NAR：科學(xué)家闡明基因調(diào)節(jié)過(guò)程中的關(guān)鍵表觀遺傳開(kāi)關(guān)機(jī)制

NAR：科學(xué)家闡明基因調(diào)節(jié)過(guò)程中的關(guān)鍵表觀遺傳開(kāi)關(guān)機(jī)制

2016年10月18日訊 日前，來(lái)自普渡大學(xué)的研究人員通過(guò)研究闡明了一種關(guān)鍵的表觀遺傳學(xué)機(jī)制，其或許是一種關(guān)鍵因子來(lái)揭示基因如何被開(kāi)啟和關(guān)閉，相關(guān)研究刊登于國(guó)際雜志Nucleic Acids Research上。遺傳學(xué)和表觀遺傳機(jī)制都能夠調(diào)節(jié)人類機(jī)體基因的表達(dá)，外部環(huán)境因素，比如來(lái)自煙草煙霧中的致癌物或許就能夠干擾機(jī)體正常的表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，這就會(huì)改變基因表達(dá)，進(jìn)而導(dǎo)致癌細(xì)胞的產(chǎn)生。

研究者Humaira Gowher非常感興趣研究控制基因表達(dá)的機(jī)制，文章中他通過(guò)操縱表觀遺傳因子，比如將DNA甲基化添加至基因的某個(gè)位點(diǎn)來(lái)研究基因表達(dá)的過(guò)程；基因表達(dá)能夠通過(guò)遺傳調(diào)控元件，比如啟動(dòng)子和增強(qiáng)子，當(dāng)細(xì)胞需要表達(dá)特殊基因時(shí)，其增強(qiáng)子元件就會(huì)同啟動(dòng)子進(jìn)行相互作用來(lái)刺激基因的活化；當(dāng)基因需要被關(guān)閉或抑制時(shí)，其特殊的增強(qiáng)子就會(huì)脫離啟動(dòng)子。

所謂的DNA甲基化就是將甲基化基團(tuán)添加到DNA的堿基胞嘧啶上，從而將胞嘧啶轉(zhuǎn)換為甲基胞嘧啶，基因啟動(dòng)子和增強(qiáng)子位點(diǎn)甲基胞嘧啶的存在和基因的失活直接相關(guān)，DNA的甲基化能夠通過(guò)名為DNA甲基轉(zhuǎn)移酶（Dnmts）來(lái)進(jìn)行催化。文章中，研究者Gowher及其同事通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，在基因表達(dá)期間，Dnmts對(duì)于釋放增強(qiáng)子非常重要，而且特殊的酶類能夠扮演“繼電器開(kāi)關(guān)”的作用，即一種酶類的活性能夠開(kāi)啟下一個(gè)酶類的活性，最終誘導(dǎo)Dnmt3a在特殊位點(diǎn)對(duì)DNA進(jìn)行甲基化作用。

研究者表示，我們發(fā)現(xiàn)的過(guò)程或許能夠?yàn)榧?xì)胞提供一種途徑來(lái)在特殊增強(qiáng)子位點(diǎn)控制Dnmts的活性，而在這種特殊的增強(qiáng)子位點(diǎn)上DNA的甲基化必須被“存放”以便當(dāng)其在需要時(shí)能夠關(guān)閉特殊基因的表達(dá)。此外研究者還研究了一類多潛能性基因的機(jī)制，即這種基因在干細(xì)胞中進(jìn)行表達(dá)，干細(xì)胞能夠快速?gòu)?fù)制并且停留在一種未分化的階段以便其能夠被進(jìn)行指派成為特殊類型的細(xì)胞，在細(xì)胞分化的過(guò)程中，多潛能性基因能夠被關(guān)閉而且DNA甲基化也會(huì)發(fā)生。

當(dāng)外部因子或環(huán)境因子對(duì)分化的細(xì)胞進(jìn)行作用時(shí)，DNA的甲基化作用就會(huì)被干擾，從而就會(huì)誘發(fā)細(xì)胞變?yōu)槎酀撃軤顟B(tài)，最終就會(huì)導(dǎo)致?lián)p傷和癌變的細(xì)胞快速增殖。最后研究者Gowher說(shuō)道，理解細(xì)胞調(diào)節(jié)抑制機(jī)制的途徑或許就能夠幫助我們理解損傷發(fā)生的原因，同時(shí)也為開(kāi)啟特定基因的表達(dá)提供思路。后期研究中研究者將會(huì)繼續(xù)深入研究基因上游所發(fā)生的事件，尤其是對(duì)能夠調(diào)節(jié)DNA甲基轉(zhuǎn)移酶活性的信號(hào)進(jìn)行研究。

精神依賴的神經(jīng)可塑性機(jī)制

中樞神經(jīng)系統(tǒng)可塑性是長(zhǎng)時(shí)程行為改變的基礎(chǔ)，精神活性物質(zhì)引發(fā)的信號(hào)（如多巴胺釋放）通過(guò)細(xì)胞內(nèi)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)和基因表達(dá)可以引起神經(jīng)可塑性的變化，導(dǎo)致神經(jīng)元編碼信息的長(zhǎng)時(shí)程改變，從而產(chǎn)生持久的成癮行為。

神經(jīng)可塑性是神經(jīng)元突觸對(duì)所接受的刺激作出的功能和結(jié)構(gòu)的適應(yīng)性應(yīng)答反應(yīng)，可分為結(jié)構(gòu)可塑性和功能可塑性。

結(jié)構(gòu)可塑性主要指神經(jīng)元結(jié)構(gòu)重塑，包括神經(jīng)元胞體大小的改變、樹(shù)突分支和樹(shù)突棘形態(tài)、數(shù)量的改變等；

功能可塑性主要體現(xiàn)在突觸傳遞功能的改變，表現(xiàn)形式主要有突觸傳遞的長(zhǎng)時(shí)程增強(qiáng)（long-term potentiation，LTP）和長(zhǎng)時(shí)程抑制（long-term depression，LTD），

谷氨酸及其受體是介導(dǎo)突觸功能可塑性最重要的神經(jīng)遞質(zhì)系統(tǒng)。

精神活性物質(zhì)誘導(dǎo)的突觸可塑性根據(jù)不同藥物、不同給藥方式、不同腦區(qū)、同一腦區(qū)不同神經(jīng)元類型、甚至同一細(xì)胞不同的樹(shù)突部位而異，在特定的神經(jīng)回路有相應(yīng)的突觸重組模式。

另外，精神活性物質(zhì)誘導(dǎo)的神經(jīng)可塑性在停藥后還能維持?jǐn)?shù)個(gè)月乃至更久，從而導(dǎo)致異常的成癮行為和長(zhǎng)期戒斷后的復(fù)吸。

1.神經(jīng)元結(jié)構(gòu)可塑性

自1997年最早報(bào)道了成癮藥物誘導(dǎo)的樹(shù)突結(jié)構(gòu)可塑性之后，許多研究證實(shí)幾乎所有的精神活性物質(zhì)都能誘導(dǎo)腦內(nèi)獎(jiǎng)賞環(huán)路的結(jié)構(gòu)可塑性，

但是不同類別的精神活性物質(zhì)對(duì)神經(jīng)元形態(tài)的影響不同。

總體來(lái)說(shuō)，阿片類物質(zhì)與精神興奮劑對(duì)結(jié)構(gòu)可塑性的影響是相反的。

阿片類物質(zhì)降低NAc中等棘狀神經(jīng)元、mPFC和海馬錐體神經(jīng)元的樹(shù)突棘密度和復(fù)雜程度，使VTA多巴胺能神經(jīng)元胞體變小，但是增加OFC錐體神經(jīng)元的樹(shù)突棘密度；精神興奮劑則增加上述核團(tuán)神經(jīng)元的樹(shù)突棘密度和復(fù)雜程度。

阿片類和精神興奮劑對(duì)神經(jīng)元形態(tài)的影響見(jiàn)表3-1和表3-2。

另外，可卡因誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)可塑性還具有細(xì)胞類型特異性。

NAc的中等棘狀神經(jīng)元分為多巴胺D1受體陽(yáng)性和D2受體陽(yáng)性兩大類，雖然慢性可卡因處理能誘導(dǎo)D1受體陽(yáng)性神經(jīng)元和D2受體陽(yáng)性神經(jīng)元的樹(shù)突棘密度都增加，但是D1受體陽(yáng)性的神經(jīng)元中長(zhǎng)期穩(wěn)定存在的新生樹(shù)突棘更多，這可能與D1受體陽(yáng)性的神經(jīng)元中ΔFosB的長(zhǎng)期高表達(dá)有關(guān)。

