癲癇是常見的神經系統疾病之一，為腦部神經元高度同步化異常放電，其發病機制尚不明確。海馬結構的苔蘚纖維出芽和突觸重塑學說是其形成的主要病理基礎，也是癲癇長期、反復發作的重要原因。活性調節的細胞骨架蛋白(Activity regulated cytoskeletal protein，Arc)是一種谷氨酸神經元突觸后細胞骨架相關蛋白，屬于即刻早期基因，在脊椎動物中高度保守，被認為是參與突觸重塑的重要因子。現將Arc的表達轉錄特征、Arc參與神經元細胞突觸可塑性的結構性和功能性改變、突觸可塑性參與海馬苔蘚纖維出芽誘發癲癇的發病、Arc通過調控海馬神經元細胞突觸可塑性及MFS參與癲癇的發病進行闡述，為研究Arc的突觸可塑性作用為闡明癲癇致病機制提供新的方向和思路。
引用本文： 顏艷, 羅朝輝, 龍泓羽, 肖波. Arc調控神經元突觸可塑性作用. 癲癇雜志, 2016, 2(2): 141-144. doi: 10.7507/2096-0247.20160027 復制
癲癇是常見的神經系統疾病之一，表現為腦部神經元高度同步化異常放電，其發病機制尚不明確[1]。有研究顯示，海馬結構的苔蘚纖維出芽和突觸重塑學說是其形成的主要病理基礎，也是癲癇長期、反復發作的重要原因[2]。活性調節的細胞骨架蛋白(Activity regulated cytoskeletal protein，Arc)是一種谷氨酸神經元突觸后細胞骨架相關蛋白，屬于即刻早期基因，在脊椎動物中高度保守，被認為是參與突觸重塑的重要因子[3, 4]。本綜述將重點闡述Arc參與調控神經元突觸可塑性作用及癲癇之間的關系。
1 Arc的表達轉錄特征
人類Arc基因位于8號染色體q24.3，其上游存在多個轉錄因子，如血清反應元件(Serum response factor,SRF)、血清反應因子(Serum response element,SRE)和“Zeste-like”反應因子(Zeste-like response element,ZRE)等[5]。當N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)、酪氨酸激酶受體B(Tyrosine receptor kinase B,TrkB)、毒蕈堿乙酰膽堿受體(Muscarinic acetylcholine receptor,mAChR)、代謝型谷氨酸受體1(Metabotro-pic glutamate receptors,mGluR1)等被激活后，神經元可通過一系列級聯反應激活ERK通路，進而激活Arc上游的轉錄因子，促使Arc轉錄表達[6]。Giorgi等研究表明Arc轉錄表達是一種已知的nonsense介導的RNA衰減(Nonsense mediated decay of RNA，NMD)生理過程[7]。NMD 作為質量控制監測元件可以快速消除異常mRNA及拼接位點上游的終止密碼子。Arc 可以作為 NMD 的靶標，因為Arc 3′UTR 存在2個內含子，導致外顯子連接復合物在密碼子下游終止組裝。Arc基因可以迅速表達又可以通過 NMD 快速降解，是Arc一個非常獨特的表達特點，有利于維持參與長時程增強(Long-term potentiation,LTP)新的 Arc mRNA 的需求。
Arc蛋白在正常生理條件下表達不活躍，當海馬神經元受到癇性發作[5]、學習訓練[8]、高頻電刺激(HFS)[9]、腦源性神經生長因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)[6]、 LTP等[10]刺激后，Arc基因轉錄可被迅速激活，隨后其mRNA被核糖蛋白體迅速運輸至神經元的樹突，并馬上被翻譯成Arc蛋白，與神經元骨架相互作用參與神經元突觸可塑性。Arc可選擇性的表達于鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ陽性的谷氨酸能神經元(CaMKII-positive glutamatergic neurons)和突觸后致密區(Postsynaptic density，PSD)[11]。