局部和细胞间BDNF信号传导的神经生物学

摘要

介绍

在神经生物学水平上，学习和记忆依赖于调节的突触信号过程，涉及神经元和其他细胞伙伴之间的精确突触通信。神经营养因子脑源性神经营养因子（BDNF）[15,151]及其信号合作伙伴[21,30,110,126]突触可塑性是一种描述神经元活动对突触强度的调节的生物过程。许多神经调节因子会影响神经元的可塑性，但与许多其他参与突触功能的因素相比，BDNF可能是一种真正的介质，而不仅仅是突触可塑性和突触通讯的调节剂[126]（图。​（图1a）。1a） ●●●●。此外，BDNF和神经递质信号级联可以在一个紧密的时间关联中共同作用，以显示对突触可塑性的即时和指导作用（图。​（图1b）。1b） ●●●●。因此，人们对BDNF给予了很大的关注，因为对BDNF相关信号的特异性干扰被认为是刺激神经元和突触可塑性的主要策略，可用于神经和精神疾病的潜在保护性和功能恢复性治疗[97,116,152]. 这篇综述集中于BDNF的神经生物学及其在突触信号传递中的作用的最新发现。最后，我们简要评论了BDNF信号的基础研究如何有助于更好地理解神经精神疾病中功能失调的突触可塑性或不利的突触学习。

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图1

BDNF信令概述。脑内BDNF的主要来源是兴奋性谷氨酸能突触，这是突触可塑性、学习和记忆的主要突触。在可塑性诱导的神经元活动期间，BDNF和谷氨酸在突触处释放。一BDNF的分泌比谷氨酸的释放要慢。BDNF与受体TrkB结合，激活调节信号级联（见图。​图3）。三)。在突触前，BDNF-TrkB信号增强神经递质释放。在突触后侧，BDNF/TrkB信号转导增加了离子型谷氨酸受体的功能或开放概率。此外，它调节神经元兴奋下游的信号级联。BDNF作为调解人（根据Park和Poo[126])可以直接影响突触可塑性的后期效应，例如局部蛋白质合成、脊椎重塑或基因转录。b条BDNF作为突触可塑性的指导者。谷氨酸和BDNF在关键时间窗口内释放(亮蓝色)BDNF激活TrkB是关联性突触后长时程增强的指示信号(亮黄色窗户)

BDNF的神经生物学

脑源性神经营养因子（Brain-derived neurotrophic factor，BDNF[90,151]. BDNF是成人大脑中神经营养素家族的主要成员。最初，BDNF是从猪脑组织中纯化出来的，被发现可以支持感觉神经元的存活和分化[15]. 对Bdnf公司小鼠中的基因会导致外围某些类型的神经元丢失，但不会导致中枢神经系统（CNS）发生剧烈变化[48,151]. 这些早期实验已经表明，BDNF及其受体TrkB的基本功能在外周神经系统和中枢神经系统之间可能存在很大差异。

人类、大鼠和小鼠BDNF由单个基因位点表达，并且Bdnf公司基因转录受到严格调控，细胞类型特异，并受神经活动控制。的结构Bdnf公司基因在哺乳动物中高度保守，这表明非编码调控元件的保护面临着巨大的压力。老鼠和老鼠Bdnf公司基因由8个5′-非翻译外显子和一个编码3′-外显子的蛋白质组成[三]. 在人类中，一项最新评估发现BDNF公司九个BDNF 5′UTR启动子的基因和总数（称为I–IX。请注意，目前的BDNF启动子命名是在2007年提出的[132]). 最近引入的一种基因组编辑方法将非活性Cas9与甲基化或去甲基化活性结合起来，专门改变基因的甲基化模式，从而可以研究甲基化变化和基因功能之间的因果关系[95]. 值得注意的是Bdnf公司有丝分裂后神经元中的启动子IV足以激活BDNF的表达。这表明特定Bdnf公司启动子位点参与活性依赖性BDNF激活[95]. 复杂的结构和调节Bdnf公司基因活性为受调控的表观遗传控制提供了广泛的敏感性Bdnf公司表达式[28]. 人们可以预期，细胞的活性依赖性和细胞类型特异性表观遗传调控BDNF公司基因将成为人类基因-环境相互作用研究（G×E）中一个有影响力的课题。

从所有神经元中去除BDNF会显著降低大脑中BDNF的水平[136]. 然而，即使在BDNF的整体神经元剥夺后，仍在皮层组织中发现一些BDNF[136]. 与此相一致，小胶质细胞被发现是BDNF的另一个生理来源[128,154]. 小胶质细胞BDNF支持运动皮层中学习依赖性脊柱的形成，而从小胶质细胞中去除BDNF会降低一些运动学习任务和其他学习范式的表现[128].

