癫痫是常见的神经系统疾病之一，为脑部神经元高度同步化异常放电，其发病机制尚不明确。海马结构的苔藓纤维出芽和突触重塑学说是其形成的主要病理基础，也是癫痫长期、反复发作的重要原因。活性调节的细胞骨架蛋白(Activity regulated cytoskeletal protein，Arc)是一种谷氨酸神经元突触后细胞骨架相关蛋白，属于即刻早期基因，在脊椎动物中高度保守，被认为是参与突触重塑的重要因子。现将Arc的表达转录特征、Arc参与神经元细胞突触可塑性的结构性和功能性改变、突触可塑性参与海马苔藓纤维出芽诱发癫痫的发病、Arc通过调控海马神经元细胞突触可塑性及MFS参与癫痫的发病进行阐述，为研究Arc的突触可塑性作用为阐明癫痫致病机制提供新的方向和思路。
引用本文： 颜艳, 罗朝辉, 龙泓羽, 肖波. Arc调控神经元突触可塑性作用. 癫痫杂志, 2016, 2(2): 141-144. doi: 10.7507/2096-0247.20160027 复制
癫痫是常见的神经系统疾病之一，表现为脑部神经元高度同步化异常放电，其发病机制尚不明确[1]。有研究显示，海马结构的苔藓纤维出芽和突触重塑学说是其形成的主要病理基础，也是癫痫长期、反复发作的重要原因[2]。活性调节的细胞骨架蛋白(Activity regulated cytoskeletal protein，Arc)是一种谷氨酸神经元突触后细胞骨架相关蛋白，属于即刻早期基因，在脊椎动物中高度保守，被认为是参与突触重塑的重要因子[3, 4]。本综述将重点阐述Arc参与调控神经元突触可塑性作用及癫痫之间的关系。
1 Arc的表达转录特征
人类Arc基因位于8号染色体q24.3，其上游存在多个转录因子，如血清反应元件(Serum response factor,SRF)、血清反应因子(Serum response element,SRE)和“Zeste-like”反应因子(Zeste-like response element,ZRE)等[5]。当N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)、酪氨酸激酶受体B(Tyrosine receptor kinase B,TrkB)、毒蕈碱乙酰胆碱受体(Muscarinic acetylcholine receptor,mAChR)、代谢型谷氨酸受体1(Metabotro-pic glutamate receptors,mGluR1)等被激活后，神经元可通过一系列级联反应激活ERK通路，进而激活Arc上游的转录因子，促使Arc转录表达[6]。Giorgi等研究表明Arc转录表达是一种已知的nonsense介导的RNA衰减(Nonsense mediated decay of RNA，NMD)生理过程[7]。NMD 作为质量控制监测元件可以快速消除异常mRNA及拼接位点上游的终止密码子。Arc 可以作为 NMD 的靶标，因为Arc 3′UTR 存在2个内含子，导致外显子连接复合物在密码子下游终止组装。Arc基因可以迅速表达又可以通过 NMD 快速降解，是Arc一个非常独特的表达特点，有利于维持参与长时程增强(Long-term potentiation,LTP)新的 Arc mRNA 的需求。
Arc蛋白在正常生理条件下表达不活跃，当海马神经元受到痫性发作[5]、学习训练[8]、高频电刺激(HFS)[9]、脑源性神经生长因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)[6]、 LTP等[10]刺激后，Arc基因转录可被迅速激活，随后其mRNA被核糖蛋白体迅速运输至神经元的树突，并马上被翻译成Arc蛋白，与神经元骨架相互作用参与神经元突触可塑性。Arc可选择性的表达于钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ阳性的谷氨酸能神经元(CaMKII-positive glutamatergic neurons)和突触后致密区(Postsynaptic density，PSD)[11]。