学习笔记：胆碱能系统（Cholinergic System）

本文内容基于Pedro Merino所著的《Chemical Biology of Neurodegeneration: A Molecular Approach》。除了对原本内容的翻译外，对个别不清晰的地方作了一些额外的阐释。此外，由于学习侧重点不同，本文对于受体结构方面的详细内容予以略过，未来可能会根据个人的学习要求再添加一些细节。

一、介绍

胆碱能系统与多种认知功能有关，包括记忆（Memory）、选择性注意（Selective Attention）和情绪处理（Emotional Processing）。胆碱能系统由有组织的神经细胞组成，它结合了两组主要的胆碱能投射：

（1）大细胞基底前脑胆碱能系统（The Magnocellular Basal Forebrain Cholinergic System）

大细胞基底前脑胆碱能系统包括内侧隔核（Medial Septal, MS）、布洛卡斜带（the Diagonal Band of Broca）的垂直和水平分支（Vertical and Horizontal Limbs）和大细胞基底核（Nucleus Basalis Magnocellularis, nBM）。DB和nBM的分支有到新皮层（Neocortex）以及基底外侧杏仁核（Basolateral Amygdala）和嗅球（Olfactory Bulb）有广泛的弥漫性投射。MS和DB的垂直分支指向海马（Hippocampus）和内嗅皮质（Entorhinal Cortices）。

（2）脑干胆碱能系统（The Brainstem Cholinergic System）

脑干胆碱能系统包括脑桥尾被核（Pedunculopontine Tegmental Nucleus, PPT或Pedunculotegmental Nucleus, PTg）和脑桥侧背被核（Laterodorsal Pontine Tegmentum, LPT或Laterodorsal Tegmental Nucleus, LDTg），主要投射到丘脑（Thalamus）和基底前脑（Basal Forebrain）区。前脑系统参与信噪比的提高，因此它与觉醒（arousal）密切相关，特别是警觉过程（vigilance processes）。此外，它有助于记忆编码和工作记忆过程。脑干系统参与睡眠-清醒循环。

胆碱能系统功能障碍已在几种神经退行性疾病中观察到，包括阿尔茨海默症（Alzheimer’s disease）、路易体痴呆（Lewy body dementia）、亨丁顿舞蹈症（Huntington’s Disease）和重症肌无力（Myasthenia Gravis）。最近的研究将多发性硬化症（Multiple Sclerosis）的神经系统功能障碍与炎症和胆碱能系统改变联系起来。在帕金森病（Parkinson’s Disease）中也观察到胆碱能活性降低。尽管最初存在一些争议，但精神分裂症（Schizophrenia ）也被认为与胆碱能功能障碍有关。确定这些神经疾病与胆碱能系统之间的因果关系是当前的研究热点。

胆碱能系统以乙酰胆碱（Acetylcholine, ACh）为神经递质。乙酰胆碱是由胆碱（Choline）和作为活化乙酰来源的乙酰辅酶A（Acetyl Coenzyme A）在胆碱乙酰转移酶（Choline Acetyl Transferase, CHAT）的催化下一步合成的。乙酰辅酶A在线粒体有氧呼吸的过程中产生，通过钙依赖性转移进入胆碱能神经元细胞质中。乙酰胆碱一旦形成，就会迅速被突触囊泡吸收。该过程通过ATP依赖型泵（ATP‐dependent Pump）实现。ATP依赖型泵将质子移入囊泡，使囊泡酸化。在酸化后的囊泡中，囊泡乙酰胆碱转运体（Vesicular Acetylcholine Transporter, VAChT）利用质子交换乙酰胆碱分子。这种质子和乙酰胆碱的耦合双逆向转运使囊泡保持等渗和电中性。当动作电位到达突触前神经元末端时，电压依赖性钙通道（Voltage-Gated Calcium Channel, VDCCs）打开，钙离子流入突触前神经元的细胞质。钙离子的内流导致含有神经递质的囊泡对接和融合到突触前神经元的细胞膜上，从而将乙酰胆碱释放到突触间隙中。乙酰胆碱扩散到突触间隙并与胆碱能受体结合。