目前，我们对人类BDNF蛋白来源知之甚少。例如，人类血小板携带大量BDNF，而小鼠血小板缺乏BDNF。人类血清也含有大量BDNF，而在小鼠血清中几乎检测不到BDNF（如果没有BDNF的话）。BDNF在小鼠巨核细胞中检测不到，但在人类巨核细胞内高度表达和储存[29]. 这表明人类血清中BDNF水平的改变，正如精神病研究中所报道的那样，可能反映了巨核细胞和血小板的变化[29]. 这些数据提醒我们，重要的是要了解脑外BDNF来源是否以及如何促进不同的身体功能和大脑可塑性。

在外周神经系统中，BDNF具有防止调节性细胞死亡的能力[14,146]. 在大脑中，BDNF主要不是作为生存因子，而是介导对突触功能和神经元形态的区域特异性影响[94,120,136]. 例如，纹状体BDNF信号的丢失会导致脊髓萎缩，这是由GABA能纹状体中棘神经元的树突复杂性缺陷引起的[94,136]. GABA能纹状体神经元不产生BDNF，但从皮质纹状体突触前投射获得大量轴突BDNF[4,127]. 相应轴突投射中BDNF的特异性缺失消除了皮质纹状体突触的LTP[127]. 在亨廷顿氏病（一种常染色体显性神经退行性疾病）中，BDNF向纹状体的顺行轴突运输受到干扰，导致皮层BDNF供应减少，而BDNF被认为是纹状体退行性变的原因[52]. 然而，在亨廷顿病模型中，皮质纹状体可塑性的缺陷是由突触后BDNF受体TrkB结合减少引起的。这表明突触可塑性的缺陷不依赖于纹状体棘投射神经元上BDNF的皮质传递，至少在亨廷顿病早期是如此[131]. 最近在另一种疾病模型中显示，降低突变型亨廷顿蛋白水平足以改善纹状体神经元皮层BDNF的供应并修复营养缺陷[173]. 这些数据可能表明TrkB反式激活在纹状体神经元中的相关作用，其中多巴胺D1受体和BDNF/TrkB信号相互交织以调节BDNF反应性[67]. 这与TrkB在纹状体神经元中的细胞自主作用相一致[94].

海马中发现高水平的BDNF信使RNA（mRNA）和蛋白质[37,136]，在上下文和空间学习以及外显记忆中具有重要意义的大脑区域。在海马体中，当从所有细胞中去除BDNF时，谷氨酸能神经元的神经元解剖结构仅显示出微小的变化[76]或选择性地从所有神经元[136]. 然而，这并不排除不太丰富的细胞类型，如某些类型的GABA能神经元，受到BDNF的发育控制的可能性。总之，这些数据表明，轴突BDNF可以显著影响某些特定类型神经元的神经元复杂性，但不是所有类型的神经元。

生物活性BDNF配体家族

新数据显示，三种功能不同的蛋白质来源于Bdnf公司基因，即前体原BDNF，成熟BDNF（通常称为BDNF），甚至BDNF的前体[62]. 所有三种BDNF配体的神经生物学是BDNF研究中最吸引人的主题之一。现在，所有这些BDNF衍生蛋白都具有生物活性。然而，关于proBDNF转化为BDNF的细胞位置、哪些酶负责分裂、这一过程的效率如何以及神经元分泌多少和在哪里分泌，仍存在着持续的（激烈的）争论[7,24,43,89,103,118,122,168].

BDNF携带ER易位信号肽（pre-proBDNF）。信号肽在进入分泌蛋白转运途径时被裂解。产生的前BDNF被进一步处理，前肽最终被裂解，生成约13kDa的成熟神经营养素。成熟BDNF形成稳定的同型二聚体，在构成和调节途径中分泌。在某些中枢突触或在某些实验条件下，也会分泌proBDNF[17,86,103,155,165,168]. 分泌后，前BDNF可被细胞外蛋白酶裂解，导致局部形成成熟的BDNF，以指导突触可塑性的长期变化[122]. 很长一段时间以来，BDNF的剩余前体蛋白的命运未知，并被认为经历了快速降解。然而，前体蛋白是一种可检测的蛋白质[7,43]并经历海马神经元的活性依赖性分泌[7].

有令人信服的证据表明，前BDNF和BDNF利用不同的受体介导相反的神经元活动，以调节中枢神经系统中的神经元兴奋性、神经元重塑、突触通讯和可塑性。而BDNF具有增强神经元兴奋性和突触强度的能力[5,20,71,76,78,130,171]，proBDNF可降低神经元兴奋性，降低突触效率，促进突触抑制[53,98,126,162,165,167].

人类BDNF变异体Val66Met

BDNF前体是功能性人类BDNF多态性的位点，已知其影响突触可塑性、学习和记忆处理，如功能性磁共振成像观察到的[47]. 这种单核苷酸多态性，即所谓的Val66Met多态性，是通过蛋氨酸取代缬氨酸66来定义的（参考SNP rs6265）。Met66等位基因携带者的记忆损伤导致对神经精神疾病的更高易感性，可能是因为情感回路中的联想记忆处理也受到影响。多态性频率因种族而异，在不同人群中约为20%至50%。Val66Met多态性在小鼠或其他模型生物体中不存在，多项研究旨在模拟BDNF的功能^{Val66Met公司}借助细胞模型、基因工具或基因工程小鼠模型[26,33,34,47,64]. 在神经元中，含有Met66的前BDNF表现出异常运输和细胞内分布改变。有趣的是，当两种BDNF变异体在同一神经元细胞中表达时，70%的原BDNF异二聚体携带一种版本的BDNF（Val）和一种版本（Met）[34]. 这些二聚体被发现不能有效地分类成分泌颗粒，导致分泌的BDNF蛋白数量减少[34]. 据认为，由于在突触处BDNF的活性依赖性分泌效率低下，BDNF转运中的扰动会损害中枢神经系统功能和情绪调节[33,147]. 然而，分泌减少似乎不是Met66影响BDNF功能的唯一机制。位于66位的Met诱导前体蛋白的大量结构变化，并影响前体蛋白信号的生物学效力。Met66，而不是Val66，BDNF前结构域可以诱导年轻海马神经元的生长锥收缩，这种作用包括通过所谓的sortilin相关VPS10结构域包含受体2（SorCS2）的信号传导[7,62]. 目前还不太清楚，但Met66蛋白的配体功能可能与神经可塑性的某些人类特有特征有关。

