大脑释放隐藏激酶以增强疼痛感知与学习能力

摘要

新研究揭示，神经元释放一种鲜为人知的细胞外激酶VLK来加强突触连接，填补了神经系统在学习和疼痛过程中如何适应的关键环节。这种激酶在细胞外对EphB受体进行磷酸化，从而招募NMDA受体并放大突触信号传导。

缺乏VLK的小鼠在受伤后表现出降低的疼痛过敏性，而添加VLK则增强了小鼠和人类神经元中依赖NMDA的活动。这些发现修正了关于激酶活性发生位置的长期假设，并指向一种在不干扰大脑核心信号系统的情况下调节可塑性的新策略。

关键事实

细胞外激酶作用：VLK在突触间隙中发挥作用，对突触后受体进行磷酸化，促进NMDA受体聚集。
识别出的疼痛机制：移除VLK可防止损伤引起的疼痛过敏性，揭示了镇痛药的一个新分子靶点。
广泛的神经科学意义：VLK驱动的突触调节可能影响多个脑区域中的学习、记忆和可塑性。

德克萨斯大学达拉斯分校高级疼痛研究中心(CAPS)的研究人员及其同事在神经系统连接增强的关键机制方面取得了一项基础性发现。

该研究的共同通讯作者、行为与脑科学学院神经科学Ashbel Smith教授、CAPS主任Ted Price博士表示，这些发现对于更好地理解学习和记忆以及疼痛所涉及的基本生化机制具有直接意义。该研究于11月20日发表在《科学》杂志上。

Price博士表示："这项研究触及了突触可塑性如何工作的核心——神经元之间的连接如何演变。它对神经科学具有非常广泛的影响。"

这项基于小鼠和人体组织研究的发现围绕磷酸化展开，这是一种生物化学过程，其中一种称为激酶的酶通过向另一种蛋白质添加磷酸分子来修改其功能。这一过程被认为是细胞内功能的基础，如代谢、结构过程和亚细胞信号传导。

然而，细胞外磷酸化（发生在细胞外）的作用一直不太明确，特别是在突触（神经细胞之间的空间）中。突触正是突触前神经元释放神经递质、肽和蛋白质，然后与突触后神经元上的受体结合、激活和调节的位置。

这种信息传递构成了神经元可塑性的基础，这一过程可以增强或减弱参与学习、记忆和疼痛的神经细胞之间连接的强度。

研究人员重点关注了神经元分泌的磷酸化激酶在调节突触信号传导中可能扮演的角色。

Price博士表示："细胞外磷酸化通过ectokinases（在细胞外分泌的激酶）发生。这一现象已知存在近150年，但在神经系统中几乎没有任何相关研究。"

"在这项研究中，我们发现突触间隙本身的激酶在突触可塑性中起着重要作用。这些结果改变了我们教科书级别的突触工作理解。"

研究人员知道通过ectokinases的磷酸化与疼痛有关，但不知道是哪种特定激酶负责。

最近研究表明，一种称为脊椎动物孤独激酶(vertebrate lonesome kinase, VLK)的ectokinase在血小板功能和骨骼发育中发挥作用。由Price博士和杜兰大学脑研究所所长、杜兰大学细胞和分子生物学教授Matthew Dalva博士领导的团队的新研究显示，VLK也是介导损伤引起疼痛的神经元之间关键相互作用所必需的。

他们发现，作为损伤的结果，突触前神经元分泌VLK，然后对突触后神经细胞膜上突出的B型ephrin受体2(EphB2)的细胞外侧进行磷酸化。

这一独特过程吸引了N-甲基-D-天冬氨酸(NMDA)受体蛋白，然后它们与EphB2受体在膜上聚集。NMDA受体通过调节神经元的电位来增强突触连接，在学习和记忆形成中起着关键作用。

该研究的共同第一作者Hajira Elahi表示："突触处NMDA受体浓度的增加允许高水平的神经元激活，导致更大的突触后电位——这是突触可塑性的基本机制。"她大部分工作是作为其论文的一部分完成的。

研究人员发现，经过基因工程改造、在参与疼痛的感觉神经元中缺乏VLK的小鼠在手术后不会产生急性疼痛过敏。相反，向正常小鼠施用VLK会诱导强烈的疼痛过敏，这种过敏由NMDA受体激活介导。

Elahi表示："补充小鼠研究，我们发现人类感觉神经元也表达并分泌VLK，并且VLK在人体组织中也诱导EphB2和NMDA受体相互作用。这真正突显了我们工作的转化影响——VLK的ectokinase作用在人类突触信号传导中可能也很重要。"

Price博士表示："我们基于与Dalva实验室的长期合作在10年前启动了这个项目，最初在德克萨斯大学达拉斯分校合成激酶。我们花了数年时间才开始测试VLK。"

"当我们测试时，很明显VLK是磷酸化EphB1和EphB2受体的激酶，并且VLK活性足以引起NMDA受体聚集。"

该论文的共同通讯作者Dalva表示："神经元释放蛋白激酶来修改突触功能的发现具有广泛的重要性，并暗示了许多新的和意想不到的靶点。"

"我们的工作是协作科学的一个很好的例子。没有参与的不同团队的共享专业知识，这个项目和我们的发现是不可能的。"

尽管NMDA受体长期以来一直是潜在的止痛药物靶点，但直接调节它们的方法往往伴随着副作用。

Price博士表示："NMDA受体涉及神经系统如何工作的几乎每个方面。"

"我们的发现表明了一种通过靶向VLK来操纵NMDA受体的新方法，可能不会产生巨大副作用。在来自大脑的皮层神经元中，VLK似乎以活动依赖的方式释放。正因为如此，我们可以设想一个在神经系统内具有许多影响的模型。"

他表示，潜在的止痛治疗方法可能包括在脊柱中注射阻断VLK，尽管需要更多研究来确定突触VLK机制在神经系统中的广泛程度。

Price博士表示："我们最兴奋的是发现激酶在突触内起作用，而不仅仅在神经元内部。这是对我们理解调节突触可塑性相关受体的基本机制的巨大更新。"

"我认为我们只是触及了表面。证明突触间隙内的激酶活性对突触工作方式的重要性将对我们思考突触可塑性的方式产生重大影响。"

该论文的德克萨斯大学达拉斯分校附属作者包括神经科学研究科学家Moeno Kume、Ishwarya Sankaranarayanan和Stephanie Shiers；认知与神经科学博士生Lucy He和Khadijah Mazhar；以及Juliet Mwirigi、Jessica Loucks和Rohita Arjarapu。

其他作者来自杜兰大学、德克萨斯大学圣安东尼奥健康科学中心、德克萨斯大学MD安德森癌症中心、休斯顿大学Tilman J. Fertitta家族医学院、普林斯顿大学、威斯康星大学麦迪逊分校、纽约大学格罗斯曼医学院和托马斯杰斐逊大学。

资金来源

本研究得到了美国国家神经疾病和中风研究所(National Institute of Neurological Disorders and Stroke, R01NS111976, R01NS115441, U19NS130608)、美国国家药物滥用研究所(National Institute on Drug Abuse, R01DA022727)和美国国家研究资源中心(National Center for Research Resources, S10RR027990)的资助，这些都是美国国立卫生研究院(National Institutes of Health)的组成部分。