然而，為何阿片類與精神興奮劑引起的成癮行為類似，但是對(duì)突觸可塑性的表型卻相反，目前尚不清楚。

精神活性物質(zhì)誘導(dǎo)的突觸可塑性與其產(chǎn)生的成癮行為表型之間的因果關(guān)系，目前的研究也存在相互矛盾之處。

另外，最近觀察到可卡因自身給藥大鼠在藥物相關(guān)線索誘發(fā)復(fù)吸時(shí)也能誘導(dǎo)NAc短暫的樹(shù)突棘形態(tài)及密度改變，這種改變有何生物學(xué)意義尚不清楚。

在分子機(jī)制方面，以NAc腦區(qū)研究的最多。ΔFosB、NF-κB、CREB、MEF2等轉(zhuǎn)錄因子在調(diào)節(jié)樹(shù)突棘形態(tài)方面發(fā)揮重要作用，它們通過(guò)介導(dǎo)與actin組裝相關(guān)的分子的轉(zhuǎn)錄而影響細(xì)胞骨架重排，從而參與突觸結(jié)構(gòu)可塑性。

在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄因子的上游信號(hào)通路中，BDNF及其受體介導(dǎo)的PI3K-Akt-PAK和ERK通路可能發(fā)揮關(guān)鍵作用。

另外，某些結(jié)構(gòu)重塑可能是由多巴胺D1受體介導(dǎo)的cAMP水平升高或N-甲基-D-天冬氨酸（N-methyl-D-aspartate，NMDA）受體介導(dǎo)的鈣離子內(nèi)流啟動(dòng)的。

表3-1　阿片類藥物誘導(dǎo)的神經(jīng)元形態(tài)變化

神經(jīng)元 給藥方式 結(jié)構(gòu)變化

2.突觸功能可塑性

突觸功能可塑性的表現(xiàn)形式主要有LTP和LTD，這兩種形式幾乎能在大腦所有興奮性突觸表達(dá)，并隨著成癮等行為效應(yīng)而發(fā)生改變。

VTA多巴胺能神經(jīng)元在成癮啟動(dòng)和形成中具有重要作用。

可卡因、阿片類、苯丙胺類興奮劑、尼古丁和酒精都能誘導(dǎo)VTA多巴胺能神經(jīng)元突觸傳遞功能（通常以AMPA受體/NMDA受體興奮性突觸后電流比率來(lái)指示）增加；

相反，非成癮性精神藥物氟西汀和卡馬西平則不能引起這種突觸效能改變。

然而，VTA腦區(qū)的上述突觸效能改變比較短暫，即使反復(fù)給予可卡因也不會(huì)使其持續(xù)存在，提示成癮性物質(zhì)誘發(fā)的VTA腦區(qū)DA能神經(jīng)元LTP效應(yīng)可能與其介導(dǎo)成癮性物質(zhì)的獎(jiǎng)賞和成癮啟動(dòng)有關(guān)。

VTA興奮性突觸不僅可誘導(dǎo)出NMDA受體依賴的LTP，還可誘導(dǎo)電壓門控鈣通道依賴的LTD。

可卡因能易化誘發(fā)VTA腦區(qū)LTP，并引起行為敏化和條件性位置偏愛(ài)。

通過(guò)AMPA受體基因敲除小鼠的研究發(fā)現(xiàn)，可卡因引起的VTA區(qū)多巴胺能神經(jīng)元的興奮性突觸傳遞可塑性，雖不是行為敏化本身所必需的，但可能是促成藥物相關(guān)線索與藥物獎(jiǎng)賞效應(yīng)相關(guān)聯(lián)的重要神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)。

成癮性物質(zhì)除了影響VTA腦區(qū)多巴胺能神經(jīng)元的興奮性突觸傳遞之外，也影響抑制性突觸傳遞。

VTA的多巴胺能神經(jīng)元還存在抑制性突觸的LTP和LTD（LTPGABA、LTDGABA）。單次嗎啡處理使藥物處理2小時(shí)和24小時(shí)后的LTPGABA降低，從而解除多巴胺能神經(jīng)元的抑制性調(diào)節(jié)，使其更容易響應(yīng)興奮性傳入而放電。

因此LTPGABA受損可能是阿片類增強(qiáng)VTA多巴胺能神經(jīng)元活性的另一種機(jī)制。

最近還發(fā)現(xiàn)，單次嗎啡處理也能抑制藥物處理24小時(shí)后多巴胺能神經(jīng)元的LTDGABA，所以嗎啡對(duì)GABA能末梢的突觸可塑性可能具有雙向調(diào)節(jié)作用。

慢性藥物處理對(duì)LTPGABA和LTDGABA的影響尚不明確。

精神活性物質(zhì)在不同腦區(qū)可以誘導(dǎo)不同的突觸功能可塑性，例如單次給藥即可誘導(dǎo)VTA的突觸功能可塑性變化，而對(duì)NAc只在重復(fù)給藥后才產(chǎn)生此效應(yīng)。

動(dòng)物可卡因連續(xù)被動(dòng)給藥5天，在戒斷10～14天后，NAc腦區(qū)中的中等棘狀神經(jīng)元興奮性突觸的AMPA受體/NMDA受體電流比率降低。

這種突觸效能的降低亦可出現(xiàn)在經(jīng)可卡因處理的動(dòng)物的NAc腦區(qū)，在電生理學(xué)研究中表現(xiàn)為L(zhǎng)TD幅度下降并伴有AMPA受體表達(dá)下調(diào)。

長(zhǎng)時(shí)間的可卡因戒斷可引起NAc腦區(qū)無(wú)GluR2的AMPA受體增加，NAc局部注射無(wú)GluR2的AMPA受體阻斷劑能阻斷自身給藥動(dòng)物線索誘導(dǎo)的復(fù)吸行為。

另外，藥物引起的行為敏化依賴于NAc的LTD，阻斷NAc的LTD發(fā)生能夠預(yù)防苯丙胺誘導(dǎo)的行為敏化。

這些研究提示，NAc的LTD是行為可塑性的重要適應(yīng)形式，成癮性物質(zhì)使其長(zhǎng)時(shí)程受損可能是導(dǎo)致成癮行為的原因。

除了VTA和NAc，精神活性物質(zhì)也影響海馬、PFC、杏仁核等其他腦區(qū)的突觸可塑性。

在海馬腦區(qū)存在著NMDA受體依賴LTP（主要在海馬CA3-CA1區(qū)的Schaffer側(cè)支通路）和NMDA受體非依賴性LTP（主要在海馬纖維-CA3突觸，其產(chǎn)生主要依靠電壓門控性通道開(kāi)放，引起鈣離子濃度增加）。

總體來(lái)講，嗎啡反復(fù)給藥損害海馬LTP，而戒斷則能易化LTP；可卡因反復(fù)給藥易化海馬LTP。但海馬腦區(qū)這種NMDA受體依賴性LTP是否參與成癮行為的學(xué)習(xí)記憶過(guò)程尚未被完全證實(shí)。

另外，具有強(qiáng)迫性用藥、覓藥行為和異常高的用藥動(dòng)機(jī)的可卡因成癮大鼠mPFC內(nèi)出現(xiàn)依賴于mGluR2/3的LTD受損現(xiàn)象，而非成癮大鼠則無(wú)此現(xiàn)象，

提示mGluR2/3介導(dǎo)的LTD受損可能是藥物使用轉(zhuǎn)變?yōu)樗幬锍砂a的關(guān)鍵。

在突觸功能可塑性相關(guān)的分子機(jī)制方面，成癮狀態(tài)下興奮性突觸傳遞可發(fā)生兩種適應(yīng)性改變：

一是促進(jìn)突觸前的谷氨酸釋放；

二是突觸后對(duì)谷氨酸的反應(yīng)性發(fā)生改變。

突觸前谷氨酸釋放的增加，如前所述主要是由于突觸前mGluR2/3的抑制性降低，其機(jī)制是由于突觸間隙外谷氨酸基礎(chǔ)水平降低所致；

突觸后對(duì)谷氨酸反應(yīng)性的改變，主要與突觸后膜NMDA受體、AMPA受體水平有關(guān)。AMPA受體與NMDA受體介導(dǎo)的興奮性突觸后電流比率（AMPA/NMDA比率）是反映興奮性突觸傳遞強(qiáng)度的指標(biāo)。

AMPA受體調(diào)節(jié)腦內(nèi)大部分興奮性突觸的傳遞，其在突觸后膜的快速遷入和遷出對(duì)LTP、LTD起到很重要的觸發(fā)作用，AMPA受體的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)對(duì)正常突觸功能和病理生理情況下的突觸功能的改變都至關(guān)重要。

