神经组织缝隙连接

神经组织缝隙连接

李文昌(中国科学院生物物理研究所,北京100101)

摘要　近年来神经组织中缝隙连接(gap junction,G J)的分布和功能研究取得了一些

显著进展。分子生物学方法的应用促进了G J结构、亚型及生物物理特性的揭示,染

料偶联实验和Ca2+成像技术为G J的功能研究提供了直观有效的手段。G J的调控

涉及G J的表达、导通性的改变等环节。G J胞间通讯的基本形式是交换第二信使和

电偶联。G J在神经胶质细胞和一些脑区神经元的功能实现以及神经微环路的发育形成中起重要作用。

关键词　缝隙连接;偶联;细胞间通讯

G ap Junctions in the N ervous Tissue　L I Wen2Chang(Instit ute of B iophysics,Chi nese

A cademy of Sciences,Beijing100101)

Abstract　In recent years,prominent progresses have been made in the study of the lo2 calization and function of gap junctions in the nervous tissue.The application of molecu2 lar approaches has advanced the disclosure of the structure,classification and biophysical

properties of gap junctions.Dye2coupling and Ca2+imaging techniques have provided

explicit and effective ways for the study of gap junctional functions.The regulation of

gap junctions involves the expression of gap junction genes and changes in the conductiv2 ity of gap junction channels.G ap junctional intercellular communication includes the ex2 change of second2messengers and electrical coupling between coupled cells.G J plays an

important role in the function of neuroglial cells,neurons in some brain regions and

probably in the formation of local neuronal circuits.

K ey w ords　G ap junction;Coupling;Intercellular communication

缝隙连接是并置细胞膜间通过一对中空的连接子(connexon),即两个半通道构成的连接两侧胞质的水相通道,这种水相通道是细胞间实现直接胞间通讯(gap junctional intercellular communication,G J IC)的结构基础。在神经组织中,神经元间化学传递是细胞间通讯的主导形式,神经胶质细胞间G J IC则是普遍存在的。近一二十年来,G J IC在高等动物神经系统中不少脑区相继被揭示,对神经系统一些G J IC相关生理和病理机制的研究日渐受到重视。

一、神经组织G J的类型、分布及生理调控

较早的有关神经系统缝隙连接的研究主要是通过双(多)电极记录实现的,但受到实验材料和得率的限制[1,2]。电镜观察因为受切片厚度和视野的影响,其灵敏度较低[3,4]。随着分子生物学方法的应用和染料偶联实验被广泛采纳,G J分类及其在神经系统分布的研究取得了突破性进展。

早已知道,G J的每个连接子是由六个结构相同的亚单位———连接蛋白(connexin)形成六聚体结构。近年来,采用PCR技术从基因文库中调出的连接蛋白超基因家族成员的数目已达

15～20种,这些拟议的哺乳动物的G J基因可分为两个亚类:亚类1(a群)和亚类2(b群) (Bennett等.1994)。各家族成员具有类似的基因结构,有大约50%的氨基酸序列相同,但在不同组织中的分布不同。在哺乳动物脑内,采用原位免疫标记技术和神经、非神经细胞培养制备发现:神经元上表达的连接蛋白基因主要是Cx32,星形神经胶质细胞表达的主要为Cx43,少突神经胶质细胞则主要表达Cx32,松果体细胞主要表达Cx26,室管膜和软脑膜细胞上Cx26和Cx43都有表达。Cx32基因的表达部位分布在脑干、中脑的一些核团,一些端脑皮层亚层和基底神经节(Micevych等.1991)。虽然发现海马CA3区一些神经元间存在电偶联和染料偶联,并未发现这些神经元上有Cx32表达,可见这一方法的灵敏度还不够高,或者可能有另外的连接蛋白参与构成该脑区的神经元间G J。因为胶质细胞上Cx43的高度表达,在原位Cx43是否参与形成神经元间G J还难下结论[3]。

G J通道可以允许分子量小于1kD的分子通过,如:cAMP、Ca2+、IP3一些小肽等。将一些小分子染料用玻璃微电极注射到单个细胞里,这些标记物可通过G J扩散到与之相连的细胞,这一现象被称为染料偶联或示踪物偶联(dye2coupling或tracer2coupling)。最普遍使用的标记物是荧光黄(Lucifer yellow,M.W.=457Da)和生物胞素(Biocytin,M.W.=372Da)。80年代末合成了神经生物素(neurobiotin,M.W.=323Da),在一些实验中证明比荧光黄具有更强的穿过G J的能力[5,6],并更易在细胞内扩散。影响这些小分子通透能力的主要因素是分子量和分子带电荷的多少。单通道记录揭示G J的基本电导为100pS,不同的连接蛋白构成的单个G J通道的电导变化范围在50～150pS间(Spray等.1991)。能够观测到的荧光黄通过神经元间G J而显示出染料偶联的阈值电导为2nS左右[3],大致相当于20个G J单通道的电导和。胞内注射小分子染料因为具有实验操作相对简单、定位明确、结果直接可靠,而且显示能力强大、可以和电记录相结合等优点,在神经系统G J的研究工作中越来越多地被使用。已经显示存在染料偶联的有下橄榄核、外侧前庭核、中脑核、下丘脑、海马、视上核、黑质、纹状体、伏隔核等脑区和视网膜[1,3,6,7]。用神经生物素在猫和兔视网膜揭示的偶联A型水平细胞数目最多可达600～900个[6]。

值得注意的是,脑内G J的分布和偶联强度是动态变化的。G J表达不仅与发育的进程密切相关,在正常生理活动中,其导通状态受到胞内胞外许多化学信号直接或间接影响。大量证据表明,神经递/调质可以影响神经元的电偶联或染料偶联,这种调节作用一般是连接蛋白亚单位被不同的蛋白激酶磷酸化导致。研究工作较多的是视网膜和新纹状体。Devries等(1989)报道,多巴胺可使视网膜水平细胞脱偶联,这一作用可能与cAMP依赖的蛋白激酶有关;G ABA A型受体被激动时,视网膜水平细胞间的偶联增强(Rorig等.1996);视网膜无长足细胞间的偶联电导在激动D1受体时减低;一氧化氮在视网膜通过胞内c GMP信使系统可阻断细胞间偶联(Miyachi等.1994)。在大鼠纹状体,多巴胺能传入纤维可通过激活突触后D2受体使细胞偶联比例显著增加(Onn等.1994);低频(20～30Hz)串刺激皮层2纹状体纤维,神经元间的染料偶联显著增加,这一效应是一氧化氮介导的[8]。另外一些脑区也有类似报道,如伏隔核神经元(Onn等.1993)的染料偶联受到多巴胺影响。在大鼠视上核的研究结果表明,刺激其来自嗅球的谷氨酸能传入通路,神经元间的染料偶联增强;刺激该核团的源自结节乳头核的组胺能传入纤维,核团中接受这些纤维支配的加压素神经元间的染料偶联增强,这一效应由H1受体介导,其胞内第二信使是c GMP(Hatton等.1996)。大鼠海马CA1区锥体细胞间的偶联在施加mAchR激动剂和D1R激动剂时明显减弱(Velazquez等.1997)。性激素可以影响G J