全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 5期
2008年 10月
Vol. 20, No. 5
Oct., 2008
文章编号 ：1004-0374(2008)05-0684-05
受体、突触和记忆
HUGANIR Richard L
（美国约翰霍普金斯大学药学院霍华德休斯医学研究所神经生物学部）
摘　要：大脑中神经元突触间的信号传递是由许多神经递质受体介导的。在过去，Richard L. Huganir
实验室一直致力于神经递质受体功能调节的分子机制。而最近，该实验室又聚焦到大脑中一种最主要的
兴奋性受体的研究——谷氨酸受体。谷氨酸受体主要可以分为两大类：A M PA 受体和 N M D A 受体。
AMPA受体主要介导了快速的兴奋性突触传递；而NMDA受体则在神经可塑性和发育中起到重要作用。
实验发现，AMPA受体和NMDA受体都可以被一系列的蛋白激酶磷酸化，而磷酸化的水平则直接影响
了这些受体的功能特性，包括通道电导和受体膜定位等。AMPA 受体磷酸化的水平同时还在学习和记
忆的细胞模型中发生改变，如长时程增强(LTP)和长时程抑制(LTD)。此外，AMPA受体中 GluR1亚单
位的磷酸化对于各种形式的可塑性以及空间记忆的维持有重要的作用。实验室主要研究突触部位谷氨酸
受体在亚细胞水平的定位和聚集的分子机制。最近，一系列可以直接或间接与 AMPA 和 NMDA 受体
相互作用的蛋白质得以发现，其中包括一个新发现的蛋白家族 GRIPs (glutamate receptor interacting
proteins)。GRIPs可以直接和AMPA受体的GluR2/3亚单位的 C端结合。GRIPs包含 7个 PDZ结构域，
可以介导蛋白与蛋白直接的相互连接，从而把各个 AMPA受体交互连接在一起并与其他蛋白相连。另
外，GluR2亚单位的C端还可以和兴奋性突触中的蛋白激酶C结合蛋白(PICK1)的 PDZ结构域相互作用。
另外，GluR2亚单位的 C端也可以与一种参与膜融合的蛋白 NSF相互作用。这些与 AMPA受体相互作
用的蛋白质对于受体在膜上的运输以及定位有至关重要的作用。同时，受体与 PICK1和GRIP的结合对
于小脑运动学习中的 LTD有重要作用。 总体上说，该实验室发现了一系列可以调节神经递质受体功能
的分子机制，这些工作提示受体功能的调节可能是突触传递可塑性发生的一个主要机制，并且可能最终
导致了动物行为的改变。
关键词：神经递质受体；可塑性；磷酸化
中图分类号：R 33 8　　文献标识码：A
Receptors, synapses and memories
HUGANIR Richard L
(Department of Neuroscience, Howard Hughes Medical Institute, Johns Hopkins University School
of Medicine, Baltimore MD USA)
Abstract: Neurotransmitter receptors mediate signal transduction at the postsynaptic membrane of synaptic
connections between neurons in the nervous system. We have been studying the molecular mechanisms in the
regulation of neurotransmitter receptor function. Recently we have focused on glutamate receptors, the major
excitatory receptors in the brain. Glutamate receptors can be divided into two major classes: AMPA and NMDA
receptors. Studies in our laboratory have found that both AMPA and NMDA receptors are multiply phosphory-
lated by a variety of protein kinases. Phosphorylation regulates several functional properties of these receptors
收稿日期：2008-07-21
通讯作者：E-mail: rhuganir@jhmi.edu
685第5期 HUGANIR Richard L：受体、突触和记忆
including conductance and membrane targeting. Recent studies in our lab have demonstrated that the
phosphorylation of AMPA receptors is regulated during cellular models of learning and memory such as long-
term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD). Moreover, phosphorylation of the AMPA receptor
GluR1 subunit is required for the expression of these forms of plasticity and for the retention of spatial memory.
We have also been examining the mechanisms of the subcellular targeting and clustering of glutamate receptors
at synapses. We have recently identified a variety of proteins that directly or indirectly interact with AMPA and
NMDA receptors. We have found a novel family of proteins that we call GRIPs (Glutamate Receptor Interacting
Proteins) that directly bind to the C-termini of the GluR2/3 subunits of AMPA receptors. In addition, we have
found that the C-termini of GluR2 also interact with the PDZ domain of PICK1, a protein kinase C-binding protein
that is found at excitatory synapses. The GluR2 subunit also interacts with the NSF protein, a protein involved
in the regulation of membrane fusion events. These AMPA receptor interacting proteins are critical in the proper
membrane trafficking and synaptic targeting of these receptors. We have recently shown that the binding of
PICK1 and GRIP is required for a specific form of LTD in the cerebellum that is a cellular model for motor learning.