AMPA受體GluR1亞基基因突變小鼠不能表達(dá)可卡因或應(yīng)激誘導(dǎo)的VTA腦區(qū)的LTP及條件性位置偏愛(ài)效應(yīng)，而反復(fù)暴露于可卡因、嗎啡、酒精則可導(dǎo)致GluR1蛋白表達(dá)的增加。

GluR2缺失的AMPA受體可能介導(dǎo)了可卡因渴求及復(fù)吸行為。

另外，LTP的誘導(dǎo)還能增加GluR1亞基主要PKA位點(diǎn)的磷酸化。NMDA受體由基本亞基NR1和調(diào)節(jié)亞基NR2A-2D組成，選擇性敲除多巴胺神能經(jīng)元NR1亞基，可導(dǎo)致NMDA受體調(diào)節(jié)的興奮性突觸后電流及可卡因誘導(dǎo)的突觸可塑性不能形成。還有研究提示，NMDA受體的NR2A亞基可能是建立NMDA受體依賴性LTP所必需的，NR2B則可能主要參與LTD的建立，因此，突觸后膜NR2A和NR2B的相對(duì)量可能影響可塑性的性質(zhì)；

另外，NR2B亞基還能通過(guò)影響AMPA受體亞單位及其相關(guān)信號(hào)分子CaMKⅡα在突觸后膜的表達(dá)，從而參與LTP。

阻斷NMDA受體，可特異性地阻斷被測(cè)腦區(qū)的LTP和LTD，同時(shí)抑制嗎啡誘導(dǎo)的條件性位置偏愛(ài)效應(yīng)；拮抗NR2A或NR2B亞基的功能，都可抑制可卡因單次注射24小時(shí)后誘導(dǎo)的VTA腦區(qū)神經(jīng)元AMPA/NMDA比率的增高。

此外，VTA、PFC、海馬等腦區(qū)中還存在代謝型谷氨酸受體（metabolic glutamate receptors，mGluRs）依賴的LTP、LTD。mGluRs與G蛋白偶聯(lián)，通過(guò)細(xì)胞內(nèi)的多種信使系統(tǒng)介導(dǎo)慢突觸傳遞，在LTP、LTD的誘導(dǎo)和維持中起著重要的調(diào)節(jié)作用。

mGluRs可以降低LTP誘導(dǎo)的閾值，增加其時(shí)間和幅度，甚至可以直接誘導(dǎo)出LTP；個(gè)別形式的LTD必須依賴于mGluRs的激活。研究發(fā)現(xiàn)，可卡因誘導(dǎo)的VTA突觸可塑性由mGluR1門控，缺少mGluR1導(dǎo)致VTA區(qū)功能持續(xù)性增強(qiáng)以致NAc的突觸可塑性變化，這可能也是可卡因長(zhǎng)期戒斷后產(chǎn)生覓藥行為的原因。

藥物成癮者mGluR1功能受損，為藥物成癮的突觸可塑性機(jī)制研究作了補(bǔ)充。另外，PSD-95、Homer蛋白等突觸相關(guān)蛋白能夠通過(guò)幫助谷氨酸受體及與之關(guān)聯(lián)的信號(hào)蛋白在突觸處簇集而參與突觸可塑性。

總之，突觸可塑性是精神活性物質(zhì)所致的細(xì)胞適應(yīng)的形式，精神活性物質(zhì)能夠引起獎(jiǎng)賞環(huán)路、記憶環(huán)路多個(gè)腦區(qū)的突觸結(jié)構(gòu)和功能改變，這些突觸可塑性改變究竟是產(chǎn)生成癮行為的機(jī)制、還是使用藥物伴隨的變化，是今后研究的重點(diǎn)。

（四）精神依賴的轉(zhuǎn)錄因子及表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)機(jī)制

精神活性物質(zhì)引起的成癮行為學(xué)改變是由神經(jīng)核團(tuán)和神經(jīng)通路調(diào)控的，而神經(jīng)核團(tuán)和神經(jīng)通路的結(jié)構(gòu)和功能又是以神經(jīng)可塑性為基礎(chǔ)的；神經(jīng)可塑性的改變則是由蛋白表達(dá)的時(shí)間、空間和量的改變決定的。

因此，轉(zhuǎn)錄因子和表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)機(jī)制是藥物成癮神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制的基礎(chǔ)和最重要的組成部分。

1.與藥物成癮相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子

藥物成癮神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制研究的重點(diǎn)之一是闡明精神活性物質(zhì)是如何引起成癮的。為實(shí)現(xiàn)此研究目的，人們常把研究精神活性物質(zhì)急性作用如何轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谐砂a特征的慢性作用作為研究的切入點(diǎn)。

大量的研究表明，轉(zhuǎn)錄因子（transcription factors）在其中可能起到非常重要的作用。

CREB是受cAMP和Ca2+調(diào)節(jié)的一種轉(zhuǎn)錄因子，也是學(xué)習(xí)記憶中研究最多的轉(zhuǎn)錄因子之一。

可卡因、苯丙胺類興奮劑和阿片類藥物反復(fù)使用均可使NAc、dStr、PFC、杏仁核等核團(tuán)CREB表達(dá)上調(diào)、活性增強(qiáng)，并能持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。

在NAc腦區(qū)內(nèi)，CREB活性升高對(duì)精神依賴來(lái)說(shuō)是一種負(fù)反饋機(jī)制，與獎(jiǎng)賞耐受和戒斷期的負(fù)性情緒狀態(tài)表達(dá)相關(guān)。

這些因素促進(jìn)了自身給藥行為的形成和維持，與復(fù)吸關(guān)系密切。

多巴胺能提高CREB活性。中樞興奮劑（可卡因和甲基苯丙胺等）和阿片類藥物通過(guò)上調(diào)細(xì)胞外多巴胺濃度而長(zhǎng)期激活D1受體，上調(diào)靶神經(jīng)元內(nèi)cAMP濃度、激活PKA，使CREB磷酸化而增強(qiáng)其轉(zhuǎn)錄活性。

但是并非所有的成癮性物質(zhì)都能誘導(dǎo)NAc內(nèi)CREB活化。酒精、尼古丁常降低NAc內(nèi)CREB的活性。CREB介導(dǎo)的獎(jiǎng)賞耐受與其誘導(dǎo)NAc內(nèi)強(qiáng)腓肽過(guò)度表達(dá)有關(guān)。

高表達(dá)的強(qiáng)腓肽通過(guò)激活VTA多巴胺能神經(jīng)元細(xì)胞膜上的κ阿片受體而抑制VTA至NAc的多巴胺能神經(jīng)傳遞，減弱獎(jiǎng)賞效應(yīng)。

另外，CREB活性與NAc中等棘狀神經(jīng)元功能活動(dòng)直接相關(guān)，過(guò)表達(dá)CREB增加中等棘狀神經(jīng)元的興奮性。

因此，CREB可能通過(guò)上調(diào)中等棘狀神經(jīng)元的興奮性而對(duì)可卡因誘導(dǎo)的行為敏化起“剎車”的作用。

CREB的下游靶分子還包括一些離子通道和谷氨酸受體亞基，通過(guò)這些靶分子調(diào)節(jié)NAc神經(jīng)元興奮性和突觸可塑性。

中樞興奮劑和阿片類也能激活PFC、dStr、杏仁核等腦區(qū)的CREB，但是這些腦區(qū)CREB的下游靶基因及其產(chǎn)生的行為反應(yīng)還不十分清楚。

ΔFosB是FosB基因的短截產(chǎn)物。急性給予精神活性物質(zhì)能快速而短暫地升高NAc和dStr內(nèi)c-Fos及Fos家族其他成員的表達(dá)水平，8～12小時(shí)內(nèi)恢復(fù)至正常，推測(cè)這些Fos蛋白被短時(shí)、迅速的誘導(dǎo)表達(dá)，可能與急性藥物暴露對(duì)突觸功能的改變有關(guān)。

而長(zhǎng)期使用成癮性物質(zhì)則引起NAc和dStr內(nèi)ΔFosB表達(dá)的持續(xù)升高，并且停藥數(shù)周仍能維持這種高表達(dá)。

幾乎所有的成癮性物質(zhì)（如可卡因、苯丙胺類興奮劑、阿片類物質(zhì)、酒精和尼古丁）均能引起NAc內(nèi)ΔFosB的持續(xù)高表達(dá)，并且選擇性表達(dá)于D1受體陽(yáng)性的中等棘狀神經(jīng)元中；而且在成癮患者腦內(nèi)也觀察到這種現(xiàn)象。

大量證據(jù)顯示，D1受體陽(yáng)性神經(jīng)元中ΔFosB的誘導(dǎo)表達(dá)增加了這些神經(jīng)元對(duì)可卡因和嗎啡獎(jiǎng)賞效應(yīng)及運(yùn)動(dòng)活動(dòng)的敏化，也增加了可卡因自身給藥行為及用藥動(dòng)機(jī)，提示ΔFosB與藥物的敏化效應(yīng)密切相關(guān)。

