谷氨酸转运体与脑缺血的研究综述

谷氨酸转运体与脑缺血的研究综述摘要
谷氨酸盐,是神经系统中最重要的兴奋性神经递质之一。

由于细胞外缺少谷氨酸代谢酶，故其灭活方式主要依赖于谷氨酸转运体的摄取。

脑缺血时，谷氨酸转运体表达障碍或失活，导致细胞外或突触间隙内谷氨酸盐过度聚积进而引起神经毒性反应甚至神经元死亡，因此谷氨酸盐转运机制的深入研究对于脑缺血等疾病的病因学及治疗方面起着重要的意义。

本文就谷氨酸转运体的分类与脑缺血保护的关系做以综述。

关键词
谷氨酸，转运载体，脑缺血
谷氨酸转运体分类
（一）NA离子依赖性转运体
目前已知的位于细胞膜的高亲和力转运体有5 种，分别为：GLAST (EAAT1)、G L T ( E A A T 2 ) 、E A A C 1 (EAAT3)、EAAT4和EAAT5。

其中EAAT1 和EAAT2 主要在星型胶质细胞表达，在终止谷氨酸能神经传递、维持细胞外液Glu 浓度处于低水平、防止其兴奋性毒性作用以及对过量Glu的转运中发挥着主要作用。

低亲和力谷氨酸转运体VGLUTs 分布于囊泡膜上，它能够特异地将突触囊泡外的Glu 转运进入突触囊泡内。

目前VGLUTs 有3 种：Ⅰ型囊泡谷氨酸转运体(VGLUT1)、Ⅱ型囊泡谷氨酸转运体(VGLUT2)和Ⅲ型囊泡谷氨酸转运体(VGLUT3).
EAATs 和VGLUT1 转运Glu 时的一个非常重的区别就是EAATs 依赖钠离子的存在，而VGLUT1发挥其转运Glu的功能则低浓度的氯化物是必要的。

和EAATs 相比，VGLUT1 的表面亲和力实质上较低。

EAATs 识别天冬氨酸和Glu，并以两者作为底物，而VGLUT1 不识别天冬氨酸[12]。

VGLUT1 能够将Glu 转运进入突触囊泡，并具有能量依赖性和底物特异性，由这种特性可以推断，VGLUT1 作为囊泡谷氨酸转运体，其表达可定义神经元的谷氨酸能表型，即可以作为谷氨酸能神经元的标志.
（二）非Na离子依赖型转运体
Na +非依赖性谷氨酸转运体———胱氨酸-谷氨酸转运体调节的谷氨酸释放除了Na+ 依赖性的谷氨酸转运体,体内尚有其他的转运体也参与了细胞外Glu稳态的调节作用,尤其是胱氨酸-谷氨酸转运体。

该转运体为Cl- 依赖性的,其功能与Na+无关,可在多种细胞内表达,已被成功地克隆。

经胱氨酸-谷氨酸转运体交换进入细胞内的胱氨酸是细胞合成抗氧化剂谷胱甘肽的重要前体物质,通常胶质细胞将摄取的胱氨酸转化为半胱氨酸,半胱氨酸从胶质细胞释放后再被神经元摄取并在神经元内转化为谷胱甘肽,由于半胱氨酸极不稳定,很快自身氧化成胱氨酸,因此细胞外几乎无半胱氨酸的存在,而细胞内的半胱氨酸主要来源于胱氨酸-谷氨酸转运体转运而来的胱氨酸。

当细胞外Glu浓度升高时,除了可以激活引起神经元死亡的GluRs外,还可以阻止胶质细胞对胱氨酸的摄取,使具有清除活性氧作用的谷胱甘肽合成减少,导致细胞内活性氧成分堆积,产生氧化应激反应[15] ;此外,星形胶质细胞摄取Glu,并将其转化为谷氨酰胺,谷氨酰胺释放后被神经元摄取,作为合成Glu的前体物质。

通常一个胱氨酸分子交换一个Glu分子。

由于胱氨酸被持续转化为半胱氨酸,因此细胞内浓度仅为细胞外浓度的100 倍, 而细胞内的Glu 浓度则为细胞外的10 000倍,因此生理条件下,转运体将胱氨酸转运到细胞内,而将Glu转运到细胞外[ 16]。

