5-羟色胺(5-HT)的发现可以追溯到1868年,当时在血液凝固后的血清中发现了一种可以引起血管收缩的因子,命名为血清素,后来确定其结构为5-HT。1948年Rapport等人从血清和肌肉中发现了一种吲哚胺,可以令血管收缩,并证明与先前发现的血清素相同,由吲哚和乙胺两部分组成。后来Twarog和Page在哺乳动物的大脑中也发现了5-HT,并证实这种复合胺起着神经递质的作用。从此,有关5-HT及其受体的研究逐步展开。
5-羟色胺的神经化学
合成
5-HT的生物合成以色氨酸( TP)为底物,首先在色氨酸羟化酶( TPH)作用下生成5-羟色氨酸( 5-HTP),然后由5-HTP脱羧酶( 5-HTPDC)脱羧基而生成5-HT。色氨酸是一种人体的必需氨基酸,只能从食物蛋白中摄取,经肝脏分解获得。只有1%~2%的TP经TPH转化为5-HTP,用于5-HT的合成。血中TP转运入脑,首先必须经过血-脑屏障进入脑内,然后由神经胶质细胞摄取,转运进入5-HT神经元内,血浆中的TP有游离(占总量的10%~20%)与结合(与血浆蛋白结合,占总量的80%~90%)两种形式,前者易通过载体的主动转运机制而进入脑内。某些药物(如吲哚美辛等)能与TP竞争血浆蛋白的结合部位,使一部分的结合型TP转化为游离型。由于这一转运系统是中性氨基酸所共用的载体,具有竞争性拮抗现象。因此,血中TP与血浆中性氨基酸的比例关系可影响TP的入脑速度。进入脑内的TP,还需要通过神经胶质细胞膜的主动转运机制才能进入5-HT神经元,成为合成5-HT的前体。
色氨酸羟化酶( TPH)在5-羟色胺能神经元的胞体内合成,经轴突运输至轴突末梢,贮存于5-羟色胺能神经末梢的胞浆内,使TP转化成5-HTP。正常情况下脑内的TP浓度不能使TPH饱和,在大鼠脑内,TP的浓度增高5~7倍,才能使TPH酶接近饱和。因此,静脉或者腹腔大量注射TP,可使脑内5-HT含量提高。
脑内的5-HTP脱羧酶( 5-HTPDC)含量多、活力高。TP一旦羟化成5-HTP后,即被5-HTPDC迅速脱羧而成5-HT。因此,脑内的5-HTP的量极少,几乎不能测出。
以上两种酶比较,5-HTPDC的数量多,特异性差,在脑内普遍存在。而TPH特异性高,只存在于5-羟色胺能神经元中,而且含量少,活性也较低。因此,TPH是合成5-HT过程中的限速因子。
5-HT的合成具有反馈式的自我调节。当脑内5-HT的更新率增加对5-HT的需求量增大时,5-HT合成便加速。反之,当脑内5-HT含量增加时,5-HT的合成减慢。此外,5-HT的合成还可受神经冲动等因素的影响。神经冲动的到来可以增加TPH的活性而加速5-HT的合成。总之,5-HT的合成在一定范围内受神经冲动和终产物5-HT浓度的调节。这两种因素又相互联系。当神经冲动到来时,由于递质释放,使脑内5-HT含量降低,导致TPH活力增强,5-HT合成增加。反之,则导致5-HT合成减少。
储存
5-HT储存于5-羟色胺能神经末梢囊泡内,它的合成酶存在于胞浆中,5-HT在胞浆中合成,很快被囊泡摄取和储存。囊泡不参与合成过程。囊泡内有一种特异的5-HT结合蛋白( SBP),在囊泡内高K+浓度条件下,5-HT与SBP紧密结合成5-HT/SBP复合物的形式储存。外周5-HT储存于血小板,分为结合型、游离型。结合型与血小板内SBP结合,储存血小板内,无活性。游离型具有生物活性,在外周起着局部激素的作用。血小板也有摄取和储存5-HT的能力。
释放