In summary, we have examined the molecular mechanisms underlying the regulation of neurotransmitter receptor
function. Our studies have suggested that regulation of receptor function may be a major mechanism for the
regulation of synaptic plasticity in the nervous system and may be an important determinant of animal behavior.
Key words: Neurotransmitter receptor; plasticity; phosphorylation
长期以来，我们实验室都在尝试了解有关突触
传递的内在机制，研究重点是突触后受体系统，特
别是那些介导兴奋性和抑制性突触传递的受体门控
离子通道。改变由单个动作电位引起的神经递质的
释放，或者是调控受体的效率和数量，都能有效地
调节突触联系，调控突触功能。我们关注的问题主
要包括突触后翻译水平的调控是如何影响突触后受
体以及突触传递的，是哪些因素影响了突触区域的
突触传递，又是哪些因素导致了突触后受体密度和
位置的改变。
众所周知，受体蛋白的早期修饰很大程度上伴
随着蛋白质的磷酸化，于是过去几年进行的工作有
关各种蛋白激酶和磷酸酶调节受体磷酸化水平，最
终导致受体功能的改变。研究发现，受体磷酸化影
响受体功能是一个非常动态的过程，并且它在一切
的神经递质传递中都存在。受体磷酸化不仅可以影
响离子通道的属性，同时还可以影响突触区域受体
的运输，这是一个非常快速并且持续时间很长的过
程，通常可以持续几小时，甚至几天。但是这个
过程同样也是快速可逆的，十几年以来，受体蛋白
的磷酸化和去磷酸化以及受体回复到正常稳定状态
的机制都受到很大程度的关注。
另外，受体蛋白的运输也是非常有趣的问题。
受体蛋白在突触区域的定位是非常精确的，以大脑
中两种主要的突触——兴奋性突触和抑制性突触为
例，谷氨酸受体精确的定位在谷氨酸能的突触上，
而γ-氨基丙酸(GABA)受体精确的定位在GABA能突
触上。然而，关于这种精确定位的机制，目前仍
不是很清楚。不管是谷氨酸能还是GABA能受体，
它们都由同一个细胞合成并分配到不同的囊泡中，
接下来它们会插入到不同的突触内或突触外区域，
最后转移到突触部位。在过去的 10年中，许多研
究组对于受体的动态运输都做了细致的工作。他们
发现，受体的运输是一个非常动态的过程，包括了
大量受体内吞和重新上膜，以及最后受体完全内吞
并在溶酶体中降解，而这些过程都会影响到神经元
间突触传递的强度。
1　受体
本文主要关注谷氨酸受体。谷氨酸受体是一种
最经典的兴奋性突触受体，谷氨酸突触伴随着许多
关于突触传递的动态调节。谷氨酸突触的传递主要
由三种受体介导：N-甲基 -D-天冬氨酸(NMDA)受
体、海人藻酸受体 α-氨基羟甲基恶唑丙酸(AMPA)
受体。在大脑中，约 70%的突触传递由AMPA受
体介导，所以调节AMPA受体的功能对大脑的正常
功能有非常重要的影响。
AMPA受体由四个亚单位包绕形成一个离子孔
道，有三个跨膜区，一个非跨膜环状结构，它的
N端可以结合谷氨酸，C端包括所有的磷酸化位点
并可以和各种细胞骨架、胞内蛋白结合。编码不同
AMPA受体亚单位的基因共有四种，可分别以不同
的排列组合方式使AMPA受体有不同的特性，因此
686 生命科学 第20卷
通过调控不同基因表达的组合方式可以组合成不同
的 AMPA受体。
特异性地针对AMPA受体和NMDA受体染色，
能很好地定位树突棘和突出位置的兴奋性突触，并
且两者之间没有重叠，因此利用双光子方法可以得
到精确定位的NMDA受体和AMPA受体，并观察它
们的动态运动过程。将单个神经元转染上带
pHluorin标记的GluR2亚基，即在AMPA受体的胞
外区域结合上对pH敏感的GFP——只有当它位于细
胞表面时才有明显的荧光，而在大多数胞内区域或
