CAMP应答元件结合蛋白与痛觉调制.pdf
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1、生理科学进展2 0 0 6 年第3 7 卷第2 期 C A MP应答元件结合蛋白与痛觉调制* 姚繁荣曹东 元赵晏 ( 西安交通大学环境与疾病相关基因教育部重点实验室; 西安交通大学医学院生理学与病理生理学系, 西安7 1 0 0 6 1 ) 摘要 c A M P应答元件结合蛋白 ( c A M P r e s p o n s e e l e m e n t b i n d i n g p r o t e i n , C R E B ) 是刺激诱导的一种 转录因子, 通过磷酸化实现调节转录功能。疼痛和痛觉过敏是组织损伤或炎症时常伴有的生理病 理过程, 谷氨酸、 P物质等神经递质或神经肤以及细胞内
2、的信号转导途径参与此过程。近年来研究 发现C R E B通过自 身磷酸化, 在炎症、 神经损伤等诱发的自 发性疼痛、 痛觉过敏及痛觉超敏中具有 重要作用。本文从C R E B的一般特性及其在脊髓水平的痛觉调制中的作用等方面予以综述。 关键词c A M P应答元件结合蛋白; 脊髓; 痛觉调制 中图分类号R 3 3 8 c A M P应答元件结合蛋白( c A M P r e s p o n s e e l e - m e n t b i n d i n g p r o t e i n , C R E B ) 是上世纪8 0 年 代后期 发现的一种细胞核内调控因子, 它通过自 身磷酸化 实现调节转
3、录功能。c A M P及其下游信号途径参与 调节许多不同的细胞内过程 ( S k a l h e g g和T a s k e n . 2 0 0 0 ) . C R E B 家族成员作为典型的刺激诱导的转 录因子已经被广泛接受。许多神经元细胞外刺激均 能够激活 C R E B家族和依赖C R E B的基因表达, 参 与中枢神经系统可塑性形成及疾病发生等复杂的生 理 病理过程 。 疼痛和痛觉过敏是组织损伤或炎 症时常伴有的生理病理现象, 谷氨酸、 P 物质等神经 递质或神经肤, 以及细胞内的信号转导途径参与此 过程。近年来的研究发现, C R E B通过自身的磷酸 化, 在炎症、 神经损伤等诱发
4、的自 发性疼痛、 痛觉过 敏的形成过程中具有重要作用, 本文将就此方面的 研究进展加以综述。 一、 C R E B的分子结构与调节转录功能 C R E B是一种连接于 C A M P反应元件( C A M P r e s p o n s e e l e m e n t , C R E ) 启动子 部位的 组成 性表达 转 录因子, 属具有基本区域和 C 一 端亮氨酸拉链( b Z I P ) 的转录因子大家族成员。b Z I P蛋白家族根据其功 能分为若干亚家族, 其中C R E B , C R E M , A T F - 1为 同一亚家族成员, 主要对 c A M P等信号发生应答反 应。C
5、 R E B蛋白家族在诱导所有真核细胞基因表达 中起重要作用。C R E B磷酸化可启动靶蛋白基因转 录, 最终提高突触效力。J u n , F o s 等早期应答因子 亚家族启动子区域包含一个 C R E基序, 包括c 一、 、 b c l - 2 、 M c l 1和 i n t e r l e u k i n - 6 ( H e r d e g e n和 L e a h . 1 9 9 8 ) 。现已鉴定出 C R E回文序列: 5 - T G A C G T C A - 3 , 此序列是转录因子 C R E B的结合位点。C R E B磷 酸化机制仍不清楚, 但在这种修饰过程中存在一个