5-HT的释放形式是胞裂外排。胞裂外排时,5-HT/SBP复合物与高Na+的细胞外液接触,5-HT与SBP复合物迅速解离,从而发挥递质作用。电刺激猫的中缝正中核和中缝头核及其下行通路,均可使5-HT的胞裂外排,使其释放增加。
失活
5-HT在突触间隙的消除过程包括重摄取和酶解失活两种方式。释放入突触间隙的5-HT与受体结合,又迅速解离,其中大部分被突触前膜重摄取。5-HT的重摄取与突触间隙的浓度有关,当5-HT低浓度时有一部分被5-羟色胺能神经末梢所摄取,这是生理情况下高亲和力摄取,被摄取的5-HT大部分进入囊泡储存,一部分被降解代谢。当突触间隙5-HT高浓度时其他神经末梢也能摄取,这是低亲和力的、非特异性的摄取,被摄取的5-HT少部分在胞浆内被降解。与DA、NE、GABA一样,5-HT的摄取也是通过突触前膜上的5-HT转运体( SERT)实现的,5-HT转运体属Na+/Cl-依赖型转运体,5-HT被5-HT转运体摄入胞浆后,再经囊泡单胺类转运体摄取进入囊泡内储存。
突触间隙的5-HT大部分经过重摄取以终止其生理作用,另一部分则被线粒体表面的单胺氧化酶( MAO)所作用,进行降解代谢。降解代谢的步骤是5-HT首先在MAO的作用下氧化脱氨生成5-羟吲哚乙醛( 5-hydroxyindole aldehyde),然后经醛脱氢酶的快速氧化生成5-羟吲哚乙酸( 5-HIAA),这是中枢神经系统5-HT最主要的代谢方式,而且MAO在5-HT代谢中所起的作用,较其在NE代谢中的作用更为重要,在中枢神经系统,MAO是 5-HT的主要降解酶。单胺氧化酶可以存在于胞内线粒体表面,也可以存在于突触后膜。释放至突触间隙的5-HT,有一部分被存在于突触后膜的MAO破坏。
在脑内,还有两种酶作用于5-HT,使其代谢失活。一种是羟基吲哚氧位甲基移位酶( HIOMT),5-HT在HIOMT与MAO的作用下生成5-甲氧基吲哚乙酸( 5-MIAA)。脑内,HIOMT活性较弱,含量很微。另一种是芳香烃胺氮位甲基移位酶( AANMT),5-HT在AANMT的作用下生成N-甲基-5-HT。AANMT在神经末梢附近含量较高,但不含于突触体内,可能分布于突触体的周围,它的活性变化会对受体附近的5-HT浓度发生一定影响,进而影响突触的传递功能。总之,HIOMT与AANMT在脑内5-HT代谢中不起主要作用,只占极小比重,但在某些病理情况下具有一定作用。
5-羟色胺神经元的分布与纤维投射
据估计入类大脑中有数十万计的5-羟色胺能神经元,这些5-羟色胺能神经元胞体主要集中于中脑、脑桥和延髓的中缝核群以及低位脑干网质区。5-HT神经纤维在中枢神经系统( CNS)的走向,分为上行和下行两部分,其通路基本上和去甲肾上腺素能纤维相似。
上行纤维:主要由中缝背核B7和中央上核B6接受来自下丘脑、第三脑室周灰质、中脑中央灰质以及中脑网状结构的纤维。此两核发出大量上行纤维束,经腹侧被盖,沿途发出分支终于黑质、脚间核、腹侧被盖区,部分纤维经缰核脚间束至缰核、丘脑内侧束、束旁核和中缝核群,还有大量纤维加入内侧前脑束( MEB),沿途终于下丘脑外侧区、乳头体,此束至下丘脑前端即分散成大小不等的纤维束,分别向前投射,终止于视前核、隔核、嗅结节和额叶皮质;向外经脚襻-杏仁核腹侧通路至斜角带、前梨状区、杏仁核和内嗅皮质前部;其他纤维分布到尾状核和壳核的前部;另有一纤维束向背侧上升进入扣带束,并随扣带纤维分布至额、顶、枕叶的新皮质,最后抵达海马,此通路与睡眠、觉醒有关。