经胱氨酸-谷氨酸转运体转运到细胞外的Glu很容易经Na+ 依赖性的谷氨酸转运体摄取回细胞内,因此不会造成对神经元的损伤。

但在脑缺血时,Na+ 依赖性的谷氨酸转运体功能障碍,经胱氨酸-谷氨酸转运体外流的Glu便成为造成神经元死亡的Glu释放的一个重要机制。

全细胞膜片钳技术对大鼠脑片胱氨酸-谷氨酸交换体研究显示,一定浓度的细胞外胱氨酸可以激活胱氨酸-谷氨酸转运体,引起Glu大量外流[ 17] 。

对[ 35 S ] 胱氨酸摄取的测定结果显示,阻断经胱氨酸2谷氨酸转运释放的Glu可以明显降低Glu 。

尽管缺乏相应的胱氨酸-谷氨酸
转运体拮抗剂,无法评价交换体的确切机制,但有研究显示,恶性神经胶质瘤细胞可以通过胱氨酸-谷氨酸转运体释放Glu杀死肿瘤组织周围的正常神经元,促进肿瘤组织的进一步生长,这种[ Glu ] 。

的提高除与Na+依赖性的谷氨酸转运体表达的减少(GLT21)和异位( GLAST从胞浆膜异位到细胞核)有关外,主要与胱氨酸2谷氨酸转运体上调有关[ 18 ] 。

谷氨酸盐转运体的生理功能
大脑中Glu的浓度大约是5-15mmol/kg，其中99.99%在细胞内，仅有一小部分被释放入突触间隙，与神经末梢突触囊泡最大浓度（约100 mmol/L）相比，细胞内Glu浓度范围是1–10mmol/L，细胞外Glu浓度仅有几μmol/ L [5]。

Glu的摄取受到谷氨酰胺合成的激活或表
达的影响[6] 。

而Glu浓度的调节主要依赖于Glu转运体，Glu通过胞吐作用从星形胶质细胞和神经元细胞释放入细胞外，通过兴奋性氨基酸转运体（EAATs）进入胶质细胞。

EAATs 主要负责突触信息的正常传递及细胞外谷氨酸再摄取，还能够保护神经元免受兴奋性毒性的损害。

其中主要的转运体是GLT-1[7]，负责总Glu再摄取的90%多。

Glu合成和释放均受突触前受体控制，突触前受体抑制其释放，而突触后受体干扰离子通道的调节和其他神经递质的释放[8] 。

人类组织中有五种兴奋性氨基酸转运体（EAAT）亚型，分别命名为EAAT1，EAAT2，EAAT3，EAAT4和EAAT5。

其他哺乳类动物中，则命名为GLAST，GLT-1和EAAC1 。

正常情况下，EAAT对Glu的转运主要依赖于Na -K -ATP酶形成的电化学梯度，即细胞摄取一个Glu的同时伴随三个Na 和一个H 的同向转运，并排出一个K 至细胞外，完成一个循环[9] 。

病理情况下，缺血、离子紊乱将导致Glu转运体反向逆转，Glu不能转入细胞内致使细胞外Glu浓度升高，导致突触间隙Glu浓度高于正常，神经兴奋毒性形成。

但是，细胞不会因细胞外Glu浓度的增高而死亡，而是因为细胞内Glu的丢失导致细胞质谷胱甘肽的消耗[10] ，故而导致细胞氧化应激而死亡。

目前尚无相关文献报道Glu转运体浓度对神经功能影响，因此有待于进一步研究。

与谷氨酸相关的脑缺血损伤机制
近年来,对脑缺血再灌注损伤的研究越来越深入,大量的实验研究表明, 脑缺血再灌注损伤对脑损害的机制是非常复杂的, 脑缺血再灌注损伤的病因机制主要有兴奋性氨基酸( EAA) 与缺血再灌注损伤。

EAA 是一种神经递质, 神经系统内EAA 主要是谷氨酸( Glutamate) , EAA 受体有三种亚型: N - 甲基-D - 天门冬氨酸受体(NMDA) 、α - 氨基羟甲基恶唑丙酸受体(AMPA) 、亲代谢受体。