1999年，Guzowski等提出將Arc mRNA作為一種標記來研究神經元網絡。大量研究表明，當神經元受到刺激后，很容易在神經元樹突上發現Arc mRNA表達升高，隨后，有更多研究顯示，Arc的表達已經成為整個大腦神經元活性的一種標記[8-11]。Chowdhury等[12]通過Arc基因敲除小鼠的海馬神經元培養發現，α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid,AMPA)受體的表達增加了兩倍，微興奮性突觸后電流增加(Micro excitatory postsynaptic current,mEPSC)，而它的內吞作用減少，提示Arc有調節AMPA受體運輸的功能，參與AMPA受體的內吞作用和胞吐作用。
2 Arc參與神經元細胞突觸可塑性的結構性和功能性改變
目前，突觸可塑性有幾種形式，包括突觸的結構可塑性和功能可塑性。突觸結構可塑性主要是指樹突棘的形態變化。Peebles等[13]發現在海馬神經元內，Arc過表達使樹突棘密度增加，而抑制Arc表達則使樹突棘密度減少，實驗還表明Arc和調控肌動蛋白成核現象的Wave3相互作用從而影響樹突棘形態的分布，Arc使海馬神經元樹突細棘(也叫學習樹突，具有更強的可塑性)比例明顯增加，蘑菇狀棘突比例減少，表明Arc在新記憶的形成和舊記憶的遺忘中起重要作用[14]。
突觸功能可塑性包括LTP和長時程抑制(Long-term depression,LTD)。LTP最初是在兔海馬中發現，是指發生在兩個神經元信號傳輸中的一種持久的增強現象，能夠同步刺激兩個神經元[15]。LTP被公認為是反應突觸可塑性形象機制的理想模型,可以明確反應出突觸水平信息的傳遞、獲取及存儲過程[10]。與之現象相反的是LTD，兩者都被認為與學習記憶有密切關系[6]。2000年，Guzowski等[16]在高頻刺激后將Arc反義寡核苷酸(AOD)注入大鼠的海馬體中，以阻止短暫Arc mRNA或其蛋白質增加。在前1h內對于LTP影響其微，但之后LTP發生了衰減，在第5天時，LTP的表達水平回歸基線，提示Arc參與調節LTP后期。研究表明，Arc能夠調節AMPA受體的內吞及初級內體的再循環，Arc基因敲除會損傷LTP后期和LTD。為了維持神經元和神經網絡興奮性的穩定，神經元會根據刺激的強弱縮放其反應，這種細胞范圍內的穩態縮放機制被稱為突觸縮放[17]。Beiqu等[18]研究表明，突觸縮放對Arc的表達水平高度敏感，在體內敲除Arc發現神經細胞對神經活性的正常縮放反應機制丟失；在Arc過表達的神經元中其正常縮放反應機制也丟失，證實Arc對于維持突觸穩定性也是必不可少的。
3 突觸可塑性參與海馬苔蘚纖維出芽誘發癲癇的發病
癲癇的病理表現包括突觸重塑、神經細胞脫失和膠質細胞增生，其中突觸重塑是癲癇形成的主要病理基礎[19]。海馬苔蘚纖維出芽(Mossy fiber sprouting，MFS)在癲癇的突觸重塑中研究較多。正常情況下，海馬苔蘚纖維的投射具有方向性，即只向同一片層的海馬門區及CA3區投射，既不折返回齒狀回分子層，也不向鄰近的片層縱向延伸。但在癲癇患者的腦組織及多種癲癇動物模型中發現，CA3區錐體細胞和門區神經元受到損傷后，內分子層失神經傳入，苔蘚纖維的突觸受損，轉而異常出芽形成側支回返入內分子層，并與該層顆粒細胞近側樹突形成異位突觸聯系。這些突觸大部分呈非對稱性，且為興奮性突觸，多終止于樹突棘，異位突觸形成海馬內回返興奮性環路，從而導致癲癇的長期自發性發作[2, 20]。
Gorte等[21]用腦電圖監測電強直刺激法誘發癲癇的大鼠模型中發現，大多數誘發成功的大鼠經過約1周的潛伏期后，一旦出現癲癇首次發作，以后的癲癇發作頻率及發作強度會呈現出逐漸增強的趨勢，與對照組相比，癲癇發作大鼠MFS現象更明顯且更廣泛。脫落酸(Abscisis acid,ABA)是中樞神經系統的一種抑制性神經遞質，ABA受體的激活具有抑制MFS的作用。Ndode-Ekan等[22]發現匹羅卡品癲癇大鼠模型海馬區ABA受體標記均為陰性，這進一步從形態學上證明了顳葉癲癇MFS形成興奮性環路的觀點。而形成的興奮性環路可降低顆粒細胞同步化電活動的閾值，增加癲癇發作的敏感性。綜上所訴，海馬MFS與癲癇的發生發展具有十分密切的聯系。