由于ΔFosB較為穩(wěn)定，在停藥數(shù)周甚至數(shù)個(gè)月后都可驅(qū)動(dòng)這種行為改變，被認(rèn)為可能是啟動(dòng)與維持成癮狀態(tài)的分子開(kāi)關(guān)。

目前，ΔFosB的多種下游靶分子已被鑒定出來(lái)，其中強(qiáng)啡肽也是ΔFosB的下游靶分子之一，CREB誘導(dǎo)強(qiáng)啡肽表達(dá)升高，而ΔFosB則抑制強(qiáng)啡肽的表達(dá)。

另外，ΔFosB的靶分子還包括一些與突觸可塑性密切相關(guān)的分子，如突觸結(jié)合蛋白、微管相關(guān)蛋白、激活調(diào)節(jié)的細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白、actin相關(guān)蛋白、細(xì)胞周期素依賴性激酶5、驅(qū)動(dòng)蛋白等，因此，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為ΔFosB可能參與調(diào)控NAc內(nèi)的中等棘狀神經(jīng)元的樹(shù)突棘形態(tài)改變。

此外，表觀遺傳學(xué)調(diào)節(jié)機(jī)制中的重要分子組蛋白甲基化轉(zhuǎn)移酶G9a等也是ΔFosB的重要下游靶基因。通過(guò)此調(diào)控機(jī)制，ΔFosB能引起更為持久的染色質(zhì)重塑。

CREB和ΔFosB對(duì)藥物成癮的調(diào)節(jié)作用顯示不同的時(shí)間特征。

以前有研究顯示，給予可卡因5天后NAc內(nèi)差異表達(dá)的基因中有19種受CREB的調(diào)控、8種受ΔFosB的調(diào)控，而給藥4周后差異表達(dá)的基因中只有5種受CREB的調(diào)控、22種受ΔFosB的調(diào)控，提示在較短時(shí)間的藥物處理中CREB扮演重要角色，而較長(zhǎng)時(shí)間的藥物處理后ΔFosB逐漸占主導(dǎo)地位。

另外，停藥數(shù)天后CREB的激活狀態(tài)消退，而ΔFosB的高表達(dá)能持續(xù)數(shù)周，這可能是戒斷不同階段表現(xiàn)不同行為效應(yīng)的分子基礎(chǔ)，例如戒斷早期以負(fù)性情感癥狀和藥物敏感性降低為主，而戒斷較長(zhǎng)時(shí)間后以藥物獎(jiǎng)賞和動(dòng)機(jī)敏化效應(yīng)為主。

近年來(lái)還發(fā)現(xiàn)其他轉(zhuǎn)錄因子在藥物成癮中可能也發(fā)揮著重要作用。

NF-κB是一種被多種刺激快速激活的轉(zhuǎn)錄因子，以前研究主要集中在免疫應(yīng)答和炎癥方面，近年來(lái)發(fā)現(xiàn)它也與突觸可塑性和學(xué)習(xí)記憶相關(guān)。

慢性給予可卡因能誘導(dǎo)NAc內(nèi)的中等棘狀神經(jīng)元NF-κB表達(dá)水平升高，同時(shí)伴隨該神經(jīng)元的樹(shù)突棘密度增加和對(duì)可卡因獎(jiǎng)賞效應(yīng)的敏化。

可卡因誘導(dǎo)的NF-κB的表達(dá)由ΔFosB介導(dǎo)，體現(xiàn)了藥物作用導(dǎo)致的復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄因子級(jí)聯(lián)反應(yīng)。最近在應(yīng)激和抑郁癥的模型上也發(fā)現(xiàn)NAc內(nèi)中等棘狀神經(jīng)元NF-κB表達(dá)上調(diào)，誘導(dǎo)中等棘狀神經(jīng)元樹(shù)突棘密度增加。

這些發(fā)現(xiàn)對(duì)于理解抑郁癥與藥物成癮共病的神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制可能有重要的提示。

NAc內(nèi)的中等棘狀神經(jīng)元也表達(dá)多種形式的肌細(xì)胞特異性增強(qiáng)子因子2（myocyte-specific enhancer factor 2，MEF2）蛋白，它們形成同源或異源二聚體，通過(guò)與其他因子結(jié)合而激活或抑制基因轉(zhuǎn)錄。

MEF2調(diào)控基因轉(zhuǎn)錄的方式取決于其結(jié)合的是共激活因子（如p300蛋白）還是共抑制因子（如Ⅱ型組蛋白去乙?；福?br>
研究發(fā)現(xiàn)，慢性可卡因處理通過(guò)抑制NAc內(nèi)MEF2活性而增加了中等棘狀神經(jīng)元的樹(shù)突棘密度，可卡因抑制MEF2活性是通過(guò)D1受體-cAMP依賴的神經(jīng)鈣蛋白和細(xì)胞周期素依賴性激酶5（ΔFosB的下游靶基因）實(shí)現(xiàn)的；

而MEF2活性降低則抑制了可卡因的行為敏化效應(yīng)。

究提示MEF2可能是可卡因誘導(dǎo)的突觸結(jié)構(gòu)可塑性和行為可塑性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)分子，MEF2活性的降低及中等棘狀神經(jīng)元樹(shù)突棘密度的增加可能作為一種代償性機(jī)制抑制可卡因成癮。

但是，前述研究有提示ΔFosB及NF-κB介導(dǎo)的中等棘狀神經(jīng)元樹(shù)突棘密度增加可能是可卡因誘導(dǎo)敏化的基礎(chǔ)。

我們認(rèn)為，NAc中等棘狀神經(jīng)元樹(shù)突棘密度增加究竟是促進(jìn)成癮還是降低成癮，可能取決于藥物處理的時(shí)間、觀察的是何種行為反應(yīng)、密度增加的樹(shù)突棘是何種形態(tài)以及形成的是何種類型的突觸連接等因素。如何理解這些看似矛盾的現(xiàn)象，仍需要大量的研究。

雖然發(fā)現(xiàn)了多種與藥物成癮相關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子，但是沒(méi)有一種分子的改變能像成癮行為那樣持久，因此腦內(nèi)一定存在著更為穩(wěn)定的受轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的持久性改變。

推測(cè)一種可能性是轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的改變雖然持續(xù)時(shí)間不夠長(zhǎng)，但由其引起的神經(jīng)元可塑性改變可能更穩(wěn)定、更持久；另一種可能是轉(zhuǎn)錄因子表達(dá)的改變啟動(dòng)了可長(zhǎng)期存在的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)重塑，引起基因表達(dá)和突觸結(jié)構(gòu)發(fā)生更持久的改變。

2.表觀遺傳調(diào)節(jié)

表觀遺傳是在不改變DNA序列的前提下，通過(guò)其他生化過(guò)程使機(jī)體內(nèi)某些基因表達(dá)發(fā)生可遺傳的改變，表觀遺傳調(diào)節(jié)機(jī)制主要包括組蛋白修飾、DNA甲基化、非編碼RNA調(diào)控等，導(dǎo)致染色質(zhì)重塑。

表觀遺傳修飾極其穩(wěn)定，可能是成癮行為長(zhǎng)期存在的分子基礎(chǔ)之一

以DNA甲基化、組蛋白修飾、microRNA調(diào)控為代表的表觀遺傳機(jī)制是精神活性物質(zhì)誘導(dǎo)神經(jīng)可塑性和成癮行為的重要調(diào)節(jié)方式，但是對(duì)其調(diào)節(jié)機(jī)制的認(rèn)識(shí)還很少。

　總結(jié)

通過(guò)幾十年來(lái)藥物成癮機(jī)制的研究，目前對(duì)藥物成癮神經(jīng)生物學(xué)機(jī)制的認(rèn)識(shí)可以總結(jié)如下。

1.藥物成癮的根本原因是在機(jī)體中樞神經(jīng)系統(tǒng)中存在固有的趨利避害辨別系統(tǒng)，精神活性物質(zhì)模擬了有利于機(jī)體個(gè)體生存和種族延續(xù)的刺激，引起機(jī)體成癮。

2.藥物成癮的本質(zhì)是代償性適應(yīng)。此代償性適應(yīng)涉及不同腦區(qū)、核團(tuán)、神經(jīng)環(huán)路、神經(jīng)遞質(zhì)、細(xì)胞、分子。

3.藥物成癮的形成經(jīng)歷了從偶然用藥到規(guī)律性用藥、最后發(fā)展為強(qiáng)迫性用藥的過(guò)程，強(qiáng)迫性、不可控制用藥和強(qiáng)迫性覓藥是藥物成癮的核心特征。