中缝背核与中央上核还发出纤维到背侧被盖核和蓝斑。中缝大核与中缝背核发出背侧上行纤维分别终于中脑中央灰质和下丘脑后区。
下行纤维:中缝隐核、中缝苍白核与中缝大核接受来自大脑皮质和脊髓的纤维,有的是经网状结构中继后的传入纤维,它们发出的纤维大部分下降至脊髓的侧索,其末梢分布于脊髓前角、侧角和后角;另一部分中缝大核的纤维直接至下橄榄核。此下行纤维进入小脑,终止于小脑皮质与小脑中央核群。中缝脑桥核与小脑间有丰富的往返纤维联系,它与锥体外系的运动调节有关。
5-羟色胺受体的分型、分布及作用
1997年国际药理学会根据受体结构、信号转导及动力学特征将哺乳动物5-HT受体( 5-HTR)分为7个家族,即5-HT1-7R,14个亚型,人类只有13个亚型( 5-HT5b在人类尚未检出),目前全部受体均已被克隆。根据受体信号转导通路不同,5-HT受体又可划分有两大类:一类是配体门控离子通道超家族,只有5-HT3R是离子通道型受体,目前至少发现存在两种5-HT3R亚型即5-HT3A,5-HT3B。另一类是G蛋白偶联受体超家族,除5-HT3R外,其余5-HT受体均属G蛋白偶联受体。现分别予以介绍:
5-HT1受体
有5种亚型,分别是5-HT1A、5-HT1B、5-HT1D、5-HT1E、5-HT1F。
一、5-HT1A受体的分布
在中枢神经系统,以海马、侧间脑、杏仁核与脑皮质边缘区和中缝背核最多,丘脑下部、锥体外系、内嗅皮质和脊髓也有分布。其主要功能: 5-HT1A受体属于胞体树突自身受体,5-HT细胞体上的5-HT1A自身受体对5-HT能神经元有抑制作用,给予选择性5-HT1A激动剂后,可以减少中缝核神经元的激活及其末梢5-HT的释放。5-HT1A在突触前作为自身受体激活时,与Gi蛋白偶联,抑制腺苷酸环化酶,增加K+电导,降低高阈值的Ca2 +内流,膜超极化,抑制5-HT能神经元的缓慢而有规律的放电活动。突触后也存在5-HT1A受体,参与的功能包括介导中枢降压机制;调节行为活动,5-HT1A受体兴奋,引起大鼠缓慢摇头,前足踏步、颤抖;增加食欲;调节体温,使动物体温降低;调节情绪,5-HT1A受体激动剂丁螺环酮有抗焦虑作用,对抑郁症也有效;在丘脑下部-垂体神经内分泌调节中促进催乳素、促生长激素释放激素/生长激素、促肾上腺皮质释放激素/ACTH释放。
二、5-HT1B受体
研究发现5-HT1B与人体内的5-HT1D受体类似。目前人们已经把5-HT1B受体和5-HT1D受体视为同一受体所表现出的种属差异。有人认为,MDMA产生的活动力增高是由5-HT1B受体介导,因为大量释放的5-HT作用于突触后5-HT受体,因而介导了行为学作用。然而,单纯的5-HT系统对运动功能的表达并不充分,还必须有完整的DA系统的参与才能充分表达。脑内5-HT能和DA能系统密切联系,5-HT一些亚型( 5-HT1B、5-HT2A和5-HT1 C)的受体对脑内DA功能有控制作用,并在MDMA的行为学效应中起作用。有关定位和损伤研究证明,5-HT1B受体位于从纹状体和伏隔核投射到黑质和中伏隔核DA通路,直接或间接兴奋5-HT1B受体可抑制分布于黑质和腹侧背盖区的DA神经元上的GABA神经末梢释放GABA,从而增加DA的释放。研究还表明,低剂量的MDMA通过释放5-HT,优先激活5-HT1B/1D受体而起作用(因为5-HT与5-HT1B/1D受体的亲和力比与5-HT2A受体亲和力高)。
三、5-HT1D受体
5-HT1D受体在基底核、皮质以及下丘脑的密度很高。5-HT1D受体,与5-HT1B受体的序列有63%的同源性,而在7个跨膜区中有77%的序列同源性。