在年龄较大的男性和女性（41-80岁）的大量非临床样本中，BDNF-Val66Met多态性与情绪状态变化之间没有发现关联[149]. 然而，需要注意的是，BDNF蛋白水平在发育过程中会发生显著变化[75]和老化[59]，这也许可以解释这一发现。例如，BDNF调节海马老化[142]但目前尚不清楚衰老如何与BDNF在突触可塑性、学习和记忆中的功能相互作用。有必要收集更多关于BDNF水平变化和模型生物和人类整个生命周期内的定位的信息。

BDNF分泌的细胞方面

BDNF主要是从突触后还是突触前部位起作用，目前仍存在争议（供审查[21,46,126]). 从概念上讲，顺行释放是指数据显示BDNF在突触前细胞的体细胞体区域合成，顺行运输到突触或突触外结构，并储存在致密的核心小泡中。在这个模型中，分泌发生于突触前，是活动依赖性的，受钙离子调节。突触后分泌的概念包括将BDNF编码的mRNA或BDNF蛋白转运到树突状结构，然后通过特殊的突触后或内体样小泡进行活性依赖性释放。BDNF的突触后分泌包括BDNF从突触前或突触后细胞释放出来，被突触后神经元结构吸收，并最终通过内吞途径重新提供给突触的可能性。此外，最近有研究表明，胶质细胞可以回收BDNF，将其重新分泌给神经元。所有这些概念都有实验证明，并且，正如后面所讨论的，没有普遍有效的假设可以解释BDNF生理作用的多样性。

体内神经元中通常存在少量内源性BDNF，这使得确定功能性BDNF-分泌位点的尝试变得复杂[43,126]. 因此，神经元培养和切片培养中BDNF的基因过度表达成为研究BDNF合成、突触稳态定位和突触BDNF释放机制的标准工具。总之，这些研究表明BDNF是从轴突和树突状细胞中储存和释放的[12,19,24,25,45,56,57,80,103,144,164,168]. 此外，BDNF循环用于活性依赖性分泌[144,164]回收的BDNF可以支持突触强度的活动依赖性变化[17,155]. 在突触后位点，外源性BDNF的再循环通过内吞运输途径发生，涉及特异性突触球蛋白亚型6的功能，这与致密核心小泡分泌的功能不同[164]. 这表明突触素亚型可能是跟踪BDNF储存和释放命运的有用标记物。利用体外神经元培养和过度表达的BDNF融合到荧光蛋白的研究支持了这样的观点，即树突和突触后棘中的突触后分泌颗粒是BDNF分泌的优先位置[24,45,57,80,89].

新技术、小鼠模型和严格指定的抗BDNF抗体为内源性、天然BDNF和原BDNF在小鼠大脑中的稳态定位提供了新的见解。在富含BDNF的海马回路中，BDNF在谷氨酸能神经元的突触前终末中高度丰富，并储存在突触前致密核小泡中。然而，在远端树突中没有发现，这表明BDNF主要以顺行方式发挥突触作用[43]. BDNF在苔藓纤维末端高度丰富，苔藓神经纤维末端是颗粒神经元和CA3锥体神经元之间形成的一个大的突触[37,38,43,168]（图。​（图2）。2)。在相同的突触前结构中，观察到抗前体蛋白免疫反应[43,168]. 未分离或裂解形式的BDNF储存在苔藓纤维末端似乎受到发育控制。ProBDNF的丰度和分泌可能在出生后早期和晚期发育期间显著，此时轴突延伸和突触成熟普遍[168]. 事实上，已经证明CA3中功能连接的完善需要proBDNF/p75^NTR公司信号[162]. 在另一个大的突触中，小脑颗粒神经元上的苔藓纤维突触也储存了大量的BDNF。这种轴突BDNF在功能上很重要，因为它调节GABA能突触的成熟[31].

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图2

培养海马神经元和小鼠海马BDNF的免疫检测。一,b条 天STORM超分辨率图像，分辨率约为20 nm。显示BDNF和突触前囊泡谷氨酸转运体（vGluT）的免疫反应性。含有BDNF的单个颗粒位于vGlut+区域内，代表谷氨酸能突触前。b条 黑白来自(一)。具有密集BDNF标记的单个囊泡由箭头这些颗粒的直径在60–90纳米之间。c（c） _1,2(细节)突触前巴松管杆结构和vGlut+盘。天突触前巴松管和突触后Homer1簇显示为并列的突触杆结构（培养35天的小鼠海马神经元）。e（电子） _1,2荷马和巴松形成了一个棒状突触支架结构。（f）,克突触后杆结构的BDNF定位（DIV 30）。BDNF+小泡与Homer+突触后条（白色箭头）并排堆积。克 _1–3一些BDNF+颗粒与突触后条重叠。克 _三多（九）个小BDNF+小泡在突触后Homer+bar内排列(箭头) (a–g ：取自安德烈斯卡等[8]).小时小鼠海马中的抗-BDNF免疫反应（8周龄，共焦显微镜）。注意与ZnT3（锌转运蛋白3）的重叠，这是一种突触前苔藓纤维终末中丰度较高的蛋白质。DAPI标记细胞核。我,jBDNF免疫反应在vGlut+苔藓纤维终末和CA3锥体神经元的体细胞区显著。我最大强度投影；j单共焦面(h–j小时 ：由M.S.&R.B.执行。)