6、 将 C R E B由不活动状态转变为活性状态的构象改 变 ( U s u k u r a 等. 2 0 0 0 ) 。磷酸化 C R E B可能通过补 充激活剂( 例如 C R E B结合蛋白) 来加强转录。 C R E B 可调节与外周损伤和应激刺激后神经元 可塑性变化有关的早期即刻基因和一些晚期效应基 因功能, 因其能够调节基因转录而又被称为调节转 录核因子。C R E B与即刻早期基因( i m m e d i a t e - e a r l y g e n e s , I E G s ) 编码的蛋白 不同, I E G s 受刺激诱导可以 快速合成新的蛋白( 如F o s , J u
7、 n 或K r o x ) , 发挥转录 因子或转录调节因子的作用; 而C R E B受刺激后只 需通过活化原有的C R E B发挥作用。细胞内 C R E B 有两种形式: 单体和二聚体, 二聚体 D N A亲和力与 转录活性均明显高于单体, 两者之间可以转化。 C R E B 丝氨酸残基( S e r 1 3 3 ) 上进行的磷酸化作用在 转录活化中 起关键作用( J i 等. 2 0 0 1 ) 。 C R E B因磷 酸化作用活化后, 以二聚体的形式结合到C R E的目 标基因序列上, 从而调节基因转录, 此过程由与亮氨 酸拉链直接相连的氨基末端氨基酸序列介导, 这一 区域富含赖氨酸和
8、精氨酸。磷酸化与脱磷酸化是调 节C R E B的重要机制之一。 二、 C R E B参与痛觉有关的基因 调控 研究表明, C R E B 作为管家基因, 在神经系统中 国家自 然科学基金( 3 0 4 0 0 1 3 1 ) 、 教育部高校博士点基金 ( 2 0 0 4 0 6 9 8 0 2 2 ) 和陕西省自 然科学基金( 2 0 0 4 C 2 2 5 ) 资助课 题 通讯作者 生理科学进展2 0 0 6 年第3 7 卷第2 期 参与多种生物功能的调控, 如神经细胞的兴奋等。 C R E B通过特异性 D N A共有序列 C R E激活c 一n 和c 一、 , 从而调节 I E G s
9、或一些晚期效应基因。c f o s 编码的 F o s 蛋白作为转录调节因子, 广泛参与神经 系统中多种递质的转录激活作用, C R E B磷酸化在 c 一、 诱导中具有重要作用。在许多疼痛基因如c - f o s 、 生长抑素以 及神经激肤1 受体( N K 1 ) 基因中存 在 C R E启动子, 组织损伤后被激活( W e i 等. 2 0 0 2 ) 。慢性缩窄性损伤( c h r o n i c c o n s t r i c t i o n i n j u ry, C C I ) 和福尔马林皮内注射引起的炎症均可引起脊 髓背角神经元早期磷酸化 C R E B ( p C R E B
10、 ) 增加, 同 时也可诱导脊髓背角c f o 和j u n - D细胞瞬间升高 ( F u n d y t u s . 2 0 0 1 ) 。大鼠单侧爪部注射福尔马林后 双侧脊髓神经元C R E B磷酸化增加, 但c 一 诱导表 达增加主要出现在同侧; 另外在脊髓同一区域内磷 酸化 C R E B阳性细胞的数量比c f o s 阳性神经元多, 这表明 C R E B与其它基因对伤害性刺激的反应有 所不同。C R E B阴性转基因小鼠活化淋巴细胞c 一、 表达显著降低也证明了这一点( B a r to n等. 1 9 9 6 ) o 因此, 伤害性刺激后 C R E B磷酸化可能是一个比c -
11、 f o : 表达更好代表神经元活动的指标, 因为它的诱导 更加迅速和敏感( W h i t e 等. 2 0 0 0 ) 。p C R E B通过激 活c 一n和 c f o s 调节一些晚效应基因的转录, 因此 C R E B磷酸化应该比c j u n和 c f o s 激活要早一些。 但 是, 坐骨神经部分结扎( p a r ti a l s c ia ti c n e r v e li g a - t i o n , P S N L ) 动物在神经性疼痛出现后脊髓背角神 经元 p C R E B才增加( M a 等. 2 0 0 1 ) 。因此, 长时间 持续的p C R E B增高与