4 Arc通過調控海馬神經元細胞突觸可塑性及MFS參與癲癇的發病
有研究表明，在杏仁核點燃模型中，Arc在癲癇大鼠海馬組織中的表達水平明顯增[23]。在arc敲除老鼠中發現老鼠神經興奮性增高并且更容易發生癇性發作。BDNF 是一個重要的突觸可塑性形成學習記憶的中介，TrkBβ 屬于受體型酪氨酸蛋白激酶，是BDNF的特異性受體[24]。BDNF與靶細胞膜上TrkBβ受體結合后,可促進TrkBβ同源二聚體的快速結合和形成,繼而發揮其生理活性，從而激活受體酪氨酸激酶活性，使TrkBβ受體所在的靶細胞內酪氨酸受體殘基的自身磷酸化程度加強，繼而激活下游一系列的酪氨酸磷酸化過程，使海馬興奮性增高，促進顳葉癲癇的產生[25]。有研究表明，在島葉癲癇早期BDNF、TrkBβ蛋白及 mRNA表達明顯增加[26]。進一步研究也證實在癲癇患者海馬顆粒細胞中BDNF、TrkBβ mRNA的表達也明顯增加。該實驗還發現給大鼠注射BDNF后，Arc表達增加，說明BDNF可以誘導Arc的表達；而arc反義寡核苷酸又能完全終止BDNF的這一誘導作用[27]。
綜上所述，在癲癇的發病機制中，BDNF-TrkBβ通路發揮重要作用，而arc是BDNF-TrkBβ通路的下游基因，因此，推測arc可能通過BDNF-TrkBβ 通路參與癲癇的發生發展。
癲癇是一種由多種病因導致的慢性中樞神經系統功能紊亂性疾病，其特征為反復發作的大腦神經元不規則異常放電。在反復異常放電和癇性發作后，可出現多種后遺癥，例如學習記憶等認知功能下降。在島葉電點燃大鼠模型中發現，致癇大鼠學習記憶功能和Arc在海馬中的表達趨勢一致，提示Arc可能和反復發作的慢性癲癇引起的學習記憶下降相關。
5 結語
癲癇的發病機制仍不清楚，可能與神經細胞的凋亡、突觸重塑、神經膠質纖維細胞增生、異常信號通路形成以及炎癥反應密切相關。其中，苔蘚纖維出芽和突觸重塑學說得到了廣泛認可和證實。但是，目前關于癲癇發生過程中的突觸重塑研究只局限于動物實驗，未來或許可以探討突觸重塑機制在癲癇患者中的作用，從而有助于癲癇的診斷和治療。
總之，研究Arc的突觸可塑性作用為闡明癲癇致病機制提供了新的方向和思路。雖然目前我們的認識和證據很有限，但是希望研究者們在未來對Arc的突觸可塑性作用進行更深入的探索，有望在揭示癲癇致病機制上有重大突破。
癲癇是常見的神經系統疾病之一，表現為腦部神經元高度同步化異常放電，其發病機制尚不明確[1]。有研究顯示，海馬結構的苔蘚纖維出芽和突觸重塑學說是其形成的主要病理基礎，也是癲癇長期、反復發作的重要原因[2]。活性調節的細胞骨架蛋白(Activity regulated cytoskeletal protein，Arc)是一種谷氨酸神經元突觸后細胞骨架相關蛋白，屬于即刻早期基因，在脊椎動物中高度保守，被認為是參與突觸重塑的重要因子[3, 4]。本綜述將重點闡述Arc參與調控神經元突觸可塑性作用及癲癇之間的關系。
1 Arc的表達轉錄特征
人類Arc基因位于8號染色體q24.3，其上游存在多個轉錄因子，如血清反應元件(Serum response factor,SRF)、血清反應因子(Serum response element,SRE)和“Zeste-like”反應因子(Zeste-like response element,ZRE)等[5]。當N-甲基-D-天冬氨酸受體(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)、酪氨酸激酶受體B(Tyrosine receptor kinase B,TrkB)、毒蕈堿乙酰膽堿受體(Muscarinic acetylcholine receptor,mAChR)、代謝型谷氨酸受體1(Metabotro-pic glutamate receptors,mGluR1)等被激活后，神經元可通過一系列級聯反應激活ERK通路，進而激活Arc上游的轉錄因子，促使Arc轉錄表達[6]。