在长期培养的海马神经元中也观察到内源性BDNF的优先突触前储存，形成成熟突触的特征，如突触前和突触后的杆结构（图。​（图2）2) [8]. 使用直接STORM（dSTORM），一种超分辨率荧光成像方法，使空间横向分辨率达到约20 nm，已经表明天然BDNF直接位于谷氨酸能突触前精细结构内的颗粒中[8]. 定量评估证实，单个谷氨酸能突触前携带了90%的突触稳态BDNF免疫反应。一小部分BDNF分子定位于突触后杆结构上的小泡中。不同突触前静脉曲张患者的BDNF含量差异很大。这些数据证实，神经元能够在成熟的谷氨酸能突触前（突触通讯的主要部位）的小颗粒中富集和储存大量BDNF。然而，研究也表明BDNF并不直接位于活性区（图。​（图2），2)从而提出了一个问题，即突触前BDNF是从突触前活动区还是从突触前外侧部分释放出来的[8].

BDNF转录物携带两种不同的3′-非翻译区（UTR）亚型，一种长亚型和一种短亚型。据描述，短3′UTR BDNF亚型是一种体细胞亚型，而长亚型通过树突mRNA转运机制靶向树突，用于局部蛋白质翻译、运输和分泌[6,36]. 利用各种定量技术，如深度RNA测序、高分辨率转录定位、定量PCR技术和3′端测序，BDNF mRNA主要在体细胞隔室中发现，但在树突中几乎未检测到。大量BDNF转录物包含短亚型，因此表明BDNF蛋白翻译优先发生在神经元的体细胞区域[160]. 目前尚不清楚神经元BDNF如何到达突触后释放结构来调节突触后棘上的自分泌功能[45,57,157].

神经活性和BDNF分泌

简单地说，BDNF的表达和调节分泌一旦建立，就受到神经元活动的控制，并取决于BDNF释放部位细胞内钙的增加，例如通过活性依赖性钙内流、cAMP的作用或BDNF本身的作用[12,24,25,35,54,56,57,74,80,103,144,150,168,169]. BDNF或神经营养素分泌的多个信号级联在其他地方进行了实验验证和讨论[21,46,126].

分泌后，BDNF作为一种局部因子发挥作用。其生化特性可防止目标区域内的广泛扩散。BDNF是一种约27kDa（成熟BDNF二聚体）的粘性蛋白质，在生理条件下带正电荷。BDNF的等电点接近10[87,130]. 因此，BDNF仅在突触局部起作用[63,78,82,161]. BDNF的局部释放在低微米范围内以精细的局部尺度影响突触可塑性。例如，当供体神经元的树突或细胞体向受体神经元附近的树突提供过表达的BDNF时，BDNF源必须在4.5μm的距离内才能诱导受体神经元的树突状生长[63]. BDNF介导的结构可塑性甚至可以局限于单个脊柱[60]. BDNF的局部作用及其活性依赖性分泌打开了BDNF作为突触前和突触后活动的巧合而释放的可能性，这意味着BDNF释放发生在局部位置，作为对局部突触输入和突触后峰同步性的响应。事实上，重复性突触后棘波与局部谷氨酸去激活配对，这是一种模拟突触前来源谷氨酸释放的方法，可诱导突触后脊髓的局部结构可塑性[150]. 这种结构可塑性表现为脊椎扩大的即时和逐渐阶段[150]. 缓慢阶段依赖于蛋白质合成和局部BDNF分泌，这是由峰值时间可塑性诱导的[150]. 总之，BDNF可能在关联学习事件中扮演突触重塑的突触特异性局部行动者，并且是巩固有效突触通信所必需的。最近的数据强调了突触后BDNF分泌对CA1中峰值时间依赖性可塑性的影响[45,57,60].

天然BDNF分泌的时间尺度尚不明确。利用与绿色荧光蛋白GFP偶联的过表达重组BDNF模拟BDNF分泌，可以直接可视化BDNF-GFP的释放。初步研究表明，活性依赖性BDNF的释放速度很慢，持续数秒至数分钟[24,56,80]. 相反，外源性BDNF的生理反应可能很快，并且可能发生在毫秒到秒的范围内[20,21,71,79,82,91]. 这并不矛盾，因为BDNF与目标受体TrkB具有高亲和力[138]即使少量分泌的BDNF也能发挥显著作用。谷氨酸能突触携带着分布在整个突触前结构上的多个含BDNF的颗粒[8]（图。​（图2）。2)。因此，通过延时成像显微镜观察到的BDNF与荧光蛋白结合的分泌特性可能反映了单个BDNF分子从单个分泌结构中持续但逐步分泌的情况。事实上，当用BDNF与超黄道pHfluorin融合来研究突触后BDNF分泌时，快速成像可以在毫秒到秒的范围内观察到BDNF的释放[57,60]. 突触后部位BDNF释放的尖峰样荧光信号与局部谷氨酸去激活相关，BDNF的快速和逐步释放依赖于活性[57,60]. 即使是神经胶质细胞，从神经元中摄取突触释放的前BDNF，也能快速释放BDNF[17]. 总之，观察荧光蛋白BDNF释放速度的数据与BDNF对神经元兴奋和突触可塑性的快慢效应一致。