其中NMDA 受体是受配基调节的离子通道, 对Ca2 +具有通透性, 可被Mg2 +电压依赖性阻断。

EAA 造成的神经元毒性作用主要包括两个方面:一是缺血后EAA介导的大量Na +、Cl -及H 2O的内流, 造成细胞毒性脑水肿; 二是通过激活NMDA受体,介导Ca2 +大量内流,以及IP3 使细胞内钙库贮存的Ca2 +释放增加, 导致细胞内Ca2 +超载, 激发一系列瀑布样病理生理过程,进一步导致神经元的迟发性死亡[1]。

Nishizawa Y等[2]]实验中发现EAA 在缺
血的早期显著升高,而在再灌注后明显下降,Glutamate 早期升高是由于电压依从性钙通道的
激活, 神经元或胶质细胞的损伤不能完全用兴奋性氨基酸毒性机制来解释。

早在1984年，谷氨酸(glutamic acid，Glu)作为中枢神经系统的神经递质就已经被广泛接目前认受。

目前认为Glu是哺乳动物中枢神经系统最重要的兴奋性氨基酸类神经递质，大约40% 的突触以Glu 为递质。

在脑内合成Glu 的途径有4 条[3]：(1)a- 酮戊二酸接受氨基产生Glu；(2)g- 氨基丁酸(g-amino-butyricacid，GABA)经GABA 转氨酶形成Glu；(3)鸟氨酸在鸟氨酸转氨酶的作用下产生谷氨酸半醛，后者进一步生成Glu；(4)谷氨酰胺在谷氨酰胺酶的作用下水解成Glu。

而其中只有第4 条途径来源的Glu发挥神经递质的作用。

谷氨酸盐（glutamate , Glu）是哺乳类动物中枢神经系统中最重要的兴奋性氨基酸（excitatory amino acid, EAA）[4] 之一。

作为重要的神经递质，兴奋性氨基酸对于大脑正常的生理活动具有调节作用。

而脑缺血发生时，神经元中过量的Glu是神经元损伤的重要原因之一。

Glu转运体在脑缺血缺血性卒中是引起人类死亡的主要原因与治疗措施
Glu在缺血性脑损伤发病机制中起重要作用。

脑缺血时，Glu突触功能严重紊乱，不仅导致Glu在突触的再摄取遭到损害，还可以使自由基增加，细胞因肿胀而死亡。

因细胞外不存在谷氨酸代谢酶，故谷氨酸的灭活方式主要通过Glu转运体摄取进入细胞[1 1] 。

病理情况下，Glu转运体会出现失表达、停止转运或反向释放Glu的现象，从而引起突触间隙或胞外Glu 大量蓄积，导致神经毒性反应甚至神经元死亡。

脑缺血中EAA转运体水平的调节机制仍不十分清楚。

许多研究表明，啮齿类动物脑缺血后GLT-1表达下调。

短暂全脑缺血后的6、12和24h，海马CA1区中GLT-1mRNA的表达依次减少。

Chen等对啮齿类动物进行双侧颈总动脉闭塞模型的缺血再灌注实验，发现缺血再灌注第二天到第四天海马CA1区GLT-1明显减少[12]。

另有研究表明，敲除GLT-1后，会加重短暂性大脑中动脉栓塞引起的神经元损伤程度，说明GLT-1通转运Glu 达到保护神经元降低损伤程度的作用[13] 。

此外，Chu等在建立短暂局灶性缺血模型之前使用头孢曲松钠（CTX）进行预处理，结果发现CTX预处理后，GLT-1 mRNA及蛋白表达量显著升高、缺血面积减少，说明CTX能够上调GLT-1的表达，进而对脑缺血后神经元损伤起到一定的保护作用。

同样，仍有相关文献报道，脑缺血预处理能够引起鼠海马CA1区GLT-1a明显上调。

综上所述，星形胶质细胞中GLT-1能被选择性地过表达，
不仅使缺血面积减少还能使神经保护作用增强，即脑缺血后可以通过上调GLT-1的表达（人类组织中被称为EAAT2）起到保护神经元的作用[14] 。

