本文內(nèi)容基于Pedro Merino所著的《Chemical Biology of Neurodegeneration: A Molecular Approach》。除了對(duì)原本內(nèi)容的翻譯外，對(duì)個(gè)別不清晰的地方作了一些額外的闡釋。此外，由于學(xué)習(xí)側(cè)重點(diǎn)不同，本文對(duì)于受體結(jié)構(gòu)方面的詳細(xì)內(nèi)容予以略過(guò)，未來(lái)可能會(huì)根據(jù)個(gè)人的學(xué)習(xí)要求再添加一些細(xì)節(jié)。

一、介紹

膽堿能系統(tǒng)與多種認(rèn)知功能有關(guān)，包括記憶（Memory）、選擇性注意（Selective Attention）和情緒處理（Emotional Processing）。膽堿能系統(tǒng)由有組織的神經(jīng)細(xì)胞組成，它結(jié)合了兩組主要的膽堿能投射：

（1）大細(xì)胞基底前腦膽堿能系統(tǒng)（The Magnocellular Basal Forebrain Cholinergic System）

大細(xì)胞基底前腦膽堿能系統(tǒng)包括內(nèi)側(cè)隔核（Medial Septal, MS）、布洛卡斜帶（the Diagonal Band of Broca）的垂直和水平分支（Vertical and Horizontal Limbs）和大細(xì)胞基底核（Nucleus Basalis Magnocellularis, nBM）。DB和nBM的分支有到新皮層（Neocortex）以及基底外側(cè)杏仁核（Basolateral Amygdala）和嗅球（Olfactory Bulb）有廣泛的彌漫性投射。MS和DB的垂直分支指向海馬（Hippocampus）和內(nèi)嗅皮質(zhì)（Entorhinal Cortices）。

（2）腦干膽堿能系統(tǒng)（The Brainstem Cholinergic System）

腦干膽堿能系統(tǒng)包括腦橋尾被核（Pedunculopontine Tegmental Nucleus,?PPT或Pedunculotegmental Nucleus, PTg）和腦橋側(cè)背被核（Laterodorsal Pontine Tegmentum,?LPT或Laterodorsal Tegmental Nucleus, LDTg），主要投射到丘腦（Thalamus）和基底前腦（Basal Forebrain）區(qū)。前腦系統(tǒng)參與信噪比的提高，因此它與覺(jué)醒（arousal）密切相關(guān)，特別是警覺(jué)過(guò)程（vigilance processes）。此外，它有助于記憶編碼和工作記憶過(guò)程。腦干系統(tǒng)參與睡眠-清醒循環(huán)。

膽堿能系統(tǒng)功能障礙已在幾種神經(jīng)退行性疾病中觀察到，包括阿爾茨海默癥（Alzheimer’s disease）、路易體癡呆（Lewy body dementia）、亨丁頓舞蹈癥（Huntington’s Disease）和重癥肌無(wú)力（Myasthenia Gravis）。最近的研究將多發(fā)性硬化癥（Multiple Sclerosis）的神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙與炎癥和膽堿能系統(tǒng)改變聯(lián)系起來(lái)。在帕金森?。≒arkinson’s Disease）中也觀察到膽堿能活性降低。盡管最初存在一些爭(zhēng)議，但精神分裂癥（Schizophrenia ）也被認(rèn)為與膽堿能功能障礙有關(guān)。確定這些神經(jīng)疾病與膽堿能系統(tǒng)之間的因果關(guān)系是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

膽堿能系統(tǒng)以乙酰膽堿（Acetylcholine, ACh）為神經(jīng)遞質(zhì)。乙酰膽堿是由膽堿（Choline）和作為活化乙酰來(lái)源的乙酰輔酶A（Acetyl Coenzyme A）在膽堿乙酰轉(zhuǎn)移酶（Choline Acetyl Transferase, CHAT）的催化下一步合成的。乙酰輔酶A在線粒體有氧呼吸的過(guò)程中產(chǎn)生，通過(guò)鈣依賴性轉(zhuǎn)移進(jìn)入膽堿能神經(jīng)元細(xì)胞質(zhì)中。乙酰膽堿一旦形成，就會(huì)迅速被突觸囊泡吸收。該過(guò)程通過(guò)ATP依賴型泵（ATP‐dependent Pump）實(shí)現(xiàn)。ATP依賴型泵將質(zhì)子移入囊泡，使囊泡酸化。在酸化后的囊泡中，囊泡乙酰膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)體（Vesicular Acetylcholine Transporter, VAChT）利用質(zhì)子交換乙酰膽堿分子。這種質(zhì)子和乙酰膽堿的耦合雙逆向轉(zhuǎn)運(yùn)使囊泡保持等滲和電中性。當(dāng)動(dòng)作電位到達(dá)突觸前神經(jīng)元末端時(shí)，電壓依賴性鈣通道（Voltage-Gated Calcium Channel, VDCCs）打開(kāi)，鈣離子流入突觸前神經(jīng)元的細(xì)胞質(zhì)。鈣離子的內(nèi)流導(dǎo)致含有神經(jīng)遞質(zhì)的囊泡對(duì)接和融合到突觸前神經(jīng)元的細(xì)胞膜上，從而將乙酰膽堿釋放到突觸間隙中。乙酰膽堿擴(kuò)散到突觸間隙并與膽堿能受體結(jié)合。