BDNF受体TrkB和p75^NTR公司：神经营养素信号的功能拮抗

神经营养素通过结合两种质膜受体发挥作用，即原肌球蛋白（t）受体（r）激酶（k）Trk[102]和p75神经营养素受体（p75^NTR公司) [41]. BDNF（成熟二聚体BDNF）与高亲和力结合（离解常数~10⁻¹¹M）至其受体TrkB[138]. BDNF与TrkB的结合已被证明对BDNF促进突触效率和长期增强的作用至关重要[2,16,18,49,51,57,76,111,112,122,130,171]（图。​（图4a）。4a） ●●●●。在生理条件下，二聚体BDNF也可以通过p75发挥作用^NTR公司，但亲和力低得多（离解常数~10⁻⁹M）。立即产生BDNF前体效应的优先受体是p75^NTR公司[53,69,84,155,162,165,167]，和p75^NTR公司和TrkB是BDNF信号系统功能对抗概念的关键参与者[76,111,139,170]（图。​（图4a）。4a） ●●●●。例如，低频刺激神经元可导致兴奋性突触释放前BDNF，从而通过p75导致突触功能减弱（长期抑制）^NTR公司[118,122,167,168].

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图4

突触BDNF信号模型。一BDNF亚型的功能拮抗作用。在这个模型中，BDNF增强了突触传递的强度(加号)通过TrkB受体，而在不同的刺激条件下，突触后p75^NTR公司受体被前BDNF激活以降低突触传递的强度(减号)。如酶剪刀所示，成熟的BDNF由前BDNF分泌或通过细胞外裂解形成。BDNF可能由突触前和/或突触后来源分泌。b条自分泌和旁分泌BDNF信号，以增加突触传递的强度。成熟BDNF激活突触前和突触后TrkB受体。TrkB-PLCγ信号传导介导快速BDNF功能，并与其他磷酸化级联反应相互作用，以介导时间延迟效应，如结构LTP。BDNF来源于突触前和突触后，自分泌和顺行。在某些情况下，BDNF可能充当强大的逆行信使。该模型包括TrkB信号级联激活突触ER钙库。该模型结合了Schaffer侧支CA1突触的聚合证据线。c（c）苔藓纤维突触的BDNF信号传导。该模型侧重于BDNF的顺行释放。大量BDNF储存在突触前苔藓纤维末端。在这个突触中发现了分离和未分离的BDNF亚型。突触前TrkB受体的自分泌激活参与突触前LTP。BDNF也可以通过IP刺激CA3锥体神经元_三-介导的内质网钙释放和典型瞬时受体电位（TrpC）通道的随后激活或快速去极化(红色三重加号)。锌离子（Zn²⁺)与来自苔藓纤维突触的谷氨酸共同释放，通过离子通道进入CA3锥体神经元，并介导突触后TrkB反式激活。该突触的BDNF信号机制可能在发育过程中发生变化。有证据表明，BDNF在通过局部中间神经元的前馈信号传递中发挥重要作用。所示信号机制的时间和空间方面尚不清楚。天BDNF在嗅周皮层三分突触处的信号传导。突触前胶质细胞通过p75摄取分泌的proBDNF^NTR公司并作为成熟的BDNF内化和回收，用于LTP维护。proBDNF处理的位点未知

通过proBDNF/p75的显著塑性^NTR公司在发育中的皮层和海马体中观察到[162]. 在这里，发现相邻突触的自发活动可以加强突触连接。相反，邻近的突触失去同步性，很少相互作用，但却变得抑郁。值得注意的是，当proBDNF被给予高度同步的突触时，这些局部突触经历了突触抑制。这种“不同步-失去联系”的可塑性机制指向前BDNF/p75的相关作用^NTR公司突触连接的活动依赖性形成中的信号传递[162].

TrkB，伴随的BDNF受体，由单一基因表达，但存在四种版本，全长受体酪氨酸激酶TrkB和剪接变体，截短版本TrkB-T1（糖蛋白95），TrkB-T2[108]和TrkB-T4[50]. 在鸡肉中发现了一种名为TrkB-T3的亚型。截短的TrkB受体的确切功能仍不清楚，编码TrkB-T2和T4的转录物是否在体内翻译成功能蛋白尚不清楚。然而，不同的TrkB转录物在经验依赖的可塑性阶段受到不同的调节，例如在视觉皮层[22]，表明它们可能用于干扰TrkB表达。

BDNF对突触可塑性的依赖性影响通常由TrkB激酶介导，而截断的TrkB-T1的作用尚不清楚。TrkB-T1以与TrkB激酶相似的亲和力与BDNF结合，并且可以通过结合BDNF干扰BDNF-TrkB信号传导，而不会激活下游激酶级联。神经元过度表达或所有细胞TrkB-T1基因敲除会影响某些类型神经元的树突复杂性，例如CA1锥体神经元、海马齿状回颗粒神经元或基底外侧杏仁核神经元[27,107]. 当TrkB-T1在神经元中过度表达时，会影响结构和功能可塑性[107]. 此外，它减少了TrkB激酶的快速生理反应[140]通过去除一个BDNF等位基因，体内TrkB信号的减少可以被TrkB部分挽救。T1删除。这些研究表明，TrkB和内源性TrkB-T1之间存在着生理上的相互作用，但其潜在的信号机制和功能尚不清楚，内源性TrkB-T1的作用是否源于神经元还没有解决。在体外海马星形胶质细胞和脑片制备中发现了通过截断的TrkB-T1的快速信号。在这里，TrkB-T1激活诱导内质网钙释放和随后的存储操作钙进入[21,140].

BDNF信号级联

BDNF/TrkB激酶信号可分为（1）在几分钟到几小时内发生的信号级联和（2）刺激神经元的快速BDNF诱导的信号级联（大纲和缩写见图。​图3）。三)。BDNF的作用明显不同，这取决于当BDNF被传递到神经元时其浓度升高的速度[70,71,82].