5-HT1D受体活化的效应可能是舒马曲坦治疗偏头痛的作用机制。虽然有很大具有相对选择性的5-HT1B/1D受体激动剂已被发现,但是目前还没有选择性的单纯5-HT1D受体的激动剂。有人推测此受体与焦虑、抑郁以及很多神经精神方面的疾病有关,但这还需要进一步的证实。
四、5-HT1E受体
5-HT1E受体首先在人类身上发现。人脑受体结合研究报道,这些受体存在于杏仁体的尾核以及低位壳核、苍白球和额叶皮质。人的5-HT1E受体由三个研究小组分别独立克隆,这些受体独特之处在于它与大部分5-羟色胺能药物的亲和力很低。目前这些受体的生理与药理特征尚在研究之中。
五、5-HT1F受体
5-HT1F受体是新近鉴定出的一种亚型,其cDNA所编码的受体蛋白由366个氨基酸残基(人和大鼠)或377个氨基酸残基(小鼠)组成,但对其分布和功能了解尚少。有证据证明5-HT1F受体可能与偏头痛的病理机制有关。
5-HT2受体
有3种亚型: 5-HT2A、5-HT2B、5-HT2C。所有这些受体都是G蛋白偶联受体,三种受体在结构、药理学、信号转导机制等方面类似。5-HT2A受体原命名5-HT2受体,5-HT2B受体原命名为5-HT2F受体或SRL受体。在人肺部动脉内皮细胞内,受体5-HT2B引起的Ca2 +的释放不依赖于磷脂酰肌醇水解。
一、5-HT2A受体
5-HT2A受体既存在于外周,又存在于中枢。外周的受体分布在血管、支气管、尿道平滑肌组织和血小板中,它们的功能是收缩血管和支气管以及聚合血小板。中枢神经系统中,分布于非5-羟色胺神经元的突触后膜,主要位于新皮质、屏状核、嗅觉核团以及基底神经节,作用是抑制中央前额叶的神经元激活,抑制神经递质释放(包括谷氨酸、多巴胺、乙酰胆碱以及去甲肾上腺素)并且调节慢波睡眠和内分泌反应。刺激啮齿动物的5-HT2A受体可引起甩头,同时还介导致幻剂(如麦角酰二乙胺,LSD)的作用。研究表明,高剂量的MDMA通过释放的5-HT激活5-HT2A受体,或MDMA自身与5-HT2A受体结合而起作用。5-HT能系统和DA能系统的协同作用,导致了MDMA独特的行为学效应。
5-HT2A与很多神经精神疾病比如抑郁症、焦虑症、精神分裂症、偏头痛、睡眠障碍等有关。
二、5-HT2B受体
这些受体在外周存在于胃底部、肝脏、肾脏、肌肉和肠内。尽管该受体可引起大鼠胃底部收缩,但有关该受体的其他功能还有待证实。已发现5-HT2B受体的mRNA转录子分散存在于脑部。通过研究啮齿动物发现刺激5-HT2B受体会引起中度的焦虑,减少理毛行为。同时它们还与急性偏头痛有关。
三、5-HT2C受体
5-HT2C受体最初发现于脉络丛,在黑质、苍白球、大脑皮质和嗅球中有少量分布。它们也存在于非5-HT神经元的突触后膜,推测可能与脑脊液和转铁蛋白的生成有关。此外,它的功能与运动减少、厌食以及偏头痛的发生有关。
三、5-HT3受体
5-HT3受体最初被确定存在于外围神经系统中,随后又发现它也存在于中枢神经系统中,特别是在极后区、内嗅区皮质、额叶皮质和海马。5-HT3受体是5-HT受体家族中唯一的非选择性钾/钠离子通道受体,可以调节快速的突触传导。
5-HT3受体拮抗剂可用来对抗化疗所引起的恶心、呕吐现象。通过对动物的研究表明5-HT3受体拮抗剂可提高记忆力,同时作为一种非典型的精神安定剂还具有抗焦虑作用。到目前为止,5-HT3受体拮抗剂的上述功能的作用机制还不是很明确,只知道5-HT3受体可调节多巴胺和乙酰胆碱的释放,还可能与GABA的释放有关。
