乙酰胆碱及受体的作用和与人类健康的关系

乙酰胆碱及受体的作用和人类健康王帅（09级辽宁大学生命科学院生物技术专业本科生291303118）[摘要]乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)是一种经典的兴奋性神经递质,通过结合特异受体,在神经细胞之间或神经细胞与效应器细胞之间中起着信息传递作用。ACh及其受体存在于从细菌到人类、从神经细胞到其他多种非神经细胞中,提示它是一类与系统发生相关的古老分子,可能不仅仅具有作为生理性递质的传递功能。多种人类疾病与ACh及其受体相关,尤其是近年来的研究发现ACh及其受体在多种肿瘤中发挥自分泌和旁分泌因子作用,参与细胞的生长调节,甚至与肿瘤的发生发展相关。因此,ACh涉及到神经系统外非胆碱能传递的作用显得格外引人注目,可能成为新的肿瘤治疗靶标。[关键词]受体；乙酰胆碱；人类健康；肿瘤1乙酰胆碱及其受体简述乙酰胆碱(acetylcholine,ACh)是一种经典的兴奋性神经递质,包括外周神经如运动神经、自主神经系统的节前纤维和副交感神经节后纤维均合成和释放这种神经递质。ACh由胆碱(choline)和乙酰辅酶A合成,由胆碱乙酰化酶(cholineacetylase,ChAT)催化,随后进入囊泡贮存。当动作电位沿神经到达神经末梢时,触发神经末梢Ca2+通道开放,囊泡与突触前膜融合、破裂,ACh释放入突触间隙或接头间隙,作用于突触后膜或效应细胞膜的乙酰胆碱受体(acetylcholinereceptors,AChRs)引起生理效应。其中位于副交感神经节后纤维所支配的效应器细胞膜的胆碱受体对以毒蕈碱为代表的拟胆碱药较为敏感,故称为毒蕈碱型胆碱受体(muscarinicacetylcholinereceptors,mAChRs);位于神经节细胞膜和骨骼肌细胞膜的胆碱受体对烟碱比较敏感,故称为烟碱型胆碱受体(nicotinicacetylcholinereceptors,nAChRs)。mAChRs属于G蛋白偶联受体家族,nAChRs是配体门控的离子通道蛋白[1],属于具有共同起源的半胱氨酸环受体家族,在中枢神经系统、周围神经系统和肌肉组织广泛表达。2乙酰胆碱受体与疾病神经肌肉接头处的烟碱型受体是第一个被认识和命名的受体,也是第一个采用电生理手段进行研究及获得生化性质的受体。在哺乳类,nAChRs可分为肌肉和神经2种类型,肌肉型nAChRs亚单位种类和组合形式比较固定,位于神经肌肉接头处,介导神经与肌肉间的递质转换作用;而神经型nAChRs虽然也由类似的5个亚单位构成,但亚单位类型和组合形式变化极大,是神经系统nAChRs功能复杂化的分子基础。除原始的神经肌肉间和运动自主神经细胞间的快速神经递质转换作用之外,nAChRs还与多种中枢神经系统的功能有关,包括随意运动、记忆及注意、睡眠及清醒、喜悦及痛苦和忧愁等。已证明多种人类神经系统疾病是由于nAChRs基因遗传变异的结果,如先天性肌无力、常染色体显性夜发癫癎及精神分裂症、帕金森病、阿尔茨海默病及图雷特综合征都在某种程度上与nAChRs有关[2~4]。越来越多的实验证据表明帕金森病与nAChRs关系密切[5],帕金森病主要是由于大脑黑质和纹状体内的神经递质多巴胺减少,使ACh作用相对亢进,造成动作减少和肌张力强直等病症。所以现代医学治疗帕金森病,一是增强多巴胺的作用,二是降低ACh的作用,使二者的相互作用达到一种新的低于正常水平的平衡状态。nAChRs在不同生理情况下有不同的状态(开启或者关闭),在特定的情况下相互交替。最近发现一些nAChRs的突变改变了这种状态(如长时间的处于开启状态或者过于快速脱敏)而改变了受体的功能导致疾病发生。如基因分析发现染色体20q13.2和常染色体显性遗传性夜间额叶癫癎(autosomaldominantnocturnalfrontallobeepilepsy,ADNFLE)表型存在连锁关系[6],AChR的α4基因定位在染色体的这个区域。