1999年，Guzowski等提出将Arc mRNA作为一种标记来研究神经元网络。大量研究表明，当神经元受到刺激后，很容易在神经元树突上发现Arc mRNA表达升高，随后，有更多研究显示，Arc的表达已经成为整个大脑神经元活性的一种标记[8-11]。Chowdhury等[12]通过Arc基因敲除小鼠的海马神经元培养发现，α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid,AMPA)受体的表达增加了两倍，微兴奋性突触后电流增加(Micro excitatory postsynaptic current,mEPSC)，而它的内吞作用减少，提示Arc有调节AMPA受体运输的功能，参与AMPA受体的内吞作用和胞吐作用。
2 Arc参与神经元细胞突触可塑性的结构性和功能性改变
目前，突触可塑性有几种形式，包括突触的结构可塑性和功能可塑性。突触结构可塑性主要是指树突棘的形态变化。Peebles等[13]发现在海马神经元内，Arc过表达使树突棘密度增加，而抑制Arc表达则使树突棘密度减少，实验还表明Arc和调控肌动蛋白成核现象的Wave3相互作用从而影响树突棘形态的分布，Arc使海马神经元树突细棘(也叫学习树突，具有更强的可塑性)比例明显增加，蘑菇状棘突比例减少，表明Arc在新记忆的形成和旧记忆的遗忘中起重要作用[14]。
突触功能可塑性包括LTP和长时程抑制(Long-term depression,LTD)。LTP最初是在兔海马中发现，是指发生在两个神经元信号传输中的一种持久的增强现象，能够同步刺激两个神经元[15]。LTP被公认为是反应突触可塑性形象机制的理想模型,可以明确反应出突触水平信息的传递、获取及存储过程[10]。与之现象相反的是LTD，两者都被认为与学习记忆有密切关系[6]。2000年，Guzowski等[16]在高频刺激后将Arc反义寡核苷酸(AOD)注入大鼠的海马体中，以阻止短暂Arc mRNA或其蛋白质增加。在前1h内对于LTP影响其微，但之后LTP发生了衰减，在第5天时，LTP的表达水平回归基线，提示Arc参与调节LTP后期。研究表明，Arc能够调节AMPA受体的内吞及初级内体的再循环，Arc基因敲除会损伤LTP后期和LTD。为了维持神经元和神经网络兴奋性的稳定，神经元会根据刺激的强弱缩放其反应，这种细胞范围内的稳态缩放机制被称为突触缩放[17]。Beiqu等[18]研究表明，突触缩放对Arc的表达水平高度敏感，在体内敲除Arc发现神经细胞对神经活性的正常缩放反应机制丢失；在Arc过表达的神经元中其正常缩放反应机制也丢失，证实Arc对于维持突触稳定性也是必不可少的。
3 突触可塑性参与海马苔藓纤维出芽诱发癫痫的发病
癫痫的病理表现包括突触重塑、神经细胞脱失和胶质细胞增生，其中突触重塑是癫痫形成的主要病理基础[19]。海马苔藓纤维出芽(Mossy fiber sprouting，MFS)在癫痫的突触重塑中研究较多。正常情况下，海马苔藓纤维的投射具有方向性，即只向同一片层的海马门区及CA3区投射，既不折返回齿状回分子层，也不向邻近的片层纵向延伸。但在癫痫患者的脑组织及多种癫痫动物模型中发现，CA3区锥体细胞和门区神经元受到损伤后，内分子层失神经传入，苔藓纤维的突触受损，转而异常出芽形成侧支回返入内分子层，并与该层颗粒细胞近侧树突形成异位突触联系。这些突触大部分呈非对称性，且为兴奋性突触，多终止于树突棘，异位突触形成海马内回返兴奋性环路，从而导致癫痫的长期自发性发作[2, 20]。
Gorte等[21]用脑电图监测电强直刺激法诱发癫痫的大鼠模型中发现，大多数诱发成功的大鼠经过约1周的潜伏期后，一旦出现癫痫首次发作，以后的癫痫发作频率及发作强度会呈现出逐渐增强的趋势，与对照组相比，癫痫发作大鼠MFS现象更明显且更广泛。脱落酸(Abscisis acid,ABA)是中枢神经系统的一种抑制性神经递质，ABA受体的激活具有抑制MFS的作用。Ndode-Ekan等[22]发现匹罗卡品癫痫大鼠模型海马区ABA受体标记均为阴性，这进一步从形态学上证明了颞叶癫痫MFS形成兴奋性环路的观点。而形成的兴奋性环路可降低颗粒细胞同步化电活动的阈值，增加癫痫发作的敏感性。综上所诉，海马MFS与癫痫的发生发展具有十分密切的联系。