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图3

一BDNF/TrkB信号在神经元分化和突触可塑性中的作用概述。b条在缺乏神经营养素的情况下激活TrkB。正文中给出了详细信息。缩写：阿克特（蛋白激酶B），参数3.1活性调节基因3.1蛋白同源物（Arc），BDNF公司脑源性神经营养因子，凸轮K钙²⁺/钙调素依赖性蛋白激酶，钙 _V（V）电压门控钙通道，Cdc42公司GTPase细胞分裂控制蛋白42，航运业管理系统转录因子cFos，CREB公司转录因子cAMP反应元件结合蛋白，CSK公司C末端Src激酶，ERK公司细胞外信号调节激酶，组2生长因子受体结合蛋白2，GRi公司离子型谷氨酸受体，IP（IP） _三肌醇1,4,5-三磷酸，甲乙酮丝裂原活化蛋白激酶，MNK公司丝裂原活化蛋白激酶相互作用激酶，mTOR公司雷帕霉素的机械靶点，纳 _V（V）电压门控钠通道，太平洋亚太区垂体腺苷酸环化酶激活肽，像素3K磷脂酰肌醇3-激酶，可编程逻辑控制器磷脂酶C，赛车GTPase Ras-related C3肉毒杆菌毒素底物，Ras公司GTPase鼠肉瘤，RSK公司核糖体S6激酶，Shc公司Src同源蛋白和胶原蛋白样蛋白，Src公司蛋白酪氨酸激酶Src家族（SFKs，例如Fyn），TIAM公司T细胞淋巴瘤侵袭和转移诱导蛋白，TrkB公司原肌球蛋白受体激酶B，TrpC公司典型瞬时受体电位通道，锌 ²⁺锌离子

在结合BDNF后，TrkB二聚体化，激活内在激酶活性，进行自我磷酸化，并激活一系列复杂的细胞内信号级联[30,65,110,123,126]（图。​（图3a）。三a） ●●●●。Shc衔接蛋白连接Tyr激活的Trk受体⁵¹⁵Pi3K/Akt途径。Trk对Shc的激活增加了小GTPase Ras和蛋白激酶ERK（也称为MAPK，丝裂原活化蛋白激酶）的活性。ERK和Pi3K/Akt、MAP激酶相互作用激酶（MNK）和mTOR-signaling在下游介导BDNF/TrkB功能以进行翻译控制[123,124]（图。​（图3三a） 。

酪氨酸在TrkB（Tyr）羧基末端的磷酸化⁸¹⁶)产生PLCγ的结合位点，随后诱导细胞内钙储存中钙离子的释放（图。​（图3a）。三a） ●●●●。内部钙库中的钙释放将BDNF信号与许多钙依赖性信号步骤联系起来，例如，通过激活CaMKII，突触可塑性的主要调节器。丝氨酸磷酸化⁴⁷⁸通过CDK5（细胞周期素依赖性激酶5）在TrkB的膜旁区域连接TIAM1（鸟嘌呤核苷酸交换因子）以激活Rac1（图。​（图3a）。三a） ●●●●。Rac1是一种成熟的信号蛋白，通过调节肌动蛋白动力学促进脊椎生长和成熟[81]. 这种信号级联参与BDNF和活性依赖性树突状棘重塑。

BDNF依赖的TrkB激活能立即激发神经元。例如，BDNF可以通过典型的瞬时受体电位通道（如TrpC3）诱导缓慢而持续的钙内流和持久的非选择性阳离子电流。这种效应是由TrkB-PLCγ激活启动的，并被认为取决于内部钙库中的钙释放[5,91——93]. BDNF的极快信号级联没有很好地定义[21]. 局部应用时，BDNF还可以调节快速钠内流，从而通过电压门控钙通道触发快速钙离子内流[20,71,79,82]（图。​（图3三a） 。

在缺乏神经营养素的情况下激活TrkB

在缺乏天然配体BDNF的情况下激活TrkB，即所谓的TrkB反式激活，是TrkB发挥特定信号功能的另一个重要机制[30,67,133]（图。​（图3b）。三b） ●●●●。TrkB激活机制的结构模型主要基于受体酪氨酸激酶（RTK）激活的广义模型[88]. 一般来说，生长因子结合通过诱导受体二聚体激活RTK，结构数据表明Trk受体胞外受体结构域的二聚体由配体二聚体介导[158]. 在没有配体的情况下，RTK在顺式中被自动抑制，并且在配体诱导的受体二聚化后释放自动抑制[88]. 然而，许多研究表明，TrkB可以在不受配体BDNF刺激的情况下执行自身磷酸化活性和下游信号传导[66,85,117,133——135,159]. 在没有神经营养素的情况下，TrkB受体的激活可以通过G蛋白偶联腺苷2A受体（A2A-R）或多巴胺D1受体的配体激活介导[67,85,134,159]（图。​（图3b）。三b） ●●●●。G蛋白偶联受体可以在数十分钟到数小时内触发TrkB的反式激活。这种效应由蛋白酪氨酸激酶（SFKs，例如Fyn）的Src家族介导[67,85,134,135]. 在缺乏神经营养素的情况下，TrkB激活可能发生在细胞内部位[67,133,135]，包括钙依赖步骤[67]，调节TrkB的细胞表面丰度[67,133]（图。​（图3b）。三b） ●●●●。在皮层发育过程中，细胞内TrkB和TrkC可被EGF与EGF受体结合诱导的Src激酶依赖性途径激活[133]（图。​（图3b）。三b） ●●●●。这种效应调节新生皮层神经元的迁移。与G蛋白介导的缓慢TrkB激活相反，EGF介导的TrkB反式激活在几分钟内发生，并在细胞表面调节TrkB对BDNF的反应性[133]. 在海马神经元中，TrkB可被锌离子反式激活，锌离子通过C末端Src激酶（CSK）发出信号[61,66,121]（图。​（图3三b） ●●●●。