各種精神活性物質(zhì)雖然初始作用靶點(diǎn)不同，但都能夠?qū)е翹Ac細(xì)胞外多巴胺水平的升高、激活VTA-NAc獎(jiǎng)賞環(huán)路，這是成癮啟動(dòng)的共同通路。

隨著用藥劑量增大和時(shí)間延長(zhǎng)，藥物的作用逐漸擴(kuò)展到學(xué)習(xí)記憶環(huán)路、PFC等其他系統(tǒng)，在獎(jiǎng)賞耐受的同時(shí)，產(chǎn)生動(dòng)機(jī)敏化、對(duì)藥物相關(guān)刺激的異常學(xué)習(xí)記憶以及腦高級(jí)認(rèn)知功能障礙等，最終導(dǎo)致典型的成癮行為。

4.在成癮過(guò)程中，多巴胺系統(tǒng)在成癮的啟動(dòng)中發(fā)揮重要作用，

而谷氨酸系統(tǒng)由于其介導(dǎo)長(zhǎng)時(shí)程記憶可能在成癮的維持和復(fù)吸中占主導(dǎo)地位，

內(nèi)源性阿片肽、GABA、5-羥色胺、內(nèi)源性大麻素等神經(jīng)遞質(zhì)也具有重要的調(diào)節(jié)作用。各種神經(jīng)遞質(zhì)參與藥物成癮的作用如彩圖3-5所示。

? 3-5　藥物成癮的神經(jīng)生物學(xué)基礎(chǔ)

此外，戒斷并非用藥的逆轉(zhuǎn)，可能產(chǎn)生新的變化，但是我們對(duì)此了解甚少。在精神活性物質(zhì)的急性作用如何轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂谐砂a特征的慢性作用中，轉(zhuǎn)錄因子、表觀遺傳調(diào)節(jié)以及神經(jīng)可塑性可能是其中的橋梁。

5.經(jīng)過(guò)幾十年的努力，我們對(duì)規(guī)律性用藥的機(jī)制有了比較深入的認(rèn)識(shí)，但是對(duì)強(qiáng)迫性用藥的機(jī)制還不清楚；

已有研究提示強(qiáng)迫性用藥與規(guī)律性用藥的機(jī)制不完全相同，因此對(duì)于成癮不同階段的干預(yù)可能也應(yīng)采取不同的手段。

研究規(guī)律性用藥是如何轉(zhuǎn)換為強(qiáng)迫性用藥，以及在這兩種不同用藥經(jīng)歷下戒斷及復(fù)吸的機(jī)制有何異同，將能夠更準(zhǔn)確地理解藥物成癮的機(jī)制，也是研究有效的干預(yù)措施的基礎(chǔ)。

為什么說(shuō)RNA最可能是生命進(jìn)化早期遺傳信息的載體和具有催化功能的生物大分子？

長(zhǎng)期以來(lái)，人們總以為只有核酸才是遺傳物質(zhì)，所以應(yīng)該先有DNA；但其實(shí)和核酸一樣，蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)十分規(guī)則，而且也有螺旋結(jié)構(gòu)?？茖W(xué)家長(zhǎng)期研究后發(fā)現(xiàn)，蛋白質(zhì)完全具備遺傳物質(zhì)的條件，能夠貯藏、復(fù)制和傳遞生命信息。尤其是近年來(lái)生物學(xué)家發(fā)現(xiàn)，瘋牛病、瘋羊病的病原體是朊病毒，而朊病毒的本質(zhì)就是蛋白質(zhì)，可以自我復(fù)制。這無(wú)疑表明蛋白質(zhì)也可以作為遺傳物質(zhì)。

RNA World假說(shuō)的提出

針對(duì)上述悖論問(wèn)題，爭(zhēng)論一直不休，直到上世紀(jì)80年代兩個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了一種新的假說(shuō)被提出。

1982年，Colorado大學(xué)化學(xué)系T.R. Cech實(shí)驗(yàn)室在研究單細(xì)胞原生動(dòng)物喜溫四膜蟲(chóng)（Tetrahymena thermophila）時(shí)發(fā)現(xiàn), 剛轉(zhuǎn)錄出來(lái)的“前體核糖核酸（rRNA）”，在一定條件下能夠自發(fā)地催化其切割和剪接反應(yīng), 它切除一段核苷酸鏈, 再將切頭兩端連接形成成熟的rRNA分子, 從而導(dǎo)致自身長(zhǎng)度的縮短。在此反應(yīng)后會(huì)釋放出一段由413個(gè)核苷酸組成的“插入序列（Intervening Sequence, IVS）”。這一過(guò)程顯示RNA具有酶的催化功能，起催化作用的正是IVS，是前提rRNA中的自剪切內(nèi)含子（Self-splicing intron）。然而, 成熟的RNA一旦形成，IVS的催化活性也隨之喪失，因而自剪接內(nèi)含子仍然不是一個(gè)真正意義上的催化劑和地道的酶。但它的的確確表現(xiàn)出了類似酶的功能，所以Cech等稱之為“核酶（ribozyme）”。

此外，1978年，Yale大學(xué)的S.Altman在純化大腸桿菌核糖核酸酶P（此酶是細(xì)菌和高等真核生物細(xì)胞內(nèi)都有的一種tRNA處理酶，是RNA和蛋白質(zhì)的復(fù)合體）時(shí)發(fā)現(xiàn)，其中一種RNA是細(xì)胞催化反應(yīng)所必需的。1983年，他與N.R. Pace合作實(shí)驗(yàn)證明，在細(xì)胞環(huán)境里，核酸酶P為了在特定位點(diǎn)切開(kāi)tRNA前體，既需要RNA也需要蛋白質(zhì)。但是在試管里，RNA的亞單元單獨(dú)就能在恰當(dāng)?shù)奈稽c(diǎn)切開(kāi)tRNA，而蛋白質(zhì)卻不行。第二年初，Altman利用一種重組DNA模板轉(zhuǎn)錄的核糖核酸酶的RNA亞單元去催化tRNA前提，發(fā)現(xiàn)能引起后者精確的突變。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)排除了復(fù)合體蛋白質(zhì)污染的可能，從而清楚地證明RNA亞單元具有貨真價(jià)實(shí)的催化功能。

后來(lái)，人們從不同生物中獲得了數(shù)十種Ribozyme，有切割型的也有剪接型的，既能催化自身反應(yīng)也能催化其它分子反應(yīng)。此時(shí)，Ribozyme已被確認(rèn)具有完全意義上的催化劑（酶）功能。Cech和Altman也因?yàn)榇隧?xiàng)極具轟動(dòng)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)分享了1989年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

鑒于RNA既可以作為信息載體，又具有催化功能，換句話說(shuō)就是既有DNA樣作用又可以發(fā)揮蛋白質(zhì)功能，人們自然會(huì)想到在生命起源之處最早出現(xiàn)的生物分子系統(tǒng)和遺傳物質(zhì)是RNA，而不是DNA或蛋白質(zhì)。1986年，另一位因發(fā)明基因測(cè)序的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、Harvard大學(xué)的W.Gilbert在Nature（319:618）上正式撰文闡述這個(gè)話題，并首次提出了“RNA World”學(xué)說(shuō)。

這一學(xué)說(shuō)的中心是：在生命起源的早期階段存在一個(gè)完全由RNA分子組成的分子系統(tǒng)，在這一體系中，系統(tǒng)的信息由RNA進(jìn)行儲(chǔ)存，一部分具有催化功能的RNA分子催化RNA自身信息的傳遞及RNA分子的自我復(fù)制；由于這一系統(tǒng)能夠使信息得到儲(chǔ)存及復(fù)制，所以這一系統(tǒng)能夠生存并進(jìn)化；最后，信息的儲(chǔ)存由結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定的DNA分子代替，而催化功能由催化能力更強(qiáng)的蛋白質(zhì)取代，從而形成了現(xiàn)代意義上的生命體系。隨著一些新實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證和新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，“RNA World”假說(shuō)在生物學(xué)領(lǐng)域內(nèi)還是具有很高的影響力的，一般的著作甚至一些分子生物學(xué)教科書(shū)都把它作為確認(rèn)的事實(shí)加以介紹。