四、5-HT4受体
最初有关5-HT4受体的描述是:其存在于小鼠的小丘神经元和豚鼠的大脑,与腺苷酸环化酶相偶联,具有特殊的药理学作用。事实上,它们不受经典的5-HT1、5-HT2或者5-HT3受体拮抗剂的抑制。5-HT4受体在大鼠脑中多巴胺功能相关的区域含量较高。主要集中在纹状体、基底神经节、伏核等,它们分布在GABA能或胆碱能中间神经元和GABA能黑质投射区。Bockaert指出5-HT4受体参与突触重塑和记忆处理工程。该受体在边缘系统的分布说明它与情绪和奖赏反应有关。该受体还存在于基底神经节和黑质中,说明它们对视觉也有作用。
目前还没有生理学与行为学的资料确定5-HT4受体的配体在神经精神疾病的治疗作用。然而,对5-HT4受体的初步了解提示其可能成为这些疾病的治疗药物的作用靶点。
五、5-HT5受体
有两种5-HT5受体被克隆出来( 5-HT5A,5-HT5B),它们的氨基酸序列与其他的5-HT受体没有任何联系,但是它们的药理学特征与5-HT1D受体很相似。编码该受体的mRNA分布在大鼠的脑皮质、海马、缰核、嗅球、小脑中。初步研究表明这两种受体皆不与G蛋白偶联,从而推测它们可能与离子通道相连。5-HT5受体的功能与5-HT1D受体相似,包括行为控制、进食、焦虑和抑郁,该受体对大脑的发育也起到一定作用。
目前对该受体了解最少,还没有发现天然有功能的5-HT5受体,而是通过脑组织来源的cDNA文库克隆得到5-HT5A和5-HT5B受体。所以国际药理学联合会( IUPHAR)受体命名委员会建议其名称以小写( 5-HT5)。
六、5-HT6受体
大鼠脑中的5-HT6受体只分布在中枢神经系统中,主要是在纹状体、边缘和皮质区,且与腺苷酸环化酶相连。该受体与精神疾病有关,一些抗精神病药(如氯氮平等)和抗抑郁药(氯米帕明等)与其亲和力很高,均起拮抗作用。5-HT6受体选择性配体很少,许多该受体的功能的根据都来自于对其反义寡核苷酸的研究。
七、5-HT7受体
有两类新的5-HT受体被归类为5-HT7受体,它们之间非常相似,均与腺苷酸环化酶偶联,其跨膜区与其他大多数5-HT受体同源性不到55%。而第二种5-HT7受体与其他5-HT受体的同源性为50%。有人推测这些受体可能与情绪,学习,神经内分泌以及自主神经的活动有关。和5-HT6受体一样5-HT7受体与抗抑郁药和抗精神病药有很高的亲和力。5-HT7受体还与其他被认为对5-HT受体相对选择性的药物[如5-HT2A受体拮抗剂rianserin,5-HT1A受体激动剂8-OH-DPAT和5-HT2A和多巴胺受体拮抗剂螺哌隆( spiperone)]有很高的亲和力,这造成了5-HT受体神经药理学如此复杂,此外,和5-HT1A以及其他5-HT受体一样,5-HT7受体对糖皮质激素利用度的改变非常敏感,糖皮质激素利用度可能是与糖皮质激素变化有关的一个重要因素,而应激状态和抑郁症时经常观察到糖皮质激素的变化。
5-HT受体与很多疾病密切相关,尤其是精神方面疾病,如抑郁症、焦虑症,强迫症、惊恐障碍等,还涉及偏头痛和饮食方面的疾病。目前治疗这些疾病的方法很多是通过调节5-HT来完成的,开发出更多的选择性配体可提高现有治疗方法的有效性,并减少其副作用。5-HT受体研究的趋势是通过分子药物而不是化学药物来改变受体,通过有选择性的破坏编码基因,从而去除5-HT受体信号传导系统中的某一成分,这一方法在本研究领域中已经越来越流行。