结语
综上所述，Glu及其Glu转运体在脑缺血损伤的病理机制中起到关键作用。

Glu转运体能清除细胞外Glu，预处理也可对脑缺血起到一定的神经保护作用。

目前，大多数研究聚焦于Glu2型转运体，其他类型的Glu转运体有待于进一步研究。

参考文献
[1] 中枢神经系统谷氨酸转运体的研究进展程肖蕊，周文霞*，张永祥。

生命科学
[2] Choi DW. Cerebral hypoxia: some new approaches and unanswered questions[J]. Neurosci, 1990, 10(8): 2493-2501.
[3] 朱长庚主编.神经解剖学[M]. 北京: 人民卫生出版社，2002: 290
[4] Zou J, Wang YX, Dou FF, et al. Glutamine synthetase downregulation reduces astrocyte protection against glutamate excitotoxicity to neurons[J]. Neurochem Int, 2010, 56(4): 577-584.
[5] Choi DW. Cerebral hypoxia: some new approaches and unanswered questions[J]. J Neurosci, 1990, 10(8): 2493-2501.
[6] Zou J, Wang YX, Dou FF, et al. Glutamine synthetase downregulation reduces astrocyte protection against glutamat excitotoxicity to neurons[J]. Neurochem Int, 2010, 56(4): 577-584.
[7] Kim K, Lee SG, Kegelman TP, et al. Role of excitatory amino acid transporter-2(EAAT2) and glutamate in neurodegeneration: opportunities for developing novel therapeutics [J]. J Cell Physiol,2011, 226(10): 2484-2493.
[8] Wieronska JM, Pilc A. Metabotropic glutamate receptors in the tripartite synapse as a target for new psychotropic drugs[J]. Neurochem Int, 2009, 55(1-3): 85-97.
[9] Niciu MJ, Kelmendi B, Sanacora G. Overview of glutamatergic neurotransmission in the nervous system[J]. Pharmacol Biochem Behav, 2012, 100(4): 656-664.
[10] Chen JC, Hsu-Chou H, Lu JL, et al. Down-regulation of the glial glutamate transporter GLT-1 in rat hippocampus and striatum and its modulation by a group III metabotropic glutamate receptor antagonist following transien global forebrain ischemia[J].Neuropharmacol, 2005, 49(5): 703-714.
[11] Campos F, Blanco M, Barral D, et al. Influence of temperature on ischemic brain: Basic and clinical principles[J]. Neurochem Int, 2012, 60(5): 495-505.
[12] Nagel S, Papadakis M, Pfleger K, et al. Microarray analysis of the global gene expression profile following hypothermia and transient focal cerebral ischemia[J]. Neuroscience, 2012, 208: 109-122.
[13] Liu SL, Wang ZP, Zeng YM, et al. Relation between GLu-R and the protective effect of hypothermia on oxygen and glucose deprivation injury in hippocampal slice or rat[J]. Zhongguo Ying Yong Sheng Li Xue Za Zhi, 2005, 21(2): 127-132.
[14] Campos F, Perez-Mato M, Agulla J, et a1.Glutamate excitoxicity is the key molecular mechanism which is influenced by body temperature during the acute phase of brain stroke[J]. PLoS One, 2012, 7(8): e44191.
[15]邱瑜, 陈专红, 金正均. 谷氨酸神经细胞毒作用的新途径-谷氨酸/胱氨酸转运体介导机制[ J ]. 中国药理学通报, 2000, 16 (3) : 251 - 4.
[16] Takahashi M, Billup s B, Rossi D et al. The role of glutamate transporters in glutamate homeostasis in the brain[ J ]. J Exp B io,1997, 200 (2) : 401 - 9
[ 17] BakerDA, Xi ZX, Shen H et al. The origin and neuronal function of in vivo nonsynap tic glutamate[ J ]. J N eurosci, 2002, 22 (20) :9134 - 41.
[ 18] Ye ZC, Rothstein JD, Sontheimer H. Comp romised glutamate transport in human glioma cells: reduction2mislocalization of sodi2 um dependent glutamate transporters and enhanced activity of cys2 tine2glutamate exchange[ J ]. J N eurosci, 1999, 19 (24) : 10767 -77。