其實(shí)這種思想實(shí)際上可以上溯到上世紀(jì)60年代。當(dāng)時(shí)，美國(guó)Illinois大學(xué)的C. Woese、位于加州的Salk研究所的L. Orgel、以及發(fā)現(xiàn)DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)的英國(guó)生物學(xué)家F. Crick都認(rèn)為RNA是最早的生物本征分子，并且先后預(yù)言RNA可能具有催化功能。他們的這一認(rèn)識(shí)是基于RNA在現(xiàn)有生物體內(nèi)的普遍存在：我們知道在DNA的轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程中，離不開(kāi)信使RNA（mRNA）、核糖體RNA（rRNA）和轉(zhuǎn)運(yùn)RNA（tRNA）等3種RNA的參與，最后才有蛋白質(zhì)的合成。此外，以RNA而不是DNA為遺傳物質(zhì)形式的病毒的發(fā)現(xiàn)，也表明這種設(shè)想的合理性和可能性。但當(dāng)時(shí)由于未找到RNA催化的證據(jù)，這一想法沉睡多年，直到Cech和Altman的發(fā)現(xiàn)才公布于眾。隨后，RNA多功能研究才更多的走上了生物學(xué)家的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，反義RNA和RNA干擾技術(shù)（06年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)）的發(fā)現(xiàn)不能不說(shuō)部分受益于此。

RNA催化的后期實(shí)驗(yàn)

隨著RNA研究熱潮的興起，除了上面提到的Cech和Altman的工作之外，還有其它幾項(xiàng)研究也是值得稱道的。

1992年，美國(guó)生物學(xué)家Noller等用高濃度的蛋白酶K、強(qiáng)離子去污劑SDS以及苯酚等試劑處理大腸桿菌50S的大亞單位，去掉與23SrRNA結(jié)合的各種核糖體蛋白，結(jié)果發(fā)現(xiàn)得到的23SrRNA仍具有肽酰轉(zhuǎn)移酶的活性，能催化肽鏈的合成；同時(shí)，Cech實(shí)驗(yàn)室也發(fā)現(xiàn)，氨基酸與tRNA間鍵的形成和斷裂是由rRNA單獨(dú)催化完成的；1995年，Colorado大學(xué)的M. Illangasekare等人研究發(fā)現(xiàn)，RNA（不是rRNA，也不需要氨酰tRNA合成酶）可以催化氨?；霓D(zhuǎn)移，且經(jīng)過(guò)篩選，其反應(yīng)速度至少增加105倍；同樣是在1995年，Harvard大學(xué)的Szostak小組通過(guò)“試管內(nèi)進(jìn)化系統(tǒng)”發(fā)現(xiàn)了能夠參與C-N鍵合成的Ribozyme（Nature,374:777）; 1998年，MIT的David Bartel小組的體外實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種能催化合成RNA的單體—嘧啶核苷酸 (Natuer,395:223)。他們的進(jìn)一步研究還發(fā)現(xiàn)了一種核酶能夠基于1條RNA模版合成第三條RNA。所以RNA能夠基于1條RNA模版合成第三條RNA，也就是說(shuō)，RNA能夠復(fù)制RNA，使遺傳信息得到傳遞，盡管所合成的第三條RNA的長(zhǎng)度僅為14個(gè)核苷酸（Science,2001,292:1319）。

上述研究結(jié)果，都極大地豐富了RNA的化學(xué)內(nèi)容，為RNA World學(xué)說(shuō)提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，表明早期生命活動(dòng)可能主要是通過(guò)RNA的催化實(shí)現(xiàn)的。“RNA World”是生命出現(xiàn)早期的一個(gè)非常重要的時(shí)期，這一時(shí)期或許根本沒(méi)有蛋白質(zhì)和DNA的出現(xiàn)。

RNA World的另一個(gè)解釋

前面曾提到病毒，這里就從病毒說(shuō)起。病毒是非細(xì)胞形態(tài)的生命體，具有一個(gè)核酸分子(DNA或RNA) 與蛋白質(zhì)外殼構(gòu)成的核—衣殼結(jié)構(gòu)。關(guān)于它的進(jìn)化地位目前雖有爭(zhēng)論。但引人注意的是以RNA為遺傳物質(zhì)的病毒，尤其是類病毒（僅由一個(gè)有感染性的RNA分子構(gòu)成）的存在，是否也證明了RNA分子功能上的特殊性? 病毒是如何起源的？它與其它物種的起源有什么關(guān)系？如果單純討論病毒自身的進(jìn)化,我們是否可以這樣認(rèn)為:先有類病毒,再演化為RNA 病毒,最終衍生為DNA 病毒？長(zhǎng)期以來(lái)，這個(gè)問(wèn)題一直困擾著進(jìn)化生物學(xué)家。

長(zhǎng)期以來(lái)有這樣一種假說(shuō)，該假說(shuō)認(rèn)為，病毒起源于細(xì)胞，病毒的基因來(lái)源于細(xì)胞基因，當(dāng)細(xì)胞基因的小片段從細(xì)胞基因組上逃逸后，被蛋白包裹起來(lái)，就形成了病毒。當(dāng)然，基于病毒的寄宿性，科學(xué)家有理由這樣認(rèn)為，因?yàn)椴《咎?jiǎn)單了，離開(kāi)了細(xì)胞他們就無(wú)法完成各種生命活動(dòng)。

然而長(zhǎng)期從事DNA復(fù)制機(jī)制研究的法國(guó)生物學(xué)家Patrick Forterre不這么認(rèn)為，它在研究DNA復(fù)制中發(fā)現(xiàn)，病毒的DNA復(fù)制酶和復(fù)制機(jī)制不同于細(xì)菌以及真核生物。如果病毒起源于細(xì)胞，那么它和細(xì)胞DNA的復(fù)制應(yīng)該是類似的。

與之相反，F(xiàn)orterre認(rèn)為病毒處在物種進(jìn)化的中心位置，并且其他物種的DNA都來(lái)自于病毒。他覺(jué)得RNA應(yīng)該是最早的遺傳信息的載體，在這期間形成了以RNA為基因組的類單細(xì)胞生物（被認(rèn)為是除原核生物，真核生物，古核生物之外的第四種尚未發(fā)現(xiàn)的新物種）。由于RNA的不穩(wěn)定，這些細(xì)胞的RNA極易形成小片段，這些小片段被蛋白質(zhì)包裹起來(lái)，就形成了最初的病毒。這些病毒去侵染細(xì)胞，遭到細(xì)胞的抵抗，細(xì)胞產(chǎn)生出降解RNA的蛋白，來(lái)分解外來(lái)的RNA。這就是現(xiàn)在細(xì)胞降解外源RNA（RNAi）機(jī)制的起源。病毒也在進(jìn)化，他們不斷的修飾自己的基因組，使之由單鏈變成雙鏈由RNA變成DNA，所以就更加穩(wěn)定，抵御住了宿主的降解。然后這些病毒就在宿主內(nèi)生活下去，由于DNA比RNA有更好的穩(wěn)定性，所以就取代了宿主RNA，成為胞內(nèi)唯一的遺傳物質(zhì)。所以，細(xì)胞DNA來(lái)源于病毒DNA，細(xì)胞核源于病毒。

這一假說(shuō)遭到很多人的質(zhì)疑，他們認(rèn)為在DNA出現(xiàn)之前，不可能存在如此復(fù)雜的生命系統(tǒng)，所以Patrick Forterre假說(shuō)的前體就不成立。不過(guò)Patrick Forterre說(shuō)：這些人的說(shuō)法和達(dá)爾文的進(jìn)化論相悖，因?yàn)閺腞NA到DNA才體現(xiàn)出進(jìn)化。

確實(shí)，從進(jìn)化的角度似乎應(yīng)該是先有RNA，后才出現(xiàn)DNA。除了上面的“蛋雞悖論”和“RNA World”假說(shuō)可以作為佐證之外，從純化學(xué)角度考慮也是如此：1）RNA分子比較簡(jiǎn)單，只有一條鏈，DNA分子卻很復(fù)雜，有兩條鏈，按照進(jìn)化規(guī)律，簡(jiǎn)單的分子總是最先出現(xiàn)；2）RNA分子中核糖的C2位上有羥基，較之DNA分子上的脫氧核糖，前者的化學(xué)性質(zhì)很活潑，從而使得RNA鏈不穩(wěn)定，按照從不穩(wěn)定向更穩(wěn)定的進(jìn)化方向，也是RNA先出現(xiàn)才對(duì)。

事實(shí)上，F(xiàn)orterre的假說(shuō)還是有一定合理性，今天的RNA干擾技術(shù)無(wú)疑就是對(duì)該假說(shuō)的絕佳證明。但讓人存在一些疑問(wèn)：1）以RNA為基因組的類細(xì)胞系統(tǒng)存不存在？2）該假說(shuō)為RNA向DNA的變遷提供了外來(lái)動(dòng)力（抵抗宿主的降解），其內(nèi)在機(jī)制又是什么？也就是說(shuō)為什么單鏈的RNA變成了雙鏈的DNA？3）RNA是如何實(shí)現(xiàn)向DNA的轉(zhuǎn)變的呢？