乙酰膽堿受體分為兩種——尼古丁型受體（Nicotinic, nAChR；也稱煙堿型受體）和毒蕈堿受體（Muscarinic, mAChR）。尼古丁型受體是配體控制的離子通道。當(dāng)它們與乙酰膽堿結(jié)合時(shí)，允許鈉離子流入細(xì)胞，鉀離子流出細(xì)胞。毒蕈堿受體是G蛋白偶聯(lián)受體（M1~M5），其中M1，M3和M5與Gq/11蛋白偶聯(lián)，而M2和M4與Gi/o蛋白偶聯(lián)。乙酰膽堿僅與受體短暫結(jié)合，解離后即被乙酰膽堿酯酶（Acetylcholine Esterase, AChE）降解，產(chǎn)生一個(gè)膽堿分子與乙酸根離子。該膽堿通過(guò)膽堿轉(zhuǎn)運(yùn)體（ChT, Choline Transporter）的再攝取被轉(zhuǎn)運(yùn)回突觸前末端，以被用來(lái)合成新的乙酰膽堿。

二、膽堿能受體（Cholinergic Receptors）

1. 分類

介紹中提到的兩種膽堿能受體亞型，尼古丁型受體（Nicotinic, nAChR）和毒蕈堿受體（Muscarinic, mAChR），是根據(jù)激動(dòng)劑藥理選擇性的早期研究確定的。尼古丁受體是興奮性的，受尼古丁刺激，對(duì)刺激反應(yīng)迅速。毒蕈堿受體受毒蕈堿刺激，可以是興奮性的，也可以是抑制性的，取決于與其偶聯(lián)的G蛋白，并且對(duì)刺激的反應(yīng)較慢。受體之間并不相同，在兩種受體內(nèi)部還存在多種亞型。

尼古丁型受體可以根據(jù)其是神經(jīng)肌肉受體（Neuromuscular, N1）還是神經(jīng)節(jié)受體（Ganglionic, N2）再細(xì)分。神經(jīng)節(jié)尼古丁型受體表現(xiàn)出與神經(jīng)肌肉型尼古丁型受體不同的配體特異性。尼古丁型受體由不同的亞基組成，按分子量增加的順序分別命名為α、β、γ和δ。當(dāng)神經(jīng)元nAChR亞基具有激動(dòng)劑結(jié)合特性所需的鄰近半胱氨酸（Vicinal Cysteines）時(shí)，它們被歸類為“α”。α1亞基存在于肌肉中，α2 -α10為神經(jīng)元亞基?！唉隆眮喕狈︵徑腚装彼幔渲?，β1在肌肉中，而β2 -β4在神經(jīng)元中。

采用H-3標(biāo)記的有放射性的乙酰膽堿，尼古丁和以I-125標(biāo)記的拮抗劑α‐Bungarotoxin（α‐Bgtx，金環(huán)蛇毒素，一種神經(jīng)毒性蛋白）進(jìn)行配體結(jié)合試驗(yàn)，可以進(jìn)一步對(duì)nAChR進(jìn)行分類。nAChR亞型主要分為兩類：

（i）α‐Bgtx敏感受體，由α7、α8、α9和/或α10亞基組成，可以形成同質(zhì)或異質(zhì)結(jié)構(gòu)；

（ii）α‐Bgtx不敏感受體，由α和β亞基組成，只能形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。這些受體與高親和力的激動(dòng)劑結(jié)合，但不與α‐Bgtx結(jié)合。