胞吞的囊泡中由于 pH低而不发出荧光。于是通过
荧光的熄灭或抑制可以观察到这些受体的动态运
送。利用这一技术，一旦加一点点 N M D A 激活
NMDA受体并促进AMPA受体内吞，就可以观察到
这种动态的内吞。这一过程非常迅速，非常显著，
并且可以确实看到受体再循环回到细胞表面。此
外，可以重复操作。这一实验的时程分析图显示受
体的转运是个非常快速的事件：加入NMDA后荧光
量随着受体内吞而迅速减灭；洗脱NMDA又很快再
循环回来。所以说这是非常动态，同样又是非常特
异性的过程。
受体磷酸化水平是从分子水平上进行解释的一
个检测方式。根据尼古丁受体的相关工作获悉，与
受体结合相互作用的胞内蛋白对受体运送的调节很
关键。Rapsyn蛋白正是在神经肌肉接头处对乙酰胆
碱受体起着非常重要的作用。因此研究人员先从寻
找类似 Rapsyn的分子开始，试图找到有可能连接
AMPA受体和细胞骨架或其他运送途径，从而调节
受体靶向的蛋白。20世纪 90年代，多个研究组通
过一系列酵母双杂交系统、蛋白质组学以及遗传学
方法，描述和鉴定了结合 AMPA受体复合物的蛋
白。在这个过程中有许多蛋白可以和AMPA受体结
合。此文主要涉及其中的两个，GRIP和 PICK1。
GRIP1/2是谷氨酸受体结合蛋白 1、2，它们
与AMPA受体GluR2/3亚基的C端，通过 PDZ结构
域结合，即 PDZ5在这里与GluR2/3的 C端相互作
用，并且有一系列PDZ结构域与许多其他蛋白，比
如与GRASP相结合。PDZ结构域结合特定的相互
作用蛋白，与 AMPA受体形成复合物。
GluR2/3的这一区域也能够与蛋白PICK的PDZ
相结合。PICK1最初被认为是蛋白激酶 Cα(PKCα)
相互作用蛋白，它与PKC的结合同样是通过PDZ的
C端相互作用，通过 BD结构域形成二聚体将受体
与PKC连接。PICK除了可以促进磷酸化的作用外，
同时它还有下调AMPA受体的功能，但未知有哪些
蛋白质相互作用的位点。AMPA受体的 C末端在胞
内，有三种亚基含有同源体，分为两种主要类型：
一种是短的，GluR2、GluR3和GluR4(GluR4的剪
切异构体)，这三种蛋白质的C端有很强同源性，直
接和 PICK和 GRIP结合；另一种是长的，本文省
略不述，因为它们和其他蛋白结合，例如 SAP-97
和 4.1N。这两种蛋白都可以结合相同的 C端区域，
并且它们的相互作用受到PKC磷酸化的调节。磷酸
化的GluR2抑制其与GRIP1/2的相互作用，但不影
响与 PICK的相互作用，因此从GRIP复合物解离下
来而与 PICK复合物结合。PDZ结合位点的去磷酸
化使GRIP复合物重新形成。从序列上来看正是这
一丝氨酸被PKC磷酸化后调节了相互作用。根据多
个研究组的工作，总结出这一模型：GRIP通过某
种人们尚未完全清楚的方式促进表面的受体运送上
膜，而受体与 PICK1的相互作用促进受体内吞或受
体在胞内稳定。
2　突触可塑性
除了受体运送和受体功能的调节外，学习记忆
也是重要的问题，即受体调节在突触可塑性，甚至
于学习记忆中的作用。在多种形式的突触可塑性
中，有一种小脑的经典可塑性形式称为长时程抑制
(LTD)，大约 30年前由Masao Ito发现。在这种可
塑性中，兴奋性突触间的长时程抑制能持续数小
时，甚至数天。在小脑脑片上可以看到浦肯野细
胞，以及颗粒细胞伸出平行纤维与浦肯野细胞形成
的突触，还有作为浦肯野细胞输入的攀援纤维围绕
在浦肯野细胞周围，当攀援纤维发放时引起非常强
烈的去极化。所以检测颗粒细胞的平行纤维和浦肯
野细胞的突触强度并且进行刺激和记录，可以得到
很稳定的突触反应。但如果刺激平行纤维的同时给
攀援纤维也进行刺激，再来看平行纤维和攀援纤维
的突触反应强度是否改变，会观察到抑制。一对攀
援纤维和平行纤维的刺激之后，得到很长时间的抑
制，这个反应发生得非常迅速，在几分钟之内就会
发生并且持续很长时间。这是相当卓越的研究，这
一模型系统对于研究受体运送或调制在可塑性中的
作用很有用。
这种可塑性之所以让研究人员感兴趣，理由之
一在于诸多实验室工作(其中最主要是David Linden
