谷氨酸调控神经元锌离子信号通路的新机制：解锁神经活动奥秘

在神经系统中，Zn2+对神经元信号传导至关重要，但生理刺激下其浓度变化机制不明。研究人员以原代培养大鼠胚胎皮质神经元为对象，探究谷氨酸对 [Zn2+]i的影响。结果发现谷氨酸经 CaM-CaMKII-NOS 级联提升 [Zn2+]i并引发炎症，为神经活动研究提供新视角。

　　在神经科学领域，Zn²⁺作为一种关键的微量元素，在神经元的生命活动中扮演着极为重要的角色。它广泛参与多种生理过程，是众多蛋白质的结构或催化组成部分，对维持细胞内的正常生理功能不可或缺。然而，如同任何事物都具有两面性，Zn²⁺浓度的失衡会带来严重后果，与多种神经退行性疾病以及精神障碍的发生发展密切相关。比如，在阿尔茨海默病患者的大脑中，就存在 Zn²⁺代谢紊乱的现象，这可能进一步加剧神经元的损伤和死亡。

尽管细胞内拥有一套精密的缓冲系统来维持胞质内 Zn²⁺浓度（[Zn²⁺]_i）在极低水平（pM - 低 nM）的稳定，但在正常神经传递过程中，面对各种生理刺激，神经元内 [Zn²⁺]_i究竟如何变化，目前这方面的研究还十分有限。以往多数研究聚焦于氧化应激等损伤因素对 [Zn²⁺]_i的影响，却忽略了正常生理状态下的变化机制。就像在黑暗中摸索，我们知道 Zn²⁺很重要，可在正常生理刺激下它是如何 “工作” 的，依旧迷雾重重。为了填补这一知识空白，深入了解神经活动的奥秘，来自台湾大学的研究人员展开了一项极具意义的研究。

该研究发表在《Scientific Reports》上，研究人员将目光聚焦于谷氨酸这一神经系统中最常见的兴奋性神经递质。他们推测谷氨酸或许在调节 [Zn²⁺]_i方面发挥着关键作用，于是设计了一系列实验进行验证。

在实验过程中，研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：

• 荧光成像技术：利用 FluoZin - 3、Fluo - 2 AM、DAF - FM 等荧光染料，分别对细胞内的 Zn²⁺、Ca²⁺和 NO 进行标记，通过观察荧光强度的变化，实时监测这些离子和分子在细胞内的动态变化情况。
• 免疫染色技术：针对炎症小体标记物 NLRP3 进行免疫染色，以此来评估谷氨酸处理后神经元内炎症反应的变化。
• Western blot 技术：用于检测神经元内 nNOS 不同位点的磷酸化水平，进而探究相关信号通路的激活情况。

研究结果如下：

• 谷氨酸对 [Zn²⁺]_i的影响：研究人员通过实验发现，谷氨酸能够剂量依赖性地提升原代培养皮质神经元内的 [Zn²⁺]_i。在给予谷氨酸刺激后，神经元内的荧光强度会逐渐增加，并且这种增加具有明显的剂量依赖性。计算得出其半数有效浓度（EC₅₀）为 7.9 ± 1.3 μM，这一数值与离子型谷氨酸受体（iGluRs）对谷氨酸的结合亲和力相符。
• iGluRs 的作用：为了明确是哪种谷氨酸受体介导了 [Zn²⁺]_i的升高，研究人员使用了针对不同谷氨酸受体的激动剂和拮抗剂。结果显示，离子型谷氨酸受体（iGluRs）中的 AMPA 受体和 NMDA 受体激动剂均能显著提升 [Zn²⁺]_i，而应用它们的拮抗剂则会抑制谷氨酸诱导的 [Zn²⁺]_i升高。相反，代谢型谷氨酸受体（mGluRs）的激动剂对 [Zn²⁺]_i几乎没有影响。这表明 iGluRs 是谷氨酸诱导 [Zn²⁺]_i升高的主要介导者。
• 相关信号通路：研究人员进一步探究了谷氨酸诱导 [Zn²⁺]_i升高的信号通路。他们发现，钙调蛋白（CaM）、钙调蛋白依赖性蛋白激酶 II（CaMKII）和一氧化氮合酶（NOS）的抑制剂均能有效抑制谷氨酸诱导的 [Zn²⁺]_i升高。同时，抑制 CaM 和 CaMKII 还会减少谷氨酸诱导的 NO 生成。此外，谷氨酸能够使 nNOS 的 Ser¹⁴¹⁷位点磷酸化水平在 15 分钟时短暂升高，随后下降。这一系列结果表明，谷氨酸通过激活 CaM - CaMKII - NOS 信号级联反应，促使 NO 合成，进而提升 [Zn²⁺]_i。
• 膜去极化的影响：研究人员还对比了直接膜去极化和谷氨酸刺激对神经元的影响。使用高钾（High - K⁺）缓冲液使细胞去极化，虽然能显著提升细胞内 Ca²⁺浓度（[Ca²⁺]_i），但对 NO 生成和 [Zn²⁺]_i的提升作用却十分有限。这说明离子通道介导的 Ca²⁺内流方式会影响 CaM - CaMKII - nNOS 信号级联的激活以及 [Zn²⁺]_i的升高。
• 炎症反应与 Zn²⁺的关系：研究发现，谷氨酸诱导的 NLRP3 炎症小体形成依赖于 Zn²⁺。使用 Zn²⁺螯合剂 TPEN 预处理神经元后，能明显抑制谷氨酸诱导的 NLRP3 免疫荧光强度增加，这表明 Zn²⁺在谷氨酸诱导的炎症反应中起着关键作用。

综合上述研究结果，研究人员得出结论：谷氨酸作为神经系统中重要的兴奋性神经递质，在神经传递过程中，能够通过离子型谷氨酸受体（iGluRs）引发细胞内 Ca²⁺浓度的局部升高，进而激活 CaM - CaMKII - NOS 信号复合体，促使 NO 生成。NO 的产生会使 Zn²⁺从金属硫蛋白中释放出来，逐渐提升 [Zn²⁺]_i，最终引发神经元的炎症反应。这一发现揭示了一条全新的谷氨酸 - Zn²⁺信号通路，为深入理解神经活动的调节机制提供了崭新的视角。它不仅有助于我们进一步了解正常神经传递过程中 Zn²⁺信号的调控，还为研究神经退行性疾病和精神障碍的发病机制提供了新的方向，为未来开发相关疾病的治疗策略奠定了重要的理论基础。