根據(jù)藥理研究和分子克隆實(shí)驗(yàn)，毒蕈堿受體被細(xì)分為5個(gè)亞型（M1-M5）。M1亞型對(duì)哌侖西平（pirenzepine）敏感，而M2亞型不敏感。M3對(duì)哌侖西平、AF‐DX 116（哌侖西平類似物）、HHSiD和4‐DAMP具有親和力，而美索曲明（methoctramine）親和性的差異提供了M4亞型的證據(jù)。最后，通過(guò)分子克隆手段發(fā)現(xiàn)了M5亞型，該亞型與其他4種亞型相比沒(méi)有明顯的藥理特征。有關(guān)毒蕈堿受體藥理和生理特性的詳細(xì)信息，可參考已發(fā)表的綜述，包括2012年發(fā)表了一篇關(guān)于毒蕈堿受體（包括中樞神經(jīng)系統(tǒng)中的毒蕈堿受體）的藥理學(xué)和信號(hào)傳導(dǎo)的綜合論文。

2. 位置

尼古丁型受體（nAChR）位于骨骼肌的神經(jīng)肌肉節(jié)點(diǎn)，腎上腺髓質(zhì)和自主神經(jīng)節(jié)，分為肌肉型（N1）和神經(jīng)元型（N2）兩種?。神經(jīng)元型尼古丁受體受體廣泛分布于人腦中，并在突觸前膜起作用，調(diào)節(jié)幾種中樞神經(jīng)系統(tǒng)遞質(zhì)的釋放。一些研究表明谷氨酸能（Glutamatergic）、多巴胺能（Dopaminergic）、血清素能（Serotonergic）、肽能（Peptidergic）和膽堿能（Cholinergic ）通路受突觸前尼古丁型受體的控制。尼古丁型乙酰膽堿受體主要位于與認(rèn)知功能有關(guān)的終端前（Preterminal）和突觸（Presynaptic ）前部位。在中樞和周圍神經(jīng)系統(tǒng)中,至少有12種不同的基因編碼神經(jīng)元尼古丁型受體亞基（α2 -α10和β2 -β4）。α3亞基多見(jiàn)于外周神經(jīng)節(jié)，常伴有β2、β4、α5亞基；α4β2亞基組合在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。紋狀體中存在α4、α5、α6、β2和β3亞基的四種排列，它們介導(dǎo)多巴胺的釋放。α4亞基幾乎只存在于中樞神經(jīng)系統(tǒng)神經(jīng)元中，而α9和α10在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中不表達(dá)，但存在于部分感覺(jué)神經(jīng)元中。

毒蕈堿受體在大腦中的位置取決于具體的亞型。M1和M4受體位于紋狀體（Striatum）、皮層（Cortex）和海馬（Hippocampus ）中，M2受體位于前腦（Forebrain）和丘腦（Thalamus），M3受體位于下丘腦（Hippocampus），M5受體位于基底節(jié)區(qū)（Basal Ganglia）、腦血管（Brain Vasculature）和多巴胺能神經(jīng)元中。值得注意的是，基于mRNA檢測(cè)，M5被發(fā)現(xiàn)是黑質(zhì)致密部（Substantia Nigra Pars Compacta）中唯一觀察到的毒蕈堿受體。此外，所有毒蕈堿受體均在小鼠腦微血管內(nèi)皮細(xì)胞中表達(dá)。

3. 尼古丁型受體

尼古丁型受體一直是深入研究的重點(diǎn)，因?yàn)閺碾婗牐‥lectric Eel, Electrophorus Electricus）和電鰩（Marine Ray, Torpedo californica）的電器官中可以獲得方便地獲得nAChR。本節(jié)將重點(diǎn)關(guān)注大腦中的尼古丁受體（N2）。

尼古丁型受體是配體門控離子通道受體，在結(jié)構(gòu)和功能上與γ -氨基丁酸（γ‐aminobutyric acid, GABA）和5 -羥色胺（5 - HT3）等其他配體門控離子通道受體密切相關(guān)。目前已經(jīng)對(duì)尼古丁肌型受體進(jìn)行了一些結(jié)構(gòu)研究，然而，神經(jīng)元型nAChR來(lái)源稀缺，限制了對(duì)該亞型的初步研究。

肌型受體包括四種不同的亞基α、β、γ（或ε）和δ，它們?cè)谂咛バ螒B(tài)中排列為(α1)2βγδ，在成體形態(tài)中排列為(α1)2βεδ。神經(jīng)元nAChR也具有五聚體結(jié)構(gòu)，由五個(gè)跨膜亞基（α2 - α10）和（β2 -β4）圍繞中心孔排列組成。α亞基與肌肉型中的α1亞基序列相似，并參與配體結(jié)合界面。α7 -α10亞基為同聚體，意味著它們形成僅由一種亞基組成的功能性nAChR（如α7 nAChR由五個(gè)α7亞基組成），α2 -α6和β2 -β4亞基為異聚體，意味著它們結(jié)合不同的亞基類型以形成功能性nAChR（如由兩個(gè)α4亞基和三個(gè)β2亞基組成的常見(jiàn)nAChR亞型）。