對(duì)于第一個(gè)疑問(wèn)的答案我們不得而知。對(duì)于第二點(diǎn)，一方面我們可以認(rèn)為是前面提到的DNA分子的相對(duì)穩(wěn)定性讓大自然選擇了它而擯棄了RNA，另一方面我們可以用加州Scripps研究所的Beier等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)解釋，他們?cè)诤铣蓪?shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)，RNA之所以在現(xiàn)在的生物體內(nèi)以部分雙鏈的形式存在，自然界之所以選擇了RNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，是因?yàn)槠浼婢吒叩逆I合強(qiáng)度和好的柔韌性，這樣可以更好的履行生命的職責(zé)（Science,1999,83:699）。而一旦RNA分子中的核糖被更穩(wěn)定的脫氧核糖所取代，其自然會(huì)朝著雙鏈DNA的方向進(jìn)化，這是由化學(xué)內(nèi)在機(jī)制決定的。

至于以RNA為遺傳物質(zhì)的早期生命如何將攜帶遺傳信息的能力傳給目前的DNA及將催化等功能移轉(zhuǎn)給蛋白質(zhì)等問(wèn)題也一直缺乏有說(shuō)服力的證據(jù)。特別是在功能方面，由于這取決于三維空間的排列方式，功能并無(wú)法如遺傳信息般，可經(jīng)由配對(duì)（base-pairing）方式有效實(shí)現(xiàn)DNA→RNA尤其是RNA→DNA（部分病毒內(nèi)）那樣的線性方式傳遞，造成生物分子間的功能傳遞機(jī)制始終不明。2006年，美國(guó)Scripps研究院的Gerald F. Joyce等人首先在R3C RNA（由57個(gè)核酸所組成的核酶）的基礎(chǔ)上先合成相對(duì)應(yīng)的DNA序列，當(dāng)然這一合成的DNA序列并不具任何催化活性。然后通過(guò)體外活體進(jìn)化技術(shù)（a process of accelerated in vitro evolution），研究人員成功地在試管中發(fā)現(xiàn)了一段具有和原始的核酶活性相當(dāng)?shù)腄NA序列，這證明了以核酸為基礎(chǔ)的遺傳信息系統(tǒng)之間除了遺傳信息可通過(guò)線性的方式傳遞，在一定次數(shù)的突變基礎(chǔ)上，功能也可以同樣的方式在兩系統(tǒng)之間進(jìn)行（Chemistry & Biology,2006,13:329）。第三個(gè)疑問(wèn)也被解決了。

關(guān)于Gerald F. Joyce，這里再多說(shuō)幾句。他1978年畢業(yè)于美國(guó)芝加哥大學(xué)，1984年在UCSD獲得博士學(xué)位，1985-1988年在Salk研究院做博后，1989起任Scripps研究院分子生物學(xué)系教授，研究領(lǐng)域包括RNA生物化學(xué)及通過(guò)體外進(jìn)化技術(shù)開(kāi)發(fā)新型RNA和DNA聚合酶。他對(duì)早期生命化學(xué)比較感興趣，認(rèn)為核酸是基因分子，其可以在試管中被擴(kuò)大和突變。利用核酸作為催化劑和基因分子的雙重性質(zhì)，他的實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)發(fā)明了體外RNA分子直接進(jìn)化技術(shù)，在試管中進(jìn)化核酸聚合酶的速度最高可達(dá)到每天一百代，大大快于自然界速度。他們利用這種體外進(jìn)化系統(tǒng)探索RNA的催化潛力，重點(diǎn)研究那些對(duì)自身有催化復(fù)制能力的RNA聚合酶。利用這種人工進(jìn)化系統(tǒng)及選擇和突變理論，Jocye揭示了新型RNA聚合酶可能在早期生命形成過(guò)程中扮演重要角色，向我們展示了從無(wú)生命的化學(xué)物質(zhì)如何進(jìn)化為生命體的過(guò)程。正是由于在該領(lǐng)域的杰出貢獻(xiàn)，他于2005年獲國(guó)際生命起源協(xié)會(huì)最高獎(jiǎng)Urey獎(jiǎng)。

Science上幾篇用于RNA World及生命起源解釋的研究論文

核糖體是將所有的生命中的遺傳信息翻譯成蛋白質(zhì)的分子工廠，首次得到的原子分辨率的一個(gè)大的核糖體子單位(ribosomal subunit)的結(jié)構(gòu)圖展示了一些出人意料的細(xì)節(jié)，增強(qiáng)了對(duì)地球上生命起源的“RNA世界”模型的支持。

Yale大學(xué)長(zhǎng)期從事核糖體研究的科學(xué)家Peter B. Moore和Thomas A. Steitz以及他們的同事們報(bào)告了來(lái)自嗜鹽細(xì)菌Haloarcula marismortui上的一個(gè)大的核糖體亞單位的分辨率為2.4埃的完整的原子結(jié)構(gòu)。這一亞單位包括兩個(gè)核糖體RNA(rRNA)分子和31個(gè)蛋白質(zhì)。這些研究人員發(fā)現(xiàn)rRNA域(domain)象核糖體中的3維拼圖玩具的組成部分那樣互瑣，從而構(gòu)成一個(gè)單一的實(shí)體。伴隨的球狀蛋白質(zhì)在核糖體外部圍繞著rRNA，有些蛋白質(zhì)的奇形怪狀的延伸進(jìn)入到核糖體的實(shí)體中。但核糖體上的活性部位(active sites)—那些催化蛋白肽鏈形成的地方—只包括rRNA。核糖體蛋白質(zhì)本身似乎不參與將遺傳信息變成蛋白質(zhì)的反應(yīng)，它們的作用也許類似于粘土或砂漿，將關(guān)鍵的rRNA“磚”粘在一起。

這篇長(zhǎng)達(dá)16頁(yè)的工作以article的形式發(fā)表在Science上（2000,289:905-920）。另外，在作為姊妹篇同時(shí)發(fā)表的第二篇文章中（Science,289:920-930），他們指出，上述結(jié)構(gòu)意味著核糖體實(shí)際上是一種核酶，既一個(gè)可以催化自身化學(xué)反應(yīng)的RNA分子。這個(gè)大的核糖體子單位包括了一個(gè)從它和一個(gè)小的核糖體子單位的接觸點(diǎn)到它后面的隧道(tunnel)，這個(gè)隧道是核糖體工廠“裝配線”的主要出口，在更多的氨基酸被加上去后，它將多肽鏈不斷地送出。在隧道的入口處一個(gè)深的裂縫的底部是肽鏈形成的活性部位，研究人員在這里仔細(xì)觀察了這個(gè)全RNA域的催化性能。

這些核糖體上的部位是從哪里、怎樣獲得催化能力的？在同一期上Science上還刊載了同在Yale大學(xué)分子生物物理與生物化學(xué)系工作的Gregory W. Muth的一篇文章（Science,289:947），根據(jù)嗜鹽細(xì)菌的研究者Gregory W. Muth及其同事對(duì)大腸桿菌(E. Coli)核糖體的活性部位的相應(yīng)工作，rRNA上一個(gè)似乎所有活著的物種都保留下來(lái)的位置上的單一核苷酸堿基，具有正合適的酸堿性質(zhì)從而能做肽鍵形成的質(zhì)子的供體和受體。這些核糖體中RNA的獨(dú)立和主角的作用可能進(jìn)一步支持了地球上的生命起源于RNA的觀點(diǎn)，因?yàn)镽NA是一個(gè)即能存儲(chǔ)遺傳信息又能催化反應(yīng)來(lái)繁殖其它分子的分子。

針對(duì)上述3項(xiàng)結(jié)果，最早發(fā)現(xiàn)ribozyme的Thomas R. Cech發(fā)表了他的perspective，討論了這些發(fā)現(xiàn)以及RNA世界的可能性（Science,289:879）。
說(shuō)了這么多，也該回到開(kāi)篇提到的有關(guān)“核糖開(kāi)關(guān)”的文章了。一些細(xì)菌能夠四處“游動(dòng)”，變形成新的形態(tài)，有時(shí)甚至變?yōu)閯《拘缘?，而所有這一切并不需要DNA的參與。鑒于RNA功能多樣性的諸多發(fā)現(xiàn)，人們很自然會(huì)想到是它在作祟。那么，RNA是如何調(diào)節(jié)基因的呢？ Ronald Breaker（又是Yale大學(xué)的，不過(guò)隸屬Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究所）和同事發(fā)現(xiàn)，僅有兩個(gè)核苷組成的名為cyclic di-GMP的RNA分子能夠激活一個(gè)更大的RNA結(jié)構(gòu)——核糖開(kāi)關(guān)（riboswitch）。核糖開(kāi)關(guān)能夠調(diào)控大量的生物活性，它們位于信使RNA的單鏈上并傳輸DNA的遺傳指令，能夠獨(dú)立決定該激活細(xì)胞里的哪些基因，而這曾被認(rèn)為是蛋白質(zhì)獨(dú)有的能力。Breaker實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)用化學(xué)方法制造出了核糖開(kāi)關(guān)。而自2002年以來(lái)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了大約20種天然的核糖開(kāi)關(guān)，其中大部分都藏在DNA的非基因編碼區(qū)。此次研究有助解釋與生命起源有關(guān)的問(wèn)題。也就是說(shuō)，數(shù)十億年前，包含RNA的單鏈核苷可能是生命的最初形式，執(zhí)行了目前由蛋白質(zhì)完成的一些復(fù)雜的細(xì)胞功能。Breaker認(rèn)為，核糖開(kāi)關(guān)在細(xì)菌中高度保存，表明了它們的重要性和古老血統(tǒng)（Science,2008,321:411）。

