c-jun基因具有把短时程作用的细胞外信号和细胞功能的长程改变偶联起来的作用。c-jun基因对学习记忆的影响主要是受到刺激,激活转录生成mRNA,逸出胞核进入胞浆,核糖体以 mRNA为模版翻译成Jun蛋白,重新进入核内,与同时表达的Fos蛋白通过亮氨酸拉链区结合构成异构二聚体激活蛋白-1(AP-1)。AP-1 通过与靶基因启动子区 TGAC/GTCA序列结合,调节靶基因的表达。

在哺乳动物中枢神经系统中,c-jun可被长程增强 LTP诱导以及行为训练诱导表达,如Y迷宫训练后,大脑皮层c-jun mRNA 表达明显增多。实验表明鸡c-jun的表达在辨别学习和被动回避学习以后增多。大鼠海马c-jun mRNA 在食物压杆操作学习后表达增强,且严格局限于海马。随着LTP的诱导,包括c-jun在内的很多即刻早期基因在脑内的表达明显增加^{[ 2]}。Heurteaux等^{[ 3]}训练大鼠完成物性压杠实验后,见到c-jun的激活严格局限于海马,并且是学习依赖性的;训练组c-jun mRNA水平比假条件反射组高4～5倍。提示海马C-jun在智力方面的重要作用。染铅组小鼠跳台实验学习能力明显低于对照组,c-jun mRNA 表达下降,且随染铅浓度的增高而减少^{[ 4]}。

在海马和脑室内注射反义硫代C-jun寡核苷酸(反义C-jun S-ODN),大鼠主动回避实验的学习能力明显低于对照组,缺乏c-jun会损害主动回避能力。并且大鼠LTP 发生抑制,诱出率明显减少,即使已发生LTP的大鼠,PS 幅度的增幅和场兴奋性突触后电位(f EPSP)斜率的增幅也明显低于对照组^{[ 5]}。表明c-jun在海马CA1区LTP的形成中有重要作用。Tischmeyer报道反义C-jun S-ODN会损害明暗辨别学习能力。c-jun作为即早基因的一种,其自身由胞浆中的第二信使等物质激活,进入胞核后,诱导另一些在细胞功能活动中更重要的基因表达,生成一些对细胞结构和功能有较长远影响的蛋白质,这样外来刺激通过第二信使在胞浆中引起某些即时反应,再通过快反应基因引起细胞功能和结构的适应性改变。由于反义C-jun S-ODN 阻断了这一通路,所以使学习记忆能力受损。

研究中随着饮用水中铅含量增高,鼠的血铅和脑铅浓度增高。逆转录聚合酶链反应(RT-PCR)结果显示,c-jun mRNA水平随铅浓度的升高而下降。跳台实验主要反应鼠的防御性回避学习能力。c-jun mRNA水平的变化规律与各组小鼠学习记忆能力一致。认为c-jun基因表达的变化可能是慢性铅染毒导致小鼠学习记忆能力下降的重要中间环节^{[ 4]}。张莹等^{[ 5]}的研究结果显示,急性铅染毒可能间接阻碍了c-jun基因的反应表达,使C-jun蛋白水平降低。

即早基因被视为在外界刺激-转录偶联的信息传导过程中起着核内第三信使的作用,其表达可分为功能性刺激表达和伤害性刺激表达^{[ 6, 7, 8]}。

现已了解,c-fos被激活后迅速转录,其表达产物Fos蛋白是真核细胞的转录因子,可进入细胞核内参与对靶基因的转录调节,因而c-fos基因的激活和表达可作为神经活动和基因活动的功能标志。Fos作为第三信使,通过激活异源二聚体AP-1结合位点完成从第二信使到晚期第二信使的传导。海马学习记忆的重要生物学标志是LTP的形成和维持,而LTP只是一种生物电现象既带电离子的转运的外在表象,本身并不能直接导致学习记忆,而是负载LTP的各种离子进一步诱发新的神经生物机制。启动新的化学调控程序,诱导新的蛋白质的合成和突触的重新塑造,这是学习记忆形成的基础和必要条件。研究证明,在脑组织中,c-fos的表达与神经细胞的发育、神经活动、学习记忆的过程或 LTP 的形成有关,尤其与空间记忆和长时程记忆有关。

