元中短时程增强明显。而且在基因敲除鼠,通常在LTP诱导后出现的Ih的持续增加并不存在。缺乏Ih的可塑性并不限于活动依赖性诱导,因胞内钙储存的耗竭也未能产生预期增加的Ih [20]。上述研究揭示TRIP8b缺失的生理影响并不仅限于神经元的整合特性,也包括突触和内在可塑性。

3.2. HCN通道在LTD中的重要效应

LTD同LTP一样,也是一种与学习和记忆有关的活动依赖性突触可塑性的形式。HCN通道调节膜电位和膜电阻,在突触可塑性中起重要作用。在海马的研究表明,在低频电刺激(15 min, 1 Hz,一种可诱导LTD的实验刺激协议)之前应用特异性HCN通道阻断剂 ZD7288显著提高幼年大鼠LTD ,表明HCN通道抑制LTD诱导。但在LFS后应用ZD7288时,LTD无明显变化,表明HCN通道不调节LTD的表达。研究揭示内侧穿通纤维–颗粒细胞突触的HCN通道可影响LFS诱导的幼年大鼠LTD [21]。而在小脑的研究发现浦肯野细胞的编码不仅取决于突触可塑性,而且还依赖于其内在膜的兴奋性。在平行纤维与浦肯野细胞突触诱导LTD,导致放电反应的增益增加,兴奋性增加伴随着输入电阻增加和HCN通道介导的电压幅度的降低。HCN通道阻断剂可抑制输入电阻和兴奋性增加,而没有阻断突触LTD 的诱导 [22]。上述研究说明平行纤维-浦肯野细胞LTD的诱导通过降低HCN介导的Ih电流增高浦肯野细胞的兴奋性。因此,HCN的下调与维持突触LTD的生化途径有关。鉴于平行纤维信息的多样性,内在兴奋性的变化增强浦肯野细胞对特定输入的编码能力。上述研究为HCN通道通过调节神经元的内在特性参与调制突触传递和突触可塑性提供了实验依据。

4. HCN通道参与神经系统疾病的发生

HCN通道涉及多种神经元功能,包括学习和记忆,调节警觉状态和疼痛。这些通道的功能障碍或遗传缺失已被证明会导致人类疾病,如癫痫 [23]、抑郁症 [24]、精神分裂症 [25] 和帕金森氏症 [26]。用基因敲除小鼠模型分析了神经系统HCN和HCN2通道的生理功能,研究HCN3通道在调节昼夜节律和决定行为方面的作用。结果发现HCN基因缺陷小鼠表现出正常的视觉、感光和非感光昼夜节律功能,但在处理情景情境信息方面受到损害 [27]。

神经退行性疾病,如帕金森氏病、阿尔茨海默氏病、肌萎缩侧索硬化症和脊髓髓肌肉萎缩症是与年龄相关的慢性进行性神经系统疾病,主要发生在大脑特定区域的神经元退化。虽然这些疾病病理机制仍未阐明,但离子通道功能障碍已经越来越被认为是神经退行性疾病的潜在机制。HCN1~4基因家族编码HCN通道,引导超极化激活电流,在调节细胞的兴奋性、节律性活动、树突整合和突触传递中起着重要作用。HCN通道在神经退行性疾病中的重要作用 [24]。

癫痫动物的CA1神经元容易受到离子通道表达的选择性改变的影响,这种改变被称为获得性通道病,它可以增加神经元的兴奋性。在癫痫持续状态模型中,背侧CA1神经元兴奋性增加,而腹侧CA1神经元兴奋性不增加,放电频率增加,锋电位间期)减小,输入阻抗增加。应用药理学和免疫组织化学及电流钳记录技术发现在背侧CA1区HCN通道表达下调。研究结果表明,背侧CA1区神经元自发性兴奋性增加,与腹侧CA1区神经元的内在特性相似,这可能使海马神经元回路更易与癫痫发作相关联,并导致慢性癫痫相关的认知功能损伤 [23]。

5. 小结与展望

HCN通道有兴奋和抑制两种功能状态,可通过药理学和遗传学的方法来进行修饰调节。因此,HCN通道有望成为治疗中枢神经系统疾病潜在的理想靶标。由于HCN通道对膜电位、膜电阻、神经元兴奋性的调节,在突触传递、突触可塑性和一些神经系统疾病中起着重要作用,HCN通道已成为慢性疼痛及一些神经系统疾病的潜在治疗靶点。而一些临床使用的药物可能为科学研究者提供不同的HCN通道亚基选择性拮抗剂的线索。随着HCN通道亚基选择性拮抗剂的出现,应用分子生物学和神经电生理学技术在细胞和分子水平研究HCN通道在生理和病理生理情况下的神经系统的功能和相关分子机制,有助于进一步揭示HCN通道在慢性疼痛、癫痫、抑郁症、精神分裂症及神经变性疾病中的作用机制,为类似疾病的治疗提供新的策略和药物作用靶点。

缩写注释列表

HCN (Hyperpolarization-Activated Cyclic Nucleotide-Gated Channel) 超极化激活环核苷酸门控通道

LTP (Long-term potentiation) 长时程增强

LTD (Long-term depression) 长时程抑制

Ih (hyperpolarization-activated current) 超极化激活的电流

CB1R (Cannabinoid Receptor 1) 大麻素1型受体

cGMP (cyclic guanosinc monophosphate) 环磷酸鸟嘌呤核苷

NMDA (N-methyl-D-aspartic acid receptor) N-甲基-D-天冬氨酸

GABA (γ-aminobutyric acid) γ-氨基丁酸

NOTES

*第一作者。

#通讯作者。

文章引用: 朱时钰 , 杨红卫 , 陆永利 (2020) HCN通道在突触传递和可塑性中的作用研究进展。 国际神经精神科学杂志, 9, 53-59. doi: 10.12677/IJPN.2020.93007

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