4 Arc通过调控海马神经元细胞突触可塑性及MFS参与癫痫的发病
有研究表明，在杏仁核点燃模型中，Arc在癫痫大鼠海马组织中的表达水平明显增[23]。在arc敲除老鼠中发现老鼠神经兴奋性增高并且更容易发生痫性发作。BDNF 是一个重要的突触可塑性形成学习记忆的中介，TrkBβ 属于受体型酪氨酸蛋白激酶，是BDNF的特异性受体[24]。BDNF与靶细胞膜上TrkBβ受体结合后,可促进TrkBβ同源二聚体的快速结合和形成,继而发挥其生理活性，从而激活受体酪氨酸激酶活性，使TrkBβ受体所在的靶细胞内酪氨酸受体残基的自身磷酸化程度加强，继而激活下游一系列的酪氨酸磷酸化过程，使海马兴奋性增高，促进颞叶癫痫的产生[25]。有研究表明，在岛叶癫痫早期BDNF、TrkBβ蛋白及 mRNA表达明显增加[26]。进一步研究也证实在癫痫患者海马颗粒细胞中BDNF、TrkBβ mRNA的表达也明显增加。该实验还发现给大鼠注射BDNF后，Arc表达增加，说明BDNF可以诱导Arc的表达；而arc反义寡核苷酸又能完全终止BDNF的这一诱导作用[27]。
综上所述，在癫痫的发病机制中，BDNF-TrkBβ通路发挥重要作用，而arc是BDNF-TrkBβ通路的下游基因，因此，推测arc可能通过BDNF-TrkBβ 通路参与癫痫的发生发展。
癫痫是一种由多种病因导致的慢性中枢神经系统功能紊乱性疾病，其特征为反复发作的大脑神经元不规则异常放电。在反复异常放电和痫性发作后，可出现多种后遗症，例如学习记忆等认知功能下降。在岛叶电点燃大鼠模型中发现，致痫大鼠学习记忆功能和Arc在海马中的表达趋势一致，提示Arc可能和反复发作的慢性癫痫引起的学习记忆下降相关。
5 结语
癫痫的发病机制仍不清楚，可能与神经细胞的凋亡、突触重塑、神经胶质纤维细胞增生、异常信号通路形成以及炎症反应密切相关。其中，苔藓纤维出芽和突触重塑学说得到了广泛认可和证实。但是，目前关于癫痫发生过程中的突触重塑研究只局限于动物实验，未来或许可以探讨突触重塑机制在癫痫患者中的作用，从而有助于癫痫的诊断和治疗。
总之，研究Arc的突触可塑性作用为阐明癫痫致病机制提供了新的方向和思路。虽然目前我们的认识和证据很有限，但是希望研究者们在未来对Arc的突触可塑性作用进行更深入的探索，有望在揭示癫痫致病机制上有重大突破。
癫痫是常见的神经系统疾病之一，表现为脑部神经元高度同步化异常放电，其发病机制尚不明确[1]。有研究显示，海马结构的苔藓纤维出芽和突触重塑学说是其形成的主要病理基础，也是癫痫长期、反复发作的重要原因[2]。活性调节的细胞骨架蛋白(Activity regulated cytoskeletal protein，Arc)是一种谷氨酸神经元突触后细胞骨架相关蛋白，属于即刻早期基因，在脊椎动物中高度保守，被认为是参与突触重塑的重要因子[3, 4]。本综述将重点阐述Arc参与调控神经元突触可塑性作用及癫痫之间的关系。
1 Arc的表达转录特征
人类Arc基因位于8号染色体q24.3，其上游存在多个转录因子，如血清反应元件(Serum response factor,SRF)、血清反应因子(Serum response element,SRE)和“Zeste-like”反应因子(Zeste-like response element,ZRE)等[5]。当N-甲基-D-天冬氨酸受体(N-methyl-D-aspartate receptor,NMDAR)、酪氨酸激酶受体B(Tyrosine receptor kinase B,TrkB)、毒蕈碱乙酰胆碱受体(Muscarinic acetylcholine receptor,mAChR)、代谢型谷氨酸受体1(Metabotro-pic glutamate receptors,mGluR1)等被激活后，神经元可通过一系列级联反应激活ERK通路，进而激活Arc上游的转录因子，促使Arc转录表达[6]。