再說(shuō)RNA World假說(shuō)

在生命起源中，RNA先發(fā)生的學(xué)說(shuō)能夠被科學(xué)界更多的學(xué)者所接受，得益于上述關(guān)于RNA功能多樣性的發(fā)現(xiàn)。但是要想真正地證明RNA是最早發(fā)生的遺傳物質(zhì)，還存在很多的問(wèn)題，最大的問(wèn)題是，要想在模擬原始的條件下合成RNA非常困難。Joyce也認(rèn)為這是“RNA World”假說(shuō)中最薄弱的環(huán)節(jié)（Science,1989,246:1248）

前生物合成實(shí)驗(yàn)表明，在原始地球上，當(dāng)諸如水蒸氣、CO2和N2等氣體分子遇上閃電或太陽(yáng)紫外線照射時(shí)，可以生成大量氫氰酸和甲醛等，它們進(jìn)一步反應(yīng)則得到堿基。但是，進(jìn)化沒(méi)有明顯的理由從大量同分異構(gòu)體和結(jié)構(gòu)類似的產(chǎn)物中選擇這些堿基、還有核糖，而且還能形成指定的結(jié)合方式和完美的序列結(jié)構(gòu)。

這甚至讓人懷疑是一只“上帝之手”在秘密操控著這一切。1974年的諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)獲得者Christian de Duve即認(rèn)為“RNA World”太復(fù)雜很不可思議。在其1991年所著的Blueprint for a Cell一書(shū)中，de Duve提出了一個(gè)更古老的思想：生命起源于某種原始的新陳代謝。他認(rèn)為早期地球上隨意發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可能已經(jīng)產(chǎn)生出大量的多肽，它的周圍存在許多其它有機(jī)分子；許多這樣的化合物具有天然的催化性，它們一旦形成，能選擇性地控制原始化學(xué)反應(yīng)；于是某些物質(zhì)的濃度會(huì)優(yōu)先增加，然后依次開(kāi)始催化更進(jìn)一步的反應(yīng)；眾多的使催化劑和反應(yīng)產(chǎn)物相互聯(lián)系的網(wǎng)絡(luò)將減少副反應(yīng)，從而提供一種非遺傳的自然選擇模式，而這些被選出的催化劑正式今天生物體內(nèi)一些酶的原始祖先。de Duve的這一系統(tǒng)假說(shuō)實(shí)際上跟我前面博文中提到的不對(duì)稱自催化以及Wachtershauser的化學(xué)自養(yǎng)學(xué)說(shuō)是一致的，后兩者甚至可以說(shuō)是給de Duve的“細(xì)胞藍(lán)圖”假說(shuō)提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。然而，de Duve自己也承認(rèn)，在實(shí)驗(yàn)室中關(guān)鍵步驟一個(gè)也沒(méi)被證明。

我國(guó)科學(xué)家揭示阿爾茨海默癥致病新機(jī)制，這種機(jī)制的特點(diǎn)是什么？

中國(guó)科學(xué)家團(tuán)隊(duì)揭示了載脂蛋白E對(duì)神經(jīng)元的膽固醇代謝進(jìn)行重編程的機(jī)制，以及這種代謝調(diào)控對(duì)神經(jīng)元功能特別是學(xué)習(xí)記憶過(guò)程的影響，同時(shí)也揭示了載脂蛋白E4導(dǎo)致AD的全新機(jī)制，研究成果以論文形式發(fā)表在雜志上。

載脂蛋白E是大腦內(nèi)豐度最高的載脂蛋白之一，同時(shí)也是AD的最大風(fēng)險(xiǎn)因素，但是致病機(jī)制一直不清楚?？蒲腥藛T首先發(fā)現(xiàn)了膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)源的載脂蛋白E顯著抑制神經(jīng)元內(nèi)的膽固醇合成途徑上關(guān)鍵酶，從而對(duì)神經(jīng)元的膽固醇合成代謝進(jìn)行抑制。載脂蛋白E通過(guò)抑制膽固醇的合成顯著累積了膽固醇合成的前體乙酰輔酶A。該研究發(fā)現(xiàn)，載脂蛋白E可以通過(guò)上調(diào)細(xì)胞核內(nèi)乙酰輔酶A的水平，顯著增加組蛋白的乙酰化水平。

神經(jīng)元的功能，特別是學(xué)習(xí)記憶等認(rèn)知功能的實(shí)現(xiàn)需要基因表達(dá)的精確調(diào)控，而表觀遺傳調(diào)控機(jī)制，特別是組蛋白乙?；c該過(guò)程密切相關(guān)。該研究表明，載脂蛋白E通過(guò)調(diào)控乙?；M蛋白在啟動(dòng)子區(qū)的水平，調(diào)控早期應(yīng)答基因的轉(zhuǎn)錄。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)載脂蛋白E對(duì)神經(jīng)元的代謝調(diào)控是依賴于其所攜帶的mi RNA來(lái)實(shí)現(xiàn)的。重要的是，載脂蛋白E介導(dǎo)的神經(jīng)元的代謝和表觀遺傳調(diào)控表現(xiàn)為明顯的亞型特異性，載脂蛋白E4調(diào)控神經(jīng)元膽固醇代謝和表觀遺傳的能力顯著弱于載脂蛋白E3。這些結(jié)果揭示了載脂蛋白E4是通過(guò)對(duì)神經(jīng)元代謝和表觀遺傳的調(diào)控參與AD的病理進(jìn)程。

這一研究成果首次揭示了載脂蛋白E在大腦中的全新功能，闡明了膠質(zhì)細(xì)胞來(lái)源的載脂蛋白E通過(guò)調(diào)控神經(jīng)元的脂代謝和表觀遺傳過(guò)程影響學(xué)習(xí)記憶的新機(jī)制，同時(shí)也詮釋了載脂蛋白E4如何作為AD的高風(fēng)險(xiǎn)因子參與疾病的進(jìn)程，對(duì)深入理解AD癥的發(fā)病機(jī)制有著重要的意義。

?

阿爾茨海默癥(AD)是一種起病隱匿、進(jìn)行性發(fā)展的神經(jīng)系統(tǒng)退行性疾病，主要發(fā)生于老年人群，且隨著年齡的增長(zhǎng)患病率顯著升高?；颊咧饕憩F(xiàn)為記憶等認(rèn)知或行為改變,目前病因不明。

AD是不斷進(jìn)展的：輕度癥狀主要表現(xiàn)為記憶力下降，但生活仍能自理；中度癥狀表現(xiàn)為記憶力繼續(xù)衰退，存在明顯的認(rèn)知缺陷，容易迷路，生活上需要照顧。重度癥狀表現(xiàn)為智力嚴(yán)重衰退，不能獨(dú)立進(jìn)行室外活動(dòng)，和自理障礙。

在疾病進(jìn)展過(guò)程中，患者還會(huì)出現(xiàn)情緒和人格上的改變。心理和行為干預(yù)和必要時(shí)的藥物治療可以適當(dāng)改善。起病隱匿，早期癥狀不明顯，如果出現(xiàn)記憶力減退、計(jì)劃和解決問(wèn)題的能力下降、時(shí)間和空間混淆等異常情況，應(yīng)立即就醫(yī)，早期診斷早期治療能夠更大程度地延緩疾病進(jìn)展。

該病目前無(wú)法治愈，沒(méi)有特別有效的治療方法，但藥物治療能夠有效延緩疾病進(jìn)展，改善癥狀并有可能延長(zhǎng)生存期，需要加強(qiáng)照護(hù)。作為家屬，應(yīng)為患者創(chuàng)造一個(gè)良好的環(huán)境：確?；颊呔蛹野踩?盡量讓患者處在熟悉的環(huán)境，并建立規(guī)律的生活習(xí)慣。堅(jiān)持鍛煉和健康飲食有助預(yù)防。

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