Giorgi等研究表明Arc轉錄表達是一種已知的nonsense介導的RNA衰減(Nonsense mediated decay of RNA，NMD)生理過程[7]。NMD 作為質量控制監測元件可以快速消除異常mRNA及拼接位點上游的終止密碼子。Arc 可以作為 NMD 的靶標，因為Arc 3′UTR 存在2個內含子，導致外顯子連接復合物在密碼子下游終止組裝。Arc基因可以迅速表達又可以通過 NMD 快速降解，是Arc一個非常獨特的表達特點，有利于維持參與長時程增強(Long-term potentiation,LTP)新的 Arc mRNA 的需求。
Arc蛋白在正常生理條件下表達不活躍，當海馬神經元受到癇性發作[5]、學習訓練[8]、高頻電刺激(HFS)[9]、腦源性神經生長因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)[6]、 LTP等[10]刺激后，Arc基因轉錄可被迅速激活，隨后其mRNA被核糖蛋白體迅速運輸至神經元的樹突，并馬上被翻譯成Arc蛋白，與神經元骨架相互作用參與神經元突觸可塑性。Arc可選擇性的表達于鈣調素依賴性蛋白激酶Ⅱ陽性的谷氨酸能神經元(CaMKII-positive glutamatergic neurons)和突觸后致密區(Postsynaptic density，PSD)[11]。1999年，Guzowski等提出將Arc mRNA作為一種標記來研究神經元網絡。大量研究表明，當神經元受到刺激后，很容易在神經元樹突上發現Arc mRNA表達升高，隨后，有更多研究顯示，Arc的表達已經成為整個大腦神經元活性的一種標記[8-11]。Chowdhury等[12]通過Arc基因敲除小鼠的海馬神經元培養發現，α-氨基-3-羥基-5-甲基-4-異惡唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid,AMPA)受體的表達增加了兩倍，微興奮性突觸后電流增加(Micro excitatory postsynaptic current,mEPSC)，而它的內吞作用減少，提示Arc有調節AMPA受體運輸的功能，參與AMPA受體的內吞作用和胞吐作用。
2 Arc參與神經元細胞突觸可塑性的結構性和功能性改變
目前，突觸可塑性有幾種形式，包括突觸的結構可塑性和功能可塑性。突觸結構可塑性主要是指樹突棘的形態變化。Peebles等[13]發現在海馬神經元內，Arc過表達使樹突棘密度增加，而抑制Arc表達則使樹突棘密度減少，實驗還表明Arc和調控肌動蛋白成核現象的Wave3相互作用從而影響樹突棘形態的分布，Arc使海馬神經元樹突細棘(也叫學習樹突，具有更強的可塑性)比例明顯增加，蘑菇狀棘突比例減少，表明Arc在新記憶的形成和舊記憶的遺忘中起重要作用[14]。
突觸功能可塑性包括LTP和長時程抑制(Long-term depression,LTD)。LTP最初是在兔海馬中發現，是指發生在兩個神經元信號傳輸中的一種持久的增強現象，能夠同步刺激兩個神經元[15]。LTP被公認為是反應突觸可塑性形象機制的理想模型,可以明確反應出突觸水平信息的傳遞、獲取及存儲過程[10]。與之現象相反的是LTD，兩者都被認為與學習記憶有密切關系[6]。2000年，Guzowski等[16]在高頻刺激后將Arc反義寡核苷酸(AOD)注入大鼠的海馬體中，以阻止短暫Arc mRNA或其蛋白質增加。在前1h內對于LTP影響其微，但之后LTP發生了衰減，在第5天時，LTP的表達水平回歸基線，提示Arc參與調節LTP后期。研究表明，Arc能夠調節AMPA受體的內吞及初級內體的再循環，Arc基因敲除會損傷LTP后期和LTD。為了維持神經元和神經網絡興奮性的穩定，神經元會根據刺激的強弱縮放其反應，這種細胞范圍內的穩態縮放機制被稱為突觸縮放[17]。Beiqu等[18]研究表明，突觸縮放對Arc的表達水平高度敏感，在體內敲除Arc發現神經細胞對神經活性的正常縮放反應機制丟失；在Arc過表達的神經元中其正常縮放反應機制也丟失，證實Arc對于維持突觸穩定性也是必不可少的。