Giorgi等研究表明Arc转录表达是一种已知的nonsense介导的RNA衰减(Nonsense mediated decay of RNA，NMD)生理过程[7]。NMD 作为质量控制监测元件可以快速消除异常mRNA及拼接位点上游的终止密码子。Arc 可以作为 NMD 的靶标，因为Arc 3′UTR 存在2个内含子，导致外显子连接复合物在密码子下游终止组装。Arc基因可以迅速表达又可以通过 NMD 快速降解，是Arc一个非常独特的表达特点，有利于维持参与长时程增强(Long-term potentiation,LTP)新的 Arc mRNA 的需求。
Arc蛋白在正常生理条件下表达不活跃，当海马神经元受到痫性发作[5]、学习训练[8]、高频电刺激(HFS)[9]、脑源性神经生长因子(Brain-derived neurotrophic factor,BDNF)[6]、 LTP等[10]刺激后，Arc基因转录可被迅速激活，随后其mRNA被核糖蛋白体迅速运输至神经元的树突，并马上被翻译成Arc蛋白，与神经元骨架相互作用参与神经元突触可塑性。Arc可选择性的表达于钙调素依赖性蛋白激酶Ⅱ阳性的谷氨酸能神经元(CaMKII-positive glutamatergic neurons)和突触后致密区(Postsynaptic density，PSD)[11]。1999年，Guzowski等提出将Arc mRNA作为一种标记来研究神经元网络。大量研究表明，当神经元受到刺激后，很容易在神经元树突上发现Arc mRNA表达升高，随后，有更多研究显示，Arc的表达已经成为整个大脑神经元活性的一种标记[8-11]。Chowdhury等[12]通过Arc基因敲除小鼠的海马神经元培养发现，α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸(α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole-propionic acid,AMPA)受体的表达增加了两倍，微兴奋性突触后电流增加(Micro excitatory postsynaptic current,mEPSC)，而它的内吞作用减少，提示Arc有调节AMPA受体运输的功能，参与AMPA受体的内吞作用和胞吐作用。
2 Arc参与神经元细胞突触可塑性的结构性和功能性改变
目前，突触可塑性有几种形式，包括突触的结构可塑性和功能可塑性。突触结构可塑性主要是指树突棘的形态变化。Peebles等[13]发现在海马神经元内，Arc过表达使树突棘密度增加，而抑制Arc表达则使树突棘密度减少，实验还表明Arc和调控肌动蛋白成核现象的Wave3相互作用从而影响树突棘形态的分布，Arc使海马神经元树突细棘(也叫学习树突，具有更强的可塑性)比例明显增加，蘑菇状棘突比例减少，表明Arc在新记忆的形成和旧记忆的遗忘中起重要作用[14]。
突触功能可塑性包括LTP和长时程抑制(Long-term depression,LTD)。LTP最初是在兔海马中发现，是指发生在两个神经元信号传输中的一种持久的增强现象，能够同步刺激两个神经元[15]。LTP被公认为是反应突触可塑性形象机制的理想模型,可以明确反应出突触水平信息的传递、获取及存储过程[10]。与之现象相反的是LTD，两者都被认为与学习记忆有密切关系[6]。2000年，Guzowski等[16]在高频刺激后将Arc反义寡核苷酸(AOD)注入大鼠的海马体中，以阻止短暂Arc mRNA或其蛋白质增加。在前1h内对于LTP影响其微，但之后LTP发生了衰减，在第5天时，LTP的表达水平回归基线，提示Arc参与调节LTP后期。研究表明，Arc能够调节AMPA受体的内吞及初级内体的再循环，Arc基因敲除会损伤LTP后期和LTD。为了维持神经元和神经网络兴奋性的稳定，神经元会根据刺激的强弱缩放其反应，这种细胞范围内的稳态缩放机制被称为突触缩放[17]。Beiqu等[18]研究表明，突触缩放对Arc的表达水平高度敏感，在体内敲除Arc发现神经细胞对神经活性的正常缩放反应机制丢失；在Arc过表达的神经元中其正常缩放反应机制也丢失，证实Arc对于维持突触稳定性也是必不可少的。