（1）效應(yīng)機(jī)理（Effector Mechanisms）

尼古丁型受體是離子型受體，通過(guò)其鈣的滲透性促進(jìn)突觸可塑性。在大腦中，尼古丁型受體密切參與多種鈣依賴過(guò)程。nAChR介導(dǎo)的下游信號(hào)事件可分為：

（i）瞬時(shí)效應(yīng)（如神經(jīng)遞質(zhì)釋放）；

（ii）激酶和磷酸酶介導(dǎo)的短期效應(yīng)（如通過(guò)細(xì)胞信號(hào)級(jí)聯(lián)恢復(fù)nAChR脫敏，desensitization）；

（iii）轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)劑介導(dǎo)的長(zhǎng)期效應(yīng)（如通過(guò)基因表達(dá)的神經(jīng)保護(hù)）。

（2）對(duì)神經(jīng)疾病的啟示

神經(jīng)元尼古丁乙酰膽堿受體參與許多生理和行為過(guò)程。它們與許多神經(jīng)精神疾病以及成年和發(fā)育年齡的病理狀況有關(guān)，如阿爾茨海默癥和帕金森病。參與注意（Attention）、學(xué)習(xí)（Learning）、記憶（Memory）、感知（Perception）和意識(shí)（Consciousness）的膽堿能神經(jīng)元的喪失在阿茲海默癥中尤為重要。通過(guò)C-11標(biāo)記的尼古丁和正電子發(fā)射斷層掃描（Positron Emission Tomography, PET）研究發(fā)現(xiàn)，阿爾茨海默病患者大腦中的nAChR顯著減少。神經(jīng)元nAChR受體與神經(jīng)退行性變密切相關(guān)；它們與精神分裂癥（Schizophrenia）、妥瑞氏綜合征（Tourette’s Syndrome）、焦慮（Anxiety）、抑郁（Depression）、癲癇（Epilepsy）和自身免疫性疾?。ˋutoimmune Diseases）有關(guān)。在神經(jīng)元nAChR亞基中自然發(fā)生的多態(tài)性（polymorphisms）是神經(jīng)和精神疾病的危險(xiǎn)因素之一。含α7亞基的尼古丁型受體與精神分裂癥密切相關(guān)，其功能障礙或表達(dá)失調(diào)存在于神經(jīng)系統(tǒng)的各種病理生理狀況中，包括神經(jīng)退行性疾病和神經(jīng)發(fā)育障礙。鑒于nAChR在調(diào)節(jié)多巴胺神經(jīng)元活動(dòng)中的作用，含有α7亞基的尼古丁受體最近也被確定為是帕金森病的治療靶點(diǎn)之一。

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4. 毒蕈堿型受體

毒蕈堿型受體分為M1-M5型，主要出現(xiàn)在中樞神經(jīng)系統(tǒng)中，具有典型的GPCR跨膜結(jié)構(gòu)域（Transmembrane Domains）特點(diǎn)。mAChR的整個(gè)基因家族顯示出26.3%的氨基酸同源性，但在胞內(nèi)環(huán)（Intracellular Loops）上受體亞型之間的差異較大。最可變的第三個(gè)胞內(nèi)環(huán)只顯示了受體之間2.7％的相似性，而在保守的跨膜結(jié)構(gòu)域中，平均相似性為66％。乙酰膽堿與結(jié)合口袋（Binding Pocket）的外部區(qū)域結(jié)合，其中一個(gè)關(guān)鍵的Asp105穩(wěn)定正電氮。Asp105在大多數(shù)GPCR中保守，但在毒蕈堿受體中有六個(gè)獨(dú)特的氨基酸殘基：Thr231、Thr234、Tyr148、Tyr506、Ty529和Tyr533。乙酰膽堿與毒蕈堿型受體的結(jié)合引起構(gòu)象變化，從而激活偶聯(lián)的G蛋白。

