脊髓背角“mGluR5/ERK信号通路”对甘氨酸受体的α1L亚基的特异性抑制作用

Glycine receptors are chloride channels composed of α (α1-α4) and β subunits, which mediate inhibitory synaptic transmission. The persistent decrease of glycinergic synaptic efficacy has been deemed one of the important mechanisms for central sensitization. In spinal cord dorsal horn of adult animals, α1 is the most abundant functional subunit. Alternative splicing can generate another longer α1 isoform---α1L (also referred to as α1ins). Our preliminary experiments, when exploring the mechanisms for the regulation of glycine receptors, unveiled that metabotropic glutamate receptor mGluR5, an important player involved in nociceptive modification, was able to specifically inhibit α1L and induce a sustained depression of glycinergic transmission through Extracellular signal-Regulated Kinase (ERK) activation. Comprehensive analysis of the amino acid sequence of α1L revealed that this longer isoform contained a consensus ERK binding motif (D-docking site) and a potential ERK phosphorylation site. Following brief mGluR5 activation, the persistent depression of α1L currents was associated with a significant phosphorylation of α1L. Based on these novel observations, the applicants put forward the following hypothesis: mGluR5-stimulated ERK specifically interacts with and phosphorylates α1L, leading to the long-lasting inhibition of glycinergic synaptic transmission in pathological pain.

甘氨酸受体是由α (α1-α4)、β亚基组成的氯离子通道，介导抑制性的突触传递；其传递效率的持久减弱，被认为是中枢敏化形成的重要机制。在成年动物的脊髓背角，α1是含量最高的功能亚基；基因的选择性剪接还会产生α1的一种长链亚型---α1L (或称α1ins)。申请者的预实验，在探讨甘氨酸受体的调节机制时，发现：一种重要的痛觉调制蛋白---代谢型谷氨酸受体mGluR5，能够特异性抑制α1L、持久减弱甘氨酸能突触传递，而这一作用依赖于ERK (细胞外信号调节激酶)的激活。深入解析α1L的结构特征，申请者发现：α1L不仅包含经典的ERK结合序列 (D-停泊位点)，还包含一个潜在的ERK磷酸化位点；瞬时激动mGluR5，在持久抑制α1L通道电流的同时，会显著提高α1L的磷酸化水平。基于此，申请者提出：mGluR5激活的ERK，特异性结合并磷酸化α1L，长时程抑制甘氨酸能突触传递并参与病理性疼痛的形成

抑制性甘氨酸能突触传递的持久减弱，是中枢敏化形成的重要机制。在成年动物的脊髓背角，由α1亚基构成的甘氨酸受体介导绝大部分的甘氨酸能突触电流。mRNA的选择性剪接，会产生一种α1的异构体，即α1ins。但α1ins的功能及其调控机制却不清楚。本项目旨在探讨α1ins在脊髓痛觉传递中的作用及其病理学意义。研究结果显示：α1ins分布于脊髓背角的浅层，并定位于抑制性突触之中，参与抑制性甘氨酸能突触传递。shRNA干扰α1ins的表达，会明显提高脊髓背角神经元的兴奋性，诱发痛觉敏化。代谢型谷氨酸受体mGluR5激活的ERK，能够特异性结合于α1ins的第316-334位氨基酸，催化α1ins的第380位丝氨酸 (Ser380) 发生磷酸化，诱导膜表面α1ins的内陷，降低α1ins的电流幅值，持久减弱甘氨酸能突触抑制效率。外周炎性损伤，通过mGluR5/ERK信号通路，增强活化的ERK与α1ins的分子结合，提高Ser380的磷酸化水平，诱发甘氨酸能“去”抑制。一段融合了TAT蛋白转导肽的、α1ins亚基第316-334位氨基酸序列的模拟多肽链 (TAT-pep-α1ins)，能够剂量依赖性地打断体内外α1ins与ERK的结合，抑制ERK对α1ins的Ser380的磷酸化修饰，增强甘氨酸能突触传递，有效缓解mGluR5引发的自发性疼痛以及福尔马林诱发的炎性疼痛症状。本项目的研究，深入揭示了mGluR5/ERK信号通路在特异性下调α1ins介导的甘氨酸能突触抑制中的作用及其分子机制，并在此基础上，发现了干扰ERK与α1ins的分子结合在镇痛治疗中的价值。