的工作)已经揭示PKC是其中的关键成员。小脑LTD
687第5期 HUGANIR Richard L：受体、突触和记忆
需要 PKC，而 PKC磷酸化GluR2是否会和 LTD有
关呢？对此，我们与David Linden实验室合作展开
了GRIP、PICK和PKC在LTD中作用的研究。David
建立了一个分离培养模型用于 LTP/LTD，其中用一
根玻璃管灌满谷氨酸并记录反应，可以得到非常稳
定的反应。然后在给谷氨酸的同时，给以与攀援纤
维去极化类似的去极化刺激。这样会得到很明显的
谷氨酸的抑制反应，也就是说这对刺激会引起神经
元对谷氨酸的受体敏感性降低。两组研究人员首先
采用了打断GluR2与PICK和GRIP相互作用的方法，
实验策略是用三根膜片吸管灌注浦肯野细胞，吸管
内含有 10个氨基酸大小的多肽短片断，其序列与
GluR2的C端一致，因而能够与 PICK及GRIP的所
有 PDZ结构域结合，使它们与内源AMPA受体脱
离。灌注该种多肽打断蛋白相互作用后，观察是否
还能看到 LTD。以上实验结果显示：以未加多肽
的细胞为对照，可以诱导出漂亮的 LTD；相反，
加入磷酸化多肽——结合 PICK不结合GRIP，LTD
被阻断，由此说明GluR2 与 PICK的结合对 LTD的
表达重要；反之，将磷酸化位点突变为甘氨酸，
使多肽不能发挥原有效果，又出现了漂亮的 LTD。
于是，研究人员间接证明了GluR2的C端与PICK的
相互作用对于 LTD表达是重要的。
3　整体动物体内实验
研究人员采用很多遗传方法在体内进一步证实
以上结论。诚如Morgan所言，培养体系中的研究
很好很有用，但大脑才是人们真正的兴趣所在，因
而体内和整体动物的研究势在必行。研究人员构建
了一系列突变小鼠。其中一种基因敲入(knock-in)小
鼠被敲入了缺失末尾 7个氨基酸的GluR2，而这一
段正是包含磷酸化位点的区域，也是与 GRIP 和
PICK相互作用的区域。这一突变小鼠由相应的载
体胚胎干细胞制备得到，并且对它们的可塑性进行
了检测。缺失了 C 端的小鼠能正常进行生存和繁
殖。各种抗体检测基因替换效果的结果显示，用特
异识别GluR2最后7个氨基酸的抗体在海马和小脑区
域都不能检测到GluR2的表达，正是因为GluR2的
最后 7个氨基酸被替换掉了；而用特异识别GluR2
N端的抗体检测，突变小鼠中GluR2的表达则没有
发生改变。接着对这种突变小鼠的 LTD进行检测。
同样，LTD在这些突变小鼠中完全不能诱导出来。
在培养的突变小鼠神经元中实际LTD诱导之后，反
应还略有上升，甚至在基因敲入小鼠中出现轻微的
长时程增强(LTP)。进一步在脑片上进行更经典的
LTD检测，得到同样的结果：在突变小鼠脑片中，
LTD表达同样消失。因此，GluR2的 C端对于这种
可塑性是非常关键的。
为了证明PICK(或者GRIP)或者这两者都是或其
他分子对于促进这种突触强度减弱是必需的，研究
人员首先用传统的方法敲除了 PICK1基因。由于这
种 PICK1敲除小鼠可能是一种致死突变，研究人员
还构建了 flox位点，但实际上可以在小鼠中敲除
PICK1。虽然这种突变小鼠繁育得不是很好，但是
它们可以存活，也很健康；杂合子小鼠的繁育相对
好一点。各种不同的 PICK抗体均显示没有检测到
海马和小脑中 PICK的表达，同时，其他突触蛋白
也没有明显差异，证明了基因敲除小鼠非常有效。
实验发现，这些基因敲除小鼠同样没有小脑 LTD。
为了了解PICK的哪个区域对于这种可塑性有非常重
要的作用，采用基因枪表达方法将野生型 PICK或
各种突变型 PICK 基因打入突变小鼠中。野生型
PICK质粒重新打入 PICK基因敲除小鼠可以完全挽
救 LTD。研究人员做了一系列这样的改变结构分
析，突变 PDZ区域和 BAR区域·BAR区域参与与
脂质结合，并且 BAR区域对于受体的内吞非常重
要。一个实验是在 PICK的 PDZ区域做一个突变，
使得这种突变的PICK将不会与GluR2或PKC结合，
如果将这种突变的PICK基因打入，将不能挽救LTD
的产生。所以，显然 PICK与GluR2的结合对于这
种可塑性是非常关键的；脑片实验也得到了同样的