研究可视物刺激后Fos蛋白在鼠脑中的表达情况时发现阳性细胞在鼠脑的8个区域内表达,并且鼠在接受新的物体刺激时所表达的Fos比接受熟悉物体刺激所表达的Fos要高^{[ 9]}。大鼠在视觉、嗅觉识别记忆获得过程中视神经细胞、嗅球及海马中c-fos基因表达明显增高。大鼠在八臂放射状迷宫和黑暗回避训练后海马^{[ 10, 11]}或 Meynert^{[ 12]}基底神经节的c-fos表达均明显增强。许多研究证实,在学习记忆过程中均伴有c-fos和c-junmRNA 和蛋白水平表达升高,提示诱导海马c-fos和c-Jun的表达是形成长期记忆的必要条件^{[ 14]}。这些都提供了进一步的证据证明这些区域在信息的加工识别和记忆的保留方面具有重要的潜在作用,尤其是长时程记忆和空间记忆的形成方面。c-fos mRNA表达高峰在刺激后1 h。小脑颗粒细胞上N-甲基天冬氨酸受体(NMDAR)可诱导即早基因c-fos的表达,从而因影响神经元的可塑性。由此可见,诱导海马c-fos的表达是长期记忆形成的必要条件,记忆是中枢神经系统的高级整合,记忆的细胞分子基础定位于突触,记忆形成的前提是突触效应增强。

但是海马c-fos基因在铅致学习记忆功能损害中的作用尚未完全阐明,其机制大多认为是由于激活钙通道使细胞外Ca大量内流引起的,因为阻断了Ca大内流可抑制c-fos基因表达。张莹^{[ 5]}通过醋酸铅刺激小鼠海马c-fos基因表达,PCR检测结果显示,慢性铅染毒可能间接阻碍了c-fos基因的反应性表达,使c-fosmRNA水平降低,其产物Fos蛋白减少。c-fos mRNA水平的变化规律与前述各组小鼠学习记忆能力的变化一致,说明c-fos基因表达状况的变化可能是慢性铅染毒导致小鼠学习记忆能力下降的重要中间环节。铅对c-fos基因表达的影响可能是造成学习记忆功能障碍的重要分子机制之一。

bcl2基因家族(包括bcl-2、bcl2x、bax、bad等)在细胞凋亡中起重要作用^{[ 15, 16]}。其中bcl2、bclXL为抑凋亡基因,bclXS、bax、bad为促凋亡基因。有研究^{[ 17]}发现,在海马CA1、CA3和齿状回 (DG)区,染铅组bcl2表达降低,bax表达增高,各染铅组仔鼠海马亚区Bcl-2蛋白表达强度明显下降,Bax蛋白表达强度明显增高。染铅大鼠大脑皮层海马和小脑细胞凋亡率均明显升高,细胞凋亡率与染铅量有剂量反应关系。bcl-2基因表达明显降低,bax基因表达明显增加,有剂量反应关系;bcl-2/bax明显下降,也有剂量反应关系。细胞凋亡率与bcl-2含量呈负相关,与bax含量呈正相关,与bcl-2/bax呈负相关^[18]。相关研究显示,随着染铅剂量的增加,各染铅组仔鼠海马可见神经元细胞凋亡数明显增多,推测这可能与bcl-2和bax基因表达比例失调有关^[18]。而发育早期神经元异常凋亡可能是铅损害学习记忆行为,导致远期神经毒性的机制之一。

唐瑜等^{[ 19]}通过免疫细胞化学染色表明 Bcl-2 蛋白表达随染铅剂量增大而减少,Bax表达随染铅剂量增大而上调。推测铅可通过某种途径抑制bcl-2。近年来研究表明铅会导致海马神经元不同程度的凋亡。在一定的浓度范围,铅会影响海马大鼠神经元的学习和记忆正常功能^{[ 20]}。Sharifi等^{[ 21]}的研究结果显示慢性铅暴露对大鼠海马体内产生神经毒性凋亡作用。铅可诱导大鼠氧化应激、DNA损伤和bcl-2表达^{[ 22]}。

细胞凋亡的发生,受到许多因素的调控,如癌基因bcl-2、bax、fos、jun、抑癌基因p53及NO等^{[ 23]}。正常情况下,神经细胞中fos、jun、p53均有低水平表达。试验观察到铅可增加大鼠脑组织中fos、jun基因的表达,过量表达一方面可以诱发脑组织细胞凋亡,另一方面,可能作为核内转录调控因子调节其他凋亡相关基因的表达,研究中表现为p53的表达升高。野生型p53是一种肿瘤抑制基因,其生物学功能是在G1期监视细胞基因组DNA的完整性,阻断细胞于周期检查点,另外还可直接诱导凋亡的功能。

徐进等^{[ 24]}的研究中表明PC-12细胞暴露于醋酸铅24 h后,Bax与p53的表达升高趋势十分接近。这说明在铅锈导的细胞调亡中,Bax表达增强可能受p53调控。安兰敏^{[ 25]}提示p53可作为调控因子参与铅对中枢神经系统的损害的毒性过程,高表达的p53启动调亡过程,诱导细胞凋亡。一氧化氮合酶(NOS)3种亚型中n型一氧化氮合酶(nNOS)在细胞处于生理状态即有表达,而i型一氧化氮合酶(iNOS)生理状态下不表达,在受细胞因子等刺激后呈诱导性表达,iNOS一旦