3 突触可塑性参与海马苔藓纤维出芽诱发癫痫的发病
癫痫的病理表现包括突触重塑、神经细胞脱失和胶质细胞增生，其中突触重塑是癫痫形成的主要病理基础[19]。海马苔藓纤维出芽(Mossy fiber sprouting，MFS)在癫痫的突触重塑中研究较多。正常情况下，海马苔藓纤维的投射具有方向性，即只向同一片层的海马门区及CA3区投射，既不折返回齿状回分子层，也不向邻近的片层纵向延伸。但在癫痫患者的脑组织及多种癫痫动物模型中发现，CA3区锥体细胞和门区神经元受到损伤后，内分子层失神经传入，苔藓纤维的突触受损，转而异常出芽形成侧支回返入内分子层，并与该层颗粒细胞近侧树突形成异位突触联系。这些突触大部分呈非对称性，且为兴奋性突触，多终止于树突棘，异位突触形成海马内回返兴奋性环路，从而导致癫痫的长期自发性发作[2, 20]。
Gorte等[21]用脑电图监测电强直刺激法诱发癫痫的大鼠模型中发现，大多数诱发成功的大鼠经过约1周的潜伏期后，一旦出现癫痫首次发作，以后的癫痫发作频率及发作强度会呈现出逐渐增强的趋势，与对照组相比，癫痫发作大鼠MFS现象更明显且更广泛。脱落酸(Abscisis acid,ABA)是中枢神经系统的一种抑制性神经递质，ABA受体的激活具有抑制MFS的作用。Ndode-Ekan等[22]发现匹罗卡品癫痫大鼠模型海马区ABA受体标记均为阴性，这进一步从形态学上证明了颞叶癫痫MFS形成兴奋性环路的观点。而形成的兴奋性环路可降低颗粒细胞同步化电活动的阈值，增加癫痫发作的敏感性。综上所诉，海马MFS与癫痫的发生发展具有十分密切的联系。
4 Arc通过调控海马神经元细胞突触可塑性及MFS参与癫痫的发病
有研究表明，在杏仁核点燃模型中，Arc在癫痫大鼠海马组织中的表达水平明显增[23]。在arc敲除老鼠中发现老鼠神经兴奋性增高并且更容易发生痫性发作。BDNF 是一个重要的突触可塑性形成学习记忆的中介，TrkBβ 属于受体型酪氨酸蛋白激酶，是BDNF的特异性受体[24]。BDNF与靶细胞膜上TrkBβ受体结合后,可促进TrkBβ同源二聚体的快速结合和形成,继而发挥其生理活性，从而激活受体酪氨酸激酶活性，使TrkBβ受体所在的靶细胞内酪氨酸受体残基的自身磷酸化程度加强，继而激活下游一系列的酪氨酸磷酸化过程，使海马兴奋性增高，促进颞叶癫痫的产生[25]。有研究表明，在岛叶癫痫早期BDNF、TrkBβ蛋白及 mRNA表达明显增加[26]。进一步研究也证实在癫痫患者海马颗粒细胞中BDNF、TrkBβ mRNA的表达也明显增加。该实验还发现给大鼠注射BDNF后，Arc表达增加，说明BDNF可以诱导Arc的表达；而arc反义寡核苷酸又能完全终止BDNF的这一诱导作用[27]。
综上所述，在癫痫的发病机制中，BDNF-TrkBβ通路发挥重要作用，而arc是BDNF-TrkBβ通路的下游基因，因此，推测arc可能通过BDNF-TrkBβ 通路参与癫痫的发生发展。
癫痫是一种由多种病因导致的慢性中枢神经系统功能紊乱性疾病，其特征为反复发作的大脑神经元不规则异常放电。在反复异常放电和痫性发作后，可出现多种后遗症，例如学习记忆等认知功能下降。在岛叶电点燃大鼠模型中发现，致痫大鼠学习记忆功能和Arc在海马中的表达趋势一致，提示Arc可能和反复发作的慢性癫痫引起的学习记忆下降相关。
5 结语
癫痫的发病机制仍不清楚，可能与神经细胞的凋亡、突触重塑、神经胶质纤维细胞增生、异常信号通路形成以及炎症反应密切相关。其中，苔藓纤维出芽和突触重塑学说得到了广泛认可和证实。但是，目前关于癫痫发生过程中的突触重塑研究只局限于动物实验，未来或许可以探讨突触重塑机制在癫痫患者中的作用，从而有助于癫痫的诊断和治疗。
总之，研究Arc的突触可塑性作用为阐明癫痫致病机制提供了新的方向和思路。虽然目前我们的认识和证据很有限，但是希望研究者们在未来对Arc的突触可塑性作用进行更深入的探索，有望在揭示癫痫致病机制上有重大突破。