在了解其他因素如何与TrkB相互作用之前，需要更多的努力来更好地了解TrkB二聚体之间自动转换的结构基础。TrkB自磷酸化被认为是一种顺式/转磷酸化，顺式成分（激酶自身的活性位点介导自磷酸化）是最初的关键步骤，而随后的转磷酸化步骤取决于细胞内TrkB激酶结构域的浓度[68]. 我们还不太清楚，但Trk激酶激活中的顺式成分属于支持活性TrkB单体具有功能相关性这一挑衅性观点的观察结果。

BDNF信号在突触可塑性中的作用

长时增强（LTP）和长时抑制（LTD）是突触可塑性的典型细胞模型，通过这些模型，特定类型的突触刺激导致突触传递强度的长期增加（增强）或减少（抑制）。越来越多的研究表明，结构脊柱可塑性和突触过程（如LTP或LTD）与记忆有因果关系[58,115,166].

许多研究表明，BDNF是在LTP诱导过程中分泌的，对导致LTP的急性信号级联起着重要作用，尽管BDNF并非所有形式的LTP或导致LTP机制都需要[23,45,46,76,171]. LTP诱导期间和之后阻断TrkB或清除BDNF证实了BDNF依赖性LTP组分早期和晚期所需的关键时间窗，这些时间窗从LTP诱导开始，在LTP启动后10至60分钟内结束[45,49,57,66,76,78,79,104,145,150,155,171,172]. 此外，有令人信服的证据表明，记忆整合需要BDNF在长达24小时的较长时间窗口内持续作用[13,124]. 一些值得阅读的综述文章集中于BDNF在突触可塑性中的作用以及LTP中BDNF依赖成分的早期和晚期[23,46,123].

LTP形成中的BDNF最容易被理解为海马体，但BDNF的作用因突触类型的不同而差异很大。因此，目前还不清楚哪些BDNF信号级联对存储器处理中的电路功能有贡献（图。​（图3三和​和44).

嗅周皮层BDNF和LTP的维持

内源性BDNF分泌调节在嗅周皮层LTP中起关键作用[2]. 这里，LTP维持需要TBS后8-12分钟释放的内源性BDNF的临界水平[2]. 因此，BDNF可用性的协调方式可能有助于这种形式的突触可塑性。因此，LTP的不同阶段对不同脑回路中的BDNF信号敏感，之前对海马体的研究表明，BDNF对LTP维持的作用需要更长的时间窗。当TrkB磷酸化在TBS后1到40分钟被NMPP1阻断时，CA1区的晚期TBS-LTP被阻止，但此后不受影响[99]. 此外，高频刺激（HFS）诱导的海马脑片CA1区LTP在LTP诱导后30～60分钟内可被TrkB-Fc抑制，但70～100分钟内不能被TrkB抑制[72]. 齿状回需要更长时间的BDNF作用（约8小时）[124]. 个别电路中的BDNF可用性是否对BDNF-TrkB信令和LTP维护的持续时间有不同的影响，这一问题备受争议[23,46,126].

在嗅周皮层，长时间的LTP需要突触前神经胶质的活动[155]. 在这里，星形胶质细胞可以利用载体受体p75摄取突触前BDNF^NTR公司并将其作为成熟的神经营养素进行再循环，这是LTP维持和记忆保持必不可少的过程[155]（图。​（图4d）。4d） ●●●●。胶质BDNF循环与LTP诱导的电刺激紧密相关，特别是p75的缺失^NTR公司p75-flox小鼠胶质细胞[174]防止BDNF再循环[155]. 值得注意的是，当p75^NTR公司从胶质细胞中去除后，附近神经元的TrkB磷酸化在TBS后迅速降低，但10分钟后恢复。根据这一证据，我们证明，外源性BDNF仅在TBS中应用10分钟时，才能从胶质特异性p75基因敲除小鼠的切片中挽救晚期LTP缺陷，而且事实上，后来应用外源性BDNF未能恢复LTP的维持。因此，LTP维护需要BDNF可用性的时间敏感性增加[2,32,137]以及胶质细胞回收BDNF（图。​（图4d）4d） 可以补偿这种生理需求。此外，需要进行再循环以维持该皮质区功能性BDNF活性依赖性释放池的大小。这对于LTP维护可能特别重要，因为LTP维护需要阈值BDNF水平[76,77,130]. 因此，脑胶质细胞回收BDNF[155]或神经元本身[144,164]可以根据突触需要协同调节突触修饰。