乙酰胆碱受体分为两种——尼古丁型受体（Nicotinic, nAChR；也称烟碱型受体）和毒蕈碱受体（Muscarinic, mAChR）。尼古丁型受体是配体控制的离子通道。当它们与乙酰胆碱结合时，允许钠离子流入细胞，钾离子流出细胞。毒蕈碱受体是G蛋白偶联受体（M1~M5），其中M1，M3和M5与Gq/11蛋白偶联，而M2和M4与Gi/o蛋白偶联。乙酰胆碱仅与受体短暂结合，解离后即被乙酰胆碱酯酶（Acetylcholine Esterase, AChE）降解，产生一个胆碱分子与乙酸根离子。该胆碱通过胆碱转运体（ChT, Choline Transporter）的再摄取被转运回突触前末端，以被用来合成新的乙酰胆碱。

二、胆碱能受体（Cholinergic Receptors）

1. 分类

介绍中提到的两种胆碱能受体亚型，尼古丁型受体（Nicotinic, nAChR）和毒蕈碱受体（Muscarinic, mAChR），是根据激动剂药理选择性的早期研究确定的。尼古丁受体是兴奋性的，受尼古丁刺激，对刺激反应迅速。毒蕈碱受体受毒蕈碱刺激，可以是兴奋性的，也可以是抑制性的，取决于与其偶联的G蛋白，并且对刺激的反应较慢。受体之间并不相同，在两种受体内部还存在多种亚型。

尼古丁型受体可以根据其是神经肌肉受体（Neuromuscular, N1）还是神经节受体（Ganglionic, N2）再细分。神经节尼古丁型受体表现出与神经肌肉型尼古丁型受体不同的配体特异性。尼古丁型受体由不同的亚基组成，按分子量增加的顺序分别命名为α、β、γ和δ。当神经元nAChR亚基具有激动剂结合特性所需的邻近半胱氨酸（Vicinal Cysteines）时，它们被归类为“α”。α1亚基存在于肌肉中，α2 -α10为神经元亚基。“β”亚基缺乏邻近半胱氨酸，其中，β1在肌肉中，而β2 -β4在神经元中。

采用H-3标记的有放射性的乙酰胆碱，尼古丁和以I-125标记的拮抗剂α‐Bungarotoxin（α‐Bgtx，金环蛇毒素，一种神经毒性蛋白）进行配体结合试验，可以进一步对nAChR进行分类。nAChR亚型主要分为两类：

（i）α‐Bgtx敏感受体，由α7、α8、α9和/或α10亚基组成，可以形成同质或异质结构；

（ii）α‐Bgtx不敏感受体，由α和β亚基组成，只能形成异质结构。这些受体与高亲和力的激动剂结合，但不与α‐Bgtx结合。

根据药理研究和分子克隆实验，毒蕈碱受体被细分为5个亚型（M1-M5）。M1亚型对哌仑西平（pirenzepine）敏感，而M2亚型不敏感。M3对哌仑西平、AF‐DX 116（哌仑西平类似物）、HHSiD和4‐DAMP具有亲和力，而美索曲明（methoctramine）亲和性的差异提供了M4亚型的证据。最后，通过分子克隆手段发现了M5亚型，该亚型与其他4种亚型相比没有明显的药理特征。有关毒蕈碱受体药理和生理特性的详细信息，可参考已发表的综述，包括2012年发表了一篇关于毒蕈碱受体（包括中枢神经系统中的毒蕈碱受体）的药理学和信号传导的综合论文。

2. 位置

尼古丁型受体（nAChR）位于骨骼肌的神经肌肉节点，肾上腺髓质和自主神经节，分为肌肉型（N1）和神经元型（N2）两种 。神经元型尼古丁受体受体广泛分布于人脑中，并在突触前膜起作用，调节几种中枢神经系统递质的释放。一些研究表明谷氨酸能（Glutamatergic）、多巴胺能（Dopaminergic）、血清素能（Serotonergic）、肽能（Peptidergic）和胆碱能（Cholinergic ）通路受突触前尼古丁型受体的控制。尼古丁型乙酰胆碱受体主要位于与认知功能有关的终端前（Preterminal）和突触（Presynaptic ）前部位。在中枢和周围神经系统中,至少有12种不同的基因编码神经元尼古丁型受体亚基（α2 -α10和β2 -β4）。α3亚基多见于外周神经节，常伴有β2、β4、α5亚基；α4β2亚基组合在中枢神经系统中占主导地位。纹状体中存在α4、α5、α6、β2和β3亚基的四种排列，它们介导多巴胺的释放。α4亚基几乎只存在于中枢神经系统神经元中，而α9和α10在中枢神经系统中不表达，但存在于部分感觉神经元中。