毒蕈堿配體的結(jié)合發(fā)生在跨膜區(qū)域TM3、TM5、TM6和TM7深處的一個(gè)高度保守的口袋（Pocket）上。除了正構(gòu)位點(diǎn)（受體上的天然配體結(jié)合位點(diǎn)）外，毒蕈堿受體還有幾個(gè)變構(gòu)位點(diǎn)，變構(gòu)配體通過(guò)與變構(gòu)位點(diǎn)結(jié)合來(lái)調(diào)節(jié)正構(gòu)配體與正構(gòu)位點(diǎn)的結(jié)合，從而影響受體的功能。與經(jīng)典的正構(gòu)配體相比，GPCR的變構(gòu)調(diào)節(jié)作為治療配體具有一些優(yōu)勢(shì)，特別是選擇性和安全性。毒蕈堿受體不同的變構(gòu)結(jié)合位點(diǎn)為選擇性靶向提供了巨大的潛力，人們對(duì)開(kāi)發(fā)變構(gòu)激活劑進(jìn)行了研究，包括正變構(gòu)調(diào)節(jié)劑和變構(gòu)激動(dòng)劑。X射線晶體學(xué)對(duì)正構(gòu)位和變構(gòu)位的研究闡明了GPCR功能的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

（1）效應(yīng)機(jī)理（Effector Mechanisms）

毒蕈堿受體以不同的方式激活G蛋白。M1、M3和M5型mAChR與Gq/11家族的G蛋白結(jié)合，增加磷酸肌肽特異性磷脂酶C （Phosphoinositide-specific Phospholipase C, PLC）的活性。這種活性導(dǎo)致肌醇1,4,5 -三磷酸（inositol 1,4,5-triphosphate）和二酰基甘油（diacylglycerol）的形成，第二信使負(fù)責(zé)細(xì)胞內(nèi)鈣的動(dòng)員、蛋白激酶C （Protein Kinase C, PKC）和有絲分裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated Protein Kinase, MAPK）的激活。M2和M4 型mAChR與Gi/o偶聯(lián)，可抑制腺苷酸環(huán)化酶（Adenylyl Cyclase）。隨后cAMP的減少導(dǎo)致蛋白激酶A（Protein Kinase A）活性的降低。M2和M4受體也可以激活G蛋白偶聯(lián)內(nèi)向整流型鉀離子通道（G?protein-coupled?Inwardly Rectifying Potassium Channels, GIRKs），從而導(dǎo)致膜超極化。這些受體也能夠抑制電壓依賴性鈣通道（Voltage-dependent Calcium Channel, VDCC）的開(kāi)放，從而降低胞內(nèi)鈣離子濃度，阻止MAPK的激活。

根據(jù)偶聯(lián)的G蛋白，可以認(rèn)為M1、M3和M5型毒蕈堿受體的作用與5‐HT2A‐2C血清素能受體和α - 1腎上腺素能受體（Adrenergic Receptors）平行，而M2和M4受體與5‐HT1A‐1F/5血清素能受體、D2‐型多巴胺能受體和α2腎上腺素能受體平行。

（2）對(duì)神經(jīng)疾病的啟示

毒蕈堿受體與精神和神經(jīng)疾病的病理生理有關(guān)，特別是它們參與了情緒障礙（Mood Disorders）和精神分裂癥等精神疾病的病理生理。M1和M4受體與學(xué)習(xí)、記憶和認(rèn)知有關(guān)。這些受體的激活已被研究作為阿爾茨海默病的潛在治療方法。精神分裂癥和藥物成癮（Drug?Addiction）也與M1和M4受體有關(guān)。M2受體的遺傳變異與酗酒（Alcoholism）和重度抑郁癥（Major Depressive Disorder）有關(guān)。

在紋狀體中，多巴胺能夠通過(guò)兩種方式釋放：一種是通過(guò)經(jīng)典的突觸釋放，另一種是通過(guò)非經(jīng)典的突觸外釋放。非經(jīng)典的突觸外釋放通常發(fā)生在神經(jīng)元的突觸后膜上，它能夠通過(guò)調(diào)節(jié)鈣離子信號(hào)來(lái)影響多巴胺的釋放。由于M5受體能夠通過(guò)激活Gq/11蛋白來(lái)增加細(xì)胞內(nèi)的IP3和DAG水平，激活鈣離子通道，促進(jìn)鈣離子內(nèi)流，引發(fā)細(xì)胞內(nèi)的鈣離子信號(hào)，促進(jìn)囊泡與細(xì)胞膜的融合，從而促進(jìn)紋狀體突觸后膜多巴胺的釋放，它被認(rèn)為是治療藥物濫用的可能靶點(diǎn)（Drug Abuse）。

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三、參考文獻(xiàn)

Merino, P. (2019) The Cholinergic System, in Chemical biology of neurodegeneration: a molecular approach. Weinheim: Wiley-VCH, pp. 121–154.

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