3 突觸可塑性參與海馬苔蘚纖維出芽誘發癲癇的發病
癲癇的病理表現包括突觸重塑、神經細胞脫失和膠質細胞增生，其中突觸重塑是癲癇形成的主要病理基礎[19]。海馬苔蘚纖維出芽(Mossy fiber sprouting，MFS)在癲癇的突觸重塑中研究較多。正常情況下，海馬苔蘚纖維的投射具有方向性，即只向同一片層的海馬門區及CA3區投射，既不折返回齒狀回分子層，也不向鄰近的片層縱向延伸。但在癲癇患者的腦組織及多種癲癇動物模型中發現，CA3區錐體細胞和門區神經元受到損傷后，內分子層失神經傳入，苔蘚纖維的突觸受損，轉而異常出芽形成側支回返入內分子層，并與該層顆粒細胞近側樹突形成異位突觸聯系。這些突觸大部分呈非對稱性，且為興奮性突觸，多終止于樹突棘，異位突觸形成海馬內回返興奮性環路，從而導致癲癇的長期自發性發作[2, 20]。
Gorte等[21]用腦電圖監測電強直刺激法誘發癲癇的大鼠模型中發現，大多數誘發成功的大鼠經過約1周的潛伏期后，一旦出現癲癇首次發作，以后的癲癇發作頻率及發作強度會呈現出逐漸增強的趨勢，與對照組相比，癲癇發作大鼠MFS現象更明顯且更廣泛。脫落酸(Abscisis acid,ABA)是中樞神經系統的一種抑制性神經遞質，ABA受體的激活具有抑制MFS的作用。Ndode-Ekan等[22]發現匹羅卡品癲癇大鼠模型海馬區ABA受體標記均為陰性，這進一步從形態學上證明了顳葉癲癇MFS形成興奮性環路的觀點。而形成的興奮性環路可降低顆粒細胞同步化電活動的閾值，增加癲癇發作的敏感性。綜上所訴，海馬MFS與癲癇的發生發展具有十分密切的聯系。
4 Arc通過調控海馬神經元細胞突觸可塑性及MFS參與癲癇的發病
有研究表明，在杏仁核點燃模型中，Arc在癲癇大鼠海馬組織中的表達水平明顯增[23]。在arc敲除老鼠中發現老鼠神經興奮性增高并且更容易發生癇性發作。BDNF 是一個重要的突觸可塑性形成學習記憶的中介，TrkBβ 屬于受體型酪氨酸蛋白激酶，是BDNF的特異性受體[24]。BDNF與靶細胞膜上TrkBβ受體結合后,可促進TrkBβ同源二聚體的快速結合和形成,繼而發揮其生理活性，從而激活受體酪氨酸激酶活性，使TrkBβ受體所在的靶細胞內酪氨酸受體殘基的自身磷酸化程度加強，繼而激活下游一系列的酪氨酸磷酸化過程，使海馬興奮性增高，促進顳葉癲癇的產生[25]。有研究表明，在島葉癲癇早期BDNF、TrkBβ蛋白及 mRNA表達明顯增加[26]。進一步研究也證實在癲癇患者海馬顆粒細胞中BDNF、TrkBβ mRNA的表達也明顯增加。該實驗還發現給大鼠注射BDNF后，Arc表達增加，說明BDNF可以誘導Arc的表達；而arc反義寡核苷酸又能完全終止BDNF的這一誘導作用[27]。
綜上所述，在癲癇的發病機制中，BDNF-TrkBβ通路發揮重要作用，而arc是BDNF-TrkBβ通路的下游基因，因此，推測arc可能通過BDNF-TrkBβ 通路參與癲癇的發生發展。
癲癇是一種由多種病因導致的慢性中樞神經系統功能紊亂性疾病，其特征為反復發作的大腦神經元不規則異常放電。在反復異常放電和癇性發作后，可出現多種后遺癥，例如學習記憶等認知功能下降。在島葉電點燃大鼠模型中發現，致癇大鼠學習記憶功能和Arc在海馬中的表達趨勢一致，提示Arc可能和反復發作的慢性癲癇引起的學習記憶下降相關。
5 結語
癲癇的發病機制仍不清楚，可能與神經細胞的凋亡、突觸重塑、神經膠質纖維細胞增生、異常信號通路形成以及炎癥反應密切相關。其中，苔蘚纖維出芽和突觸重塑學說得到了廣泛認可和證實。但是，目前關于癲癇發生過程中的突觸重塑研究只局限于動物實驗，未來或許可以探討突觸重塑機制在癲癇患者中的作用，從而有助于癲癇的診斷和治療。
總之，研究Arc的突觸可塑性作用為闡明癲癇致病機制提供了新的方向和思路。雖然目前我們的認識和證據很有限，但是希望研究者們在未來對Arc的突觸可塑性作用進行更深入的探索，有望在揭示癲癇致病機制上有重大突破。