ADNFLE患者的AChR的α4基因的一个单核苷酸的改变导致M2跨膜区一个关键氨基酸的置换,使得离子通道的选择性质发生强烈改变[7]。慢通道先天性肌萎缩综合征(slowchannelcongenitalmyasthenicsyndromes,SCCMS)是由于nAChR突变造成离子通道长时间的不正常开启并且比野生型受体更容易被尼古丁激动[8],在临床上表现为重症肌无力。基因分析发现结合α亚基αG153S位点的突变导致SCCMS长时间开启的典型症状。除此之外,M1跨膜区αN217K和M2跨膜区αV249F的突变也导致该症状。除α亚基的改变外�ε亚基的M2区域εL269F和εT264P位点以及β亚基的βV266M位点的突变也会导致SCCMS表型。重症肌无力(myastheniagravis,MG)是典型的累及神经肌肉接头处突触后膜AChR的自身免疫性疾病[9],是由乙酰胆碱受体抗体(acetylcholinereceptorsantibody,AChRAb)介导的具有细胞免疫依赖性、补体参与的自身免疫性疾病,病变是属于外周性的。临床特征为部分或全身骨骼肌易于疲劳,其发病机制为体内产生了AChRAb,在补体的参与下和AChR发生免疫应答反应,破坏了大量的AChR,导致突触后膜传递障碍而产生肌无力。在MG患者中,80%~90%患者血清中可测到AChRAb,但是却不能解释临床上为什么有10%~20%的典型患者,其血中检测不到所谓的特异性致病因子AChRAb[10](称为抗体阴性重症肌无力),也不能解释为什么为数不少的抗体阳性重症肌无力抗体滴度与临床症状轻重程度之间不相吻合的问题。大量临床资料中发现,有相当多数量的MG患者合并其他自身免疫性疾病,如甲状腺功能亢进、甲状腺炎、系统性红斑狼疮、类风湿关节炎、天疱疮等等,因此认为MG也是一种自身免疫性疾病。AChRAb的产生有赖于CD4+和CD8+T辅助(Th)细胞分泌的细胞因子[11]。因此,在MG细胞免疫紊乱的研究中细胞因子网络失衡已成为研究热点。根据分泌细胞因子的不同,Th可分为2个亚群:Th1和Th2。Th1主要分泌IL-2、IL-12、IFN-7、穿孔素、TNF-α、TGF-β;Th2主要分泌IL-4、IL-5、IL-6、IL-10,其中IL-4和IL-5可促使B细胞转化为浆细胞,并促进IgG的产生。同时研究者发现在临床上这种自身免疫病与恶性肿瘤高发率相关。可见在累及到ACh导致的疾病范围已经超出了神经递质传导神经兴奋的范畴,它或多或少与免疫系统的关系极为密切。3非神经细胞的乙酰胆碱能系统(non-neuronalcholinergicsystem)非神经性乙酰胆碱系统包括乙酰胆碱、胆碱乙酰转移酶、胆碱酯酶、毒蕈碱乙酰胆碱能受体和烟碱胆碱能受体,广泛地存在于角质化细胞、肿瘤细胞、内皮细胞、胶质细胞、上皮细胞、淋巴细胞、生殖器官等非神经性细胞和组织,参与这些细胞和组织的功能调节,并与一些疾的病理生理变化相关。非神经性乙酰胆碱系统不但与神经性乙酰胆碱系统不尽相同,而且不同组织的非神经性乙酰胆碱系统也不完全一样。正是由于非神经细胞的乙酰胆碱能系统在人体内广泛表达,如上皮细胞(皮肤、呼吸道、消化道)和免疫细胞(淋巴细胞)表达非神经依赖的胆碱能系统的全部成分,同时ACh的作用涉及到这些非神经依赖的细胞基本生物学功能的调节,例如增殖、分化、介质(一氧化氮、促炎症细胞因子等)的释放、细胞骨架的组装、运动、分泌和纤毛运动[13~15]。因此,非神经细胞的乙酰胆碱!或非神经细胞的胆碱能系统!的概念被提出[14,15]。同时这些发现,使得人们不得不重新认识ACh在人体或者更广泛的生物系统中的概念以适应这2种角色:①非神经细胞的ACh作为一种局部的信号分子涉及到细胞形态和功能的调节;②神经细胞的ACh作为神经递质分子介导神经细胞和效应分子间的快速交流。2种不同的ACh需要不同结构和功能的胆碱能系统,可以认为这种差别是在进化中产生的,也可以推测非神经细胞的胆碱能系统作为1种模式在神经系统进化并优化和适应了成为神经递质作用的神经细胞的胆碱能系统。