结论。
PICK突变将没有 LTD产生，另一部分工作是
针对GRIP的。有两种 GRIP，突变GRIP1是胚胎
致死，因此该实验花了很长的一段时间。突变小鼠
在胚胎发育 11d死于表皮缺陷，于是只能构建条件
等位基因敲除。同样如果只敲除 GRIP2, 可能有
GRIP1的补偿作用。所以为了检测GRIP在可塑性
中的作用，必须以一种条件敲除的方式同时敲除
GRIP1和GRIP2。由于我们实验室这一技术最近才
能够达到，所以还没有得到突变小鼠，也尚未在小
鼠上检测。但是体外培养敲除GRIP1和GRIP2的神
经元有了一些结果。培养GRIP2敲除和 flox-GRIP1
条件等位基因小鼠的小脑神经元，体外转染带 Cre-
GFP的病毒将GRIP1和GRIP2在体外培养的小脑神
经元中敲除，然后在这种神经元中检测是否有
LTD。结果显示在双敲除GRIP1和GRIP2的神经元
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中不能诱导出 LTD。如果只有GRIP1或者GRIP2，
仍然可以得到很好的LTD，需要将GRIP1和GRIP2
同时敲除才能完全阻断 LTD的产生。所以，这部
分结果显示不仅仅 PICK与GluR2的相互作用，而
且与GRIP的相互作用对于LTD的产生都是非常关键
的 。
最后是一种单个氨基酸位点突变的小鼠。正如
前面已经提到的，GluR2上的第 880位丝氨酸的磷
酸化对于动态调节GluR2与PICK和GRIP的相互作
用非常关键。如果将这个丝氨酸位点突变为丙氨酸
或其他不能被磷酸化的氨基酸，将改变 GluR2与
PICK和GRIP的相互作用；而如果将丝氨酸突变为
丙氨酸，那么GluR2将再也不能与GRIP结合。当
对 882位赖氨酸突变，这种突变在体外条件下可以
阻断 PKC磷酸化丝氨酸位点，而不影响 GluR2与
GRIP和 PICK的结合。这种基因替换小鼠很健康，
繁殖能力正常。研究人员进行了一系列的检测实验
用以观察突触蛋白是否发生变化，其中最为关键的
检测应该是这种点突变小鼠GluR2的磷酸化是否受
到影响。首先将GluR2从野生型或突变型小鼠前脑
蛋白样品中免疫沉淀，然后用磷酸化丝氨酸的广泛
抗体检测GluR2的磷酸化是否受影响，结果发现在
磷酸化水平上它们没有任何差异。随后，利用 PKC
激动剂激活 PKC，观察引起的磷酸化水平是否改
变。结果显示不加组织多肽抗原(TPA)，PKC的激
动剂时，GluR2 本底水平的磷酸化非常少；加入
TPA后，在野生型小鼠中GluR2磷酸化明显增加，
而在突变型小鼠中没有这种变化。因此，GluR2单
个氨基酸的突变明显地削弱了 PKC对其的磷酸化，
而其他激酶的磷酸化完全不受影响。前一组实验结
果成为一个很好的对照，该点突变只影响了PKC对
这个位点的磷酸化。随后在培养的神经元和脑片上
对突变小鼠的 LTD进行了检测，发现 LTD在这种
突变小鼠中都不能被诱导出来。这种突变小鼠的好
处在于它只有单个氨基酸位点的突变，却能完全阻
断 LTD的诱导。小脑的 LTD被认为参与了很多形
式的运动学习、闭眼条件反应、前庭眼动反射
(VOR)等，因此在这种突变小鼠上又进行了行为学
测试，观察小鼠的行为是否受到影响。如果有影
响，那么我们的工作证明了突触可塑性，分子机制
和行为之间有密切的联系。LTD的模型是这样的：
刺激平行纤维，谷氨酸释放；刺激平行纤维能激活
PKC，造成剧烈的受体磷酸化。而磷酸化的受体相
互之间进行交换，并与GRIP结合在一起，促进了
受体内吞。
以上结果暗示 PICK通过某些动态方式，促进
受体内吞或使受体稳定在细胞内库。许多其他蛋白
质也能影响AMPA受体的转运，并参与大脑的可塑
性过程。在可塑性过程中，钙通透的 AMPA受体
和钙不通透的AMPA受体之间相互交换。PICK受
体以及其磷酸化还能影响大脑里其他几种可塑性，
因此下一步工作将检测小脑星状细胞以及其他几个
脑区的可塑性来阐明这些突变小鼠的特性和功能。
另外，一些区域特异性基因敲入 /敲除小鼠将被制
备用来观察更为详细、更为相关的行为。
朱　机　李　莹　彭懿蓉　张荣伟　整理