毒蕈碱受体在大脑中的位置取决于具体的亚型。M1和M4受体位于纹状体（Striatum）、皮层（Cortex）和海马（Hippocampus ）中，M2受体位于前脑（Forebrain）和丘脑（Thalamus），M3受体位于下丘脑（Hippocampus），M5受体位于基底节区（Basal Ganglia）、脑血管（Brain Vasculature）和多巴胺能神经元中。值得注意的是，基于mRNA检测，M5被发现是黑质致密部（Substantia Nigra Pars Compacta）中唯一观察到的毒蕈碱受体。此外，所有毒蕈碱受体均在小鼠脑微血管内皮细胞中表达。

3. 尼古丁型受体

尼古丁型受体一直是深入研究的重点，因为从电鳗（Electric Eel, Electrophorus Electricus）和电鳐（Marine Ray, Torpedo californica）的电器官中可以获得方便地获得nAChR。本节将重点关注大脑中的尼古丁受体（N2）。

尼古丁型受体是配体门控离子通道受体，在结构和功能上与γ -氨基丁酸（γ‐aminobutyric acid, GABA）和5 -羟色胺（5 - HT3）等其他配体门控离子通道受体密切相关。目前已经对尼古丁肌型受体进行了一些结构研究，然而，神经元型nAChR来源稀缺，限制了对该亚型的初步研究。

肌型受体包括四种不同的亚基α、β、γ（或ε）和δ，它们在胚胎形态中排列为(α1)2βγδ，在成体形态中排列为(α1)2βεδ。神经元nAChR也具有五聚体结构，由五个跨膜亚基（α2 - α10）和（β2 -β4）围绕中心孔排列组成。α亚基与肌肉型中的α1亚基序列相似，并参与配体结合界面。α7 -α10亚基为同聚体，意味着它们形成仅由一种亚基组成的功能性nAChR（如α7 nAChR由五个α7亚基组成），α2 -α6和β2 -β4亚基为异聚体，意味着它们结合不同的亚基类型以形成功能性nAChR（如由两个α4亚基和三个β2亚基组成的常见nAChR亚型）。

（1）效应机理（Effector Mechanisms）

尼古丁型受体是离子型受体，通过其钙的渗透性促进突触可塑性。在大脑中，尼古丁型受体密切参与多种钙依赖过程。nAChR介导的下游信号事件可分为：

（i）瞬时效应（如神经递质释放）；

（ii）激酶和磷酸酶介导的短期效应（如通过细胞信号级联恢复nAChR脱敏，desensitization）；

（iii）转录调节剂介导的长期效应（如通过基因表达的神经保护）。

（2）对神经疾病的启示

神经元尼古丁乙酰胆碱受体参与许多生理和行为过程。它们与许多神经精神疾病以及成年和发育年龄的病理状况有关，如阿尔茨海默症和帕金森病。参与注意（Attention）、学习（Learning）、记忆（Memory）、感知（Perception）和意识（Consciousness）的胆碱能神经元的丧失在阿兹海默症中尤为重要。通过C-11标记的尼古丁和正电子发射断层扫描（Positron Emission Tomography, PET）研究发现，阿尔茨海默病患者大脑中的nAChR显著减少。神经元nAChR受体与神经退行性变密切相关；它们与精神分裂症（Schizophrenia）、妥瑞氏综合征（Tourette’s Syndrome）、焦虑（Anxiety）、抑郁（Depression）、癫痫（Epilepsy）和自身免疫性疾病（Autoimmune Diseases）有关。在神经元nAChR亚基中自然发生的多态性（polymorphisms）是神经和精神疾病的危险因素之一。含α7亚基的尼古丁型受体与精神分裂症密切相关，其功能障碍或表达失调存在于神经系统的各种病理生理状况中，包括神经退行性疾病和神经发育障碍。鉴于nAChR在调节多巴胺神经元活动中的作用，含有α7亚基的尼古丁受体最近也被确定为是帕金森病的治疗靶点之一。