神经细胞合成的ACh与非神经细胞合成的ACh在许多方面存在着差异。检测呼吸道上皮组织中的ACh时发现在胆碱能神经元和非神经细胞中ACh的贮存能力是显著不同的[17]。与神经细胞合成的ACh释放机制不同,在人胎盘上皮细胞中ACh是通过有机离子运载体(organiccationtransporters,OCTs)释放的[18],其结构和功能显然不同于神经细胞合成的乙酰胆碱能系统,它是由动作电位导致囊泡释放,而OCTs是浓度梯度持续激活的。神经细胞来源的AChR的分布(例如高浓度尼古丁受体集中分布在神经突触或运动终板)和ChAT的高活性部位都非常靠近释放囊泡,以适应快速传递神经冲动的需要。但是在非神经细胞中AChR的分布特征还未知,另外,ChAT的活性在非神经细胞较低,例如在胎盘可以在不阻断ChAT活性的情况下来检测ACh[19]。胆碱能神经元中ACh的合成在神经末梢,而前面已经提到非神经细胞中抗ChAT免疫反应发现ACh在细胞中广泛分布,包括细胞核,表明ACh在整个细胞合成。在神经细胞,ACh贮存在转运囊泡里,便于ACh迅速释放产生神经冲动的传递。非神经细胞则不需要在囊泡里贮存,甚至非神经细胞合成的ACh是否贮存也未知,是一定存在着一个持续的合成、传递、释放和水解的平衡过程,而这种平衡一旦被打破或许将引起异常的生物学活动。非神经细胞的乙酰胆碱能系统的存在支持非神经细胞的ACh作为一个持续的局部信号分子涉及调节细胞的基本生物学功能。在这里,ACh似乎是一个最佳选分子,因为它可以通过多样化受体和它的电荷性质或多或少涉及细胞信号途径。非神经胞的胆碱能系统的广泛存在,以及众多亚型的受体偿作用所削弱。但是无论如何,非神经细胞的胆碱能系使得ACh病理作用的鉴定非常复杂。例如一个成分的作用可以被其他成分(AChRs、AChT和AChE)的代统的病理作用确实存在。Scott等[20]曾报道ACh水平在炎症性皮肤疾病中升高,类似的这些工作最近也被证实,在遗传性过敏性皮炎的患者2mm皮肤层中(主要是上皮组织)ACh水平上升了14倍[21]。非神经细胞的胆碱能系统表达于免疫细胞和黏膜表面,这给出一个最初的提示:非神经细胞合成的ACh可能涉及炎症反应。在遗传性过敏性皮炎患者的湿疹和非湿疹皮肤部位甚至在患者的口腔黏膜都发现ACh水平升高,说明在这些病人中这是一种普遍的现象。另外,用于治疗炎症疾病的肾上腺皮质激素可以显著降低ACh和AChT水平,对非神经细胞的ACh的抑制作用可以协助提高临床使用类固醇的效果[22]。有实验显示刺激ACh的释放可以增加兔呼吸道对Alternariatenuis的免疫反应[23]。虽然迁移的免疫细胞的增加、AChT和AChE的活力的改变和细胞内ACh的转运和释放还有待进一步阐明,但是ACh水平的提高显然加速了炎症反应进程。总之,非神经细胞的胆碱能系统在非神经细胞中的广泛表达,表明它是一个局部的调节系统对细胞和组织的稳态有着重要作用。对于确认非神经细胞中胆碱能系统中的各种细节的研究还有待于深入,它的生物学和病理学的作用应该得到更清晰地阐明,并有可能成为新的治疗靶标。因此,ACh和nAChRs在非神经细胞中的存在提示重新认识ACh在人体功能的时候已经到来。4尼古丁乙酰胆碱受体（nAchRs）和肿瘤4.1尼古丁对细胞增殖的影响神经尼古丁乙酰胆碱受体（nAchRs）属于配体门控Ca2+离子通道超家族成员之一，为同源性或非同源性五聚体。nAchR不仅支持神经系统的化学突触传递，而且在非神经组织也表达。nAchRs激动剂尼古丁是烟草的主要活性成分。尼古丁处理SCLC、NSCLC等细胞系诱导依赖nAchRs方式的细胞增殖[24]外，在hamster鼠中研究表明尼古丁和氧过多结合能够诱导肺癌。这一发现表明肺部结合氧的减弱以及nAchRs的慢性刺激诱导肺癌发生。nAchR拮抗剂的产生加强了nAchRs在细胞增殖中作用的研究。尤其a7nAchRs被表明具有调节尼古丁的增殖作