星形胶质细胞不是可电兴奋的细胞。在突触间隙接收来自神经元的信号是这些细胞调节BDNF循环的最预期机制。这提供了一个模型，通过该模型，表达受体的星形胶质细胞感应活动突触的递质释放，转导导致内吞BDNF分泌的内部信号（图。​（图4d）。4d） ●●●●。星形胶质细胞表达许多不同递质和调节剂的受体，并显示钙信号以响应其刺激。这意味着BDNF胶质细胞再循环是一个高度调节的过程，它表明胶质细胞上递质受体的复杂激活控制最终神经营养素的可用性。确实，谷氨酸[17]和胞外核苷酸ATP[156]调节内吞性BDNF分泌，至少在培养的皮层星形胶质细胞中如此。在三部分突触处，星形胶质细胞形成突触的第三个有效成分[9,129]神经元和星形胶质细胞之间的谷氨酸和ATP信号可能需要维持足够水平的BDNF以满足特定的突触需求。由于BDNF的胶质囊泡释放受神经递质释放诱导的神经元活动的调节，星形胶质细胞可能会将神经元网络活动与神经营养素的局部突触需要耦合。因此，神经元可能通过释放不同的递质来调节BDNF胶质细胞的循环，这表明神经元与星形胶质细胞的相互作用在与认知功能耦合的信息处理中可以发挥比先前假设的更复杂和功能性的作用。

BDNF信号转导与精神疾病的联想学习

动物模型研究表明BDNF参与学习、记忆、认知、感知和情绪调节等高级功能。此外，在人类中，BDNF和TrkB信号与多种精神疾病相关，因此在精神分裂症、孤独症、抑郁症、成瘾或焦虑障碍的背景下进行了广泛研究[11]. 通过与BDNF信号的相互作用来治疗精神疾病的概念有主要的警告。模拟BDNF的治疗方法或抑制或增强TrkB信号的治疗方法可能会导致不受控制的生长效应（例如，轴突萌芽、肿瘤生长或癌细胞迁移）、癫痫发作和兴奋毒性，或不知情地刺激突触可塑性的长期变化，例如，在成瘾的基础电路中，奖励行为，或恐惧和焦虑控制。关于精神疾病的一个常见观点是，相应神经回路中突触的信息处理改变与观察到的行为改变相关。因此，深入了解局部、时空和突触特异性BDNF和Trk（B）的功能至关重要，之后才能根据对相应信号级联的更详细了解来制定未来的治疗程序。

近年来，人们对BDNF信号在恐惧和焦虑调节中的作用越来越感兴趣，因为恐惧或焦虑条件反射产生的联想性突触学习被认为是焦虑障碍发展的一种素质[109]. 在所有精神疾病中，焦虑症的终生患病率最高[163]，并且哺乳动物模型生物和人类之间的潜在神经网络非常保守[101,125,153]. 此外，临床遗传学研究表明，焦虑症的发病机制与基因密切相关[42,44]. 因此，刺激潜在神经回路中突触可塑性的恐惧学习和恐惧消退范式被认为是焦虑障碍的良好研究模型。例如，以阶段性恐惧为特征的线索条件作用可以帮助识别特定恐惧症中受影响的神经相关因素，而情境条件作用被认为与以持续焦虑为特征的焦虑障碍有关[39,83,101]. 在焦虑障碍中，认知行为或暴露疗法等治疗干预措施使用联合突触学习的有益策略，例如消退学习，以减少恐惧记忆和焦虑行为[100]. BDNF是最著名的突触分子之一，在联想学习过程中可以有效地改变突触强度，并且可以在一个较宽的时间窗口内充当突触可塑性的调节剂或指导员。BDNF是最鼓舞人心的分子之一，可以更好地理解焦虑障碍病因中的不利突触学习和灭绝学习中的有益突触机制[96,113,147].

结束语

有令人信服的实验证据表明，BDNF是中枢神经系统功能和结构可塑性的一个基本因素和指导性介质，不仅由神经元提供给突触，也由某些类型的胶质细胞提供给突触体。BDNF可以在突触上发挥快效应和慢效应，并在微电路发育和成熟过程中改变其作用。全部Bdnf公司基因产物、proBDNF、成熟BDNF，甚至分离的proBDNF-结构域都发挥功能活性。proBDNF不仅可以被视为成熟BDNF的功能性拮抗剂，因为它可以在微电路中进行处理，然后再传递给突触。BDNF最重要的特征之一是在突触前和突触后靶点上作为局部因子，旁分泌和自分泌。

在分子水平上，需要更多的结构数据来解释TrkB如何在没有配体的情况下进行分子间反式激活和活化。神经元中的细胞生物学可以回答BDNF和TrkB顺行和逆行运输是如何调节的问题，以及哪些个体运输步骤取决于细胞内TrkB的激活。关于BDNF和TrkB是如何在细胞内运输和定位的，目前普遍缺乏相关知识。与我们对BDNF效应的深入理解相反，下游信号级联、快速和慢速信号之间的平衡以及相应的介质尚未得到很好的定义。BDNF在突触处释放，许多BDNF对突触可塑性的影响被认为是由内部钙储存的钙释放介导的。然而，并不是所有的突触都携带ER结构，局部钙释放的细胞区室几乎没有定义。在细胞外钙存在的情况下直接进行ER钙显像的新技术[40,143]可能能够解决时空BDNF-TrkB信号如何激活细胞内钙储存，以及ER衍生的膜运输如何促进突触可塑性。单突触追踪工具与基因重组、基因组编辑或光遗传学方法学相结合，可以帮助识别单个突触前、后或再循环BDNF的贡献。超分辨率显微镜的新发展将有利于解决与BDNF信号相关联的突触的局部结构动力学，例如，BDNF/TrkB级联如何与肌动蛋白或微管动力学相互作用，BDNF如何在突触中分泌和再循环，TrkB如何在细胞表面和突触内膜之间循环。再次审视BDNF神经生物学的基本问题——在哪里、何时以及如何——将是令人兴奋和具有挑战性的。理解BDNF在突触特异性信号传导中的功能的良好神经生物学基础是BDNF疗法安全和临床相关的前提。

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脚注

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