4. 毒蕈碱型受体

毒蕈碱型受体分为M1-M5型，主要出现在中枢神经系统中，具有典型的GPCR跨膜结构域（Transmembrane Domains）特点。mAChR的整个基因家族显示出26.3%的氨基酸同源性，但在胞内环（Intracellular Loops）上受体亚型之间的差异较大。最可变的第三个胞内环只显示了受体之间2.7％的相似性，而在保守的跨膜结构域中，平均相似性为66％。乙酰胆碱与结合口袋（Binding Pocket）的外部区域结合，其中一个关键的Asp105稳定正电氮。Asp105在大多数GPCR中保守，但在毒蕈碱受体中有六个独特的氨基酸残基：Thr231、Thr234、Tyr148、Tyr506、Ty529和Tyr533。乙酰胆碱与毒蕈碱型受体的结合引起构象变化，从而激活偶联的G蛋白。

毒蕈碱配体的结合发生在跨膜区域TM3、TM5、TM6和TM7深处的一个高度保守的口袋（Pocket）上。除了正构位点（受体上的天然配体结合位点）外，毒蕈碱受体还有几个变构位点，变构配体通过与变构位点结合来调节正构配体与正构位点的结合，从而影响受体的功能。与经典的正构配体相比，GPCR的变构调节作为治疗配体具有一些优势，特别是选择性和安全性。毒蕈碱受体不同的变构结合位点为选择性靶向提供了巨大的潜力，人们对开发变构激活剂进行了研究，包括正变构调节剂和变构激动剂。X射线晶体学对正构位和变构位的研究阐明了GPCR功能的结构基础。

（1）效应机理（Effector Mechanisms）

毒蕈碱受体以不同的方式激活G蛋白。M1、M3和M5型mAChR与Gq/11家族的G蛋白结合，增加磷酸肌肽特异性磷脂酶C （Phosphoinositide-specific Phospholipase C, PLC）的活性。这种活性导致肌醇1,4,5 -三磷酸（inositol 1,4,5-triphosphate）和二酰基甘油（diacylglycerol）的形成，第二信使负责细胞内钙的动员、蛋白激酶C （Protein Kinase C, PKC）和有丝分裂原活化蛋白激酶（Mitogen-activated Protein Kinase, MAPK）的激活。M2和M4 型mAChR与Gi/o偶联，可抑制腺苷酸环化酶（Adenylyl Cyclase）。随后cAMP的减少导致蛋白激酶A（Protein Kinase A）活性的降低。M2和M4受体也可以激活G蛋白偶联内向整流型钾离子通道（G protein-coupled Inwardly Rectifying Potassium Channels, GIRKs），从而导致膜超极化。这些受体也能够抑制电压依赖性钙通道（Voltage-dependent Calcium Channel, VDCC）的开放，从而降低胞内钙离子浓度，阻止MAPK的激活。

根据偶联的G蛋白，可以认为M1、M3和M5型毒蕈碱受体的作用与5‐HT2A‐2C血清素能受体和α - 1肾上腺素能受体（Adrenergic Receptors）平行，而M2和M4受体与5‐HT1A‐1F/5血清素能受体、D2‐型多巴胺能受体和α2肾上腺素能受体平行。

（2）对神经疾病的启示

毒蕈碱受体与精神和神经疾病的病理生理有关，特别是它们参与了情绪障碍（Mood Disorders）和精神分裂症等精神疾病的病理生理。M1和M4受体与学习、记忆和认知有关。这些受体的激活已被研究作为阿尔茨海默病的潜在治疗方法。精神分裂症和药物成瘾（Drug Addiction）也与M1和M4受体有关。M2受体的遗传变异与酗酒（Alcoholism）和重度抑郁症（Major Depressive Disorder）有关。

在纹状体中，多巴胺能够通过两种方式释放：一种是通过经典的突触释放，另一种是通过非经典的突触外释放。非经典的突触外释放通常发生在神经元的突触后膜上，它能够通过调节钙离子信号来影响多巴胺的释放。由于M5受体能够通过激活Gq/11蛋白来增加细胞内的IP3和DAG水平，激活钙离子通道，促进钙离子内流，引发细胞内的钙离子信号，促进囊泡与细胞膜的融合，从而促进纹状体突触后膜多巴胺的释放，它被认为是治疗药物滥用的可能靶点（Drug Abuse）。

三、参考文献

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

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