12、c 一n 或者。 f o s 诱导可能不 存在依存关系。 作为转录因子, C R E B在神经递质诱导的基因 表达中起重要作用。前脑啡肤( p r o e n k e p h a l i n , P E N K ) 的启动子上游有一个可被 c A M P激活的增 强子序列, 此增强子序列是 P E N K表达所必需的, C R E B可与之结合。在另外一些参与疼痛的基因中 也发现 C R E B结合位点。已经证实炎症时 C R E B 磷酸化可调节前强啡肤基因的表达, 在外周神经疼 痛模型大鼠及阿片耐受动物脊髓背角神经元前强啡 肤表达显著增加( V a n d e r a h等. 2 0 0
13、0 ) ; 强啡肤耐受 动物脊髓背角神经元 C R E B磷酸化增加( L i 和 C l a r k . 1 9 9 9 ) 。因此可以推测 C R E B磷酸化可能在 神经损伤或者吗啡耐受引起的神经性疼痛中参与诱 导脊髓强啡肤表达。研究表明大鼠N K 1 受体基因 包含 C A M P反应元件, C R E B磷酸化促使其基因转 录, 引起 N K 1 受体的表达增加。另外, p C R E B可能 间接通过c 扣: 调节N K l 受体m R N A表达。大鼠 爪 部注射福尔马林后L 4 , 1 S脊髓 N K 1 免疫阳性神经 元内p C R E B免疫荧光增加, 可分布于整个脊髓,
14、提 示在持续性疼痛中p C R E B引起了脊髓N K l 受体表 达的增加( A n d e r s o n 和S e y b o l d . 2 0 0 0 ) 。 三、 C R E B参与疼痛及痛觉过敏的形成 C R E B磷酸化与炎症性自发性痛、 痛觉过敏及 痛觉超敏的形成密切相关。角叉菜胶、 福尔马林皮 下注射 ( W e i 等. 2 0 0 2 ) , 以及强电刺激 C类细纤维 ( J i 等. 2 0 0 0 ) 后, 双侧参与痛觉反应的脊髓背角神 经元和 D R G神经元 C R E B磷酸化, 并且 C R E B磷 酸 化与炎症性疼痛时间一致 z 7 。 大鼠 爪部注射福
15、 尔马林使脊髓 1 , 1 1 , V和 X层 C R E B显著磷酸化, p C R E B的数量与刺激强度相关 ( i i和 R u p p . 1 9 9 7 ) 。脊髓C R E B磷酸化与神经损伤后疼痛的发 生及维持密切相关, 而典型神经性疼痛的行为体征 与长时程突触可塑性变化紧密相关( D r a g a n i c . 2 0 0 1 ) 0 P S N L 后脊髓背角浅层p C R E B的含量明显 增加, 提示在 P S N L神经性疼痛模型中 C R E B磷酸 化增加可能是导致突触改变和持续疼痛的关键分子 学机制( M a 等. 2 0 0 1 ) 。如果在 P S N
16、L后鞘内注射 C R E B反义寡聚脱氧核昔酸( O D N , 5天后可显著 降低痛觉超敏。O D N注射后 P S N L大鼠脊髓背角 C R E B和p C R E B显著减少, 提示C R E B磷酸化作用 在神经损伤与神经性疼痛的中枢可塑性变化中起重 要作用。P S N L典型热痛敏消失后, p C R E B的含量 回到正常水平, 提示痛觉过敏的维持依赖持续的 C R E B磷酸化 2 , 神经性疼痛存在时C R E B活化是 可以持续、 延长和逆转的( A n d e r s o n和 S e y b o l d . 2 0 0 0 ) 。 四、 多种生物活性物质参与 C R E
17、 B在脊髓水平 疼痛调制中的作用 脊髓背角神经元可塑性变化是外周神经损伤或 者炎症引起的慢性疼痛的基础, 位于脊髓及 D R G 神经元中不同的神经递质或调质可能参与此过程, 如 P物质( s u b s t a n c e P , S P ) 、 降钙素基因相关肤 ( c a l c i t o n i n - g e n e - r e l a t e d p e p t id e , C G R P ) 、 血管 活 性 肠 肤( v a s o a c t iv e in t e s t in al p o ly p e p t id e , V I P ) 、 脑源 性神 经营养因子
18、 ( B r a i n - d e r i v e d n e u r o t r o p h i c f a c t o r , B D - N F ) 、 乙 酞 胆碱、 谷氨酸等 2 1 。 福尔马 林诱导的 炎症 可能是脊髓伤害性神经元通过 N M D A受体介导的 C R E B信号活化的结果。在注射福尔马林前鞘内给 予 N M D A受体拮抗剂 M K - 8 0 1或麻醉剂氟烷, C R E B磷酸化可被抑制; 反复鞘内注射谷氨酸受体 生理科学进展2 0 0 6 年第3 7 卷第2 期 的反义寡核昔酸可以降低受体表达, 并减轻神经损 伤引起的神经性疼痛( F u n d y t
19、 u s 等. 2 0 0 1 ) , 提示由 N M D A受体活化诱导的 C R E B磷酸化是脊髓背角 神经元对炎症反应的一个组成部分。 C R E B调节转录的活性受 c A M P 通道和钙离子 通道两大信使系统共同调控。脊髓 。 A M P 途径的激 活参与疼痛的处理过程, 产生机械性痛敏( D o l a n 等. 2 0 0 1 ) 。谷氨酸及神经肤, 如 C G R P , S P是初级 感觉神经末梢受到伤害性刺激时传递生物信息的物 质。这些神经递质激活受体而使细胞内信使活化, 神经元腺昔酸环化酶可通过神经递质、 受体交互作 用或钙增加而活化, 使 A T P 转变为c A
20、M P , 从而激活 蛋白激酶A ( p r o t e i n k i n a s e A , P K A ) 使 C R E B磷酸 化。P K A通过各种底物磷酸化参与神经元可塑性 变化, 包括离子通道、 神经递质及受体、 转录因子等。 有证据表明, P K A和 C R E B活性变化引起外周神经 损伤或炎症时脊髓背角神经元功能改变( M o o r e 等. 2 0 0 0 ) 。细胞内 C A M P或 C a t + 增加时,P K A对 C R E B的S e r 1 3 3位进行磷酸化作用加强( W u等. 2 0 0 1 ) 。皮内注射辣椒素后 N M D A受体 N R
21、1 亚型 上的 P K A位点磷酸化( Z o u等. 2 0 0 0 ) 。用腺昔酸 环化酶或 P K A抑制剂处理后, 皮内注射辣椒素后 1 小时或关节、 肌肉注射辣椒素后 2 4小时可反转继 发性痛觉过敏, 但 1 周后关节或肌内注射辣椒素对 机械性痛觉过敏无影响 3 。 说明。 A M P途径活化 参与维持早期的时间依赖性痛觉变化, 而不参与稍 后阶段的痛觉过敏形成。此外, 脊髓内腺昔酸环化 酶激活后增加脊髓丘脑通路神经元对提捏皮肤的反 应, P K A抑制剂预处理后可阻止这种反应的发生 ( L i n等. 2 0 0 2 ) 。这些研究表明, p C R E B的增加促 进痛觉过敏的
22、产生, 提供了通过调节 c A M P途径控 制 痛觉过敏的 依据。 最近研究发现, P K A , P K C , 细 胞外信号调节激酶( e x t r a c e ll u la r s ig n a l - r e g u la t e d k i n a s e , E R K ) 和钙调蛋白激酶( C a M K ) 1 1 特异性抑 制剂可显著降低由坐骨神经结扎引起的 C R E B 磷酸化 , 提示除P K A外 , P K C与C a M K 1 1 途径 也参与介导神经损伤引起的脊髓背角C R E B 磷酸化过程 5 o P K A , P K C 和C a M K 抑制剂
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- CAMP 应答 元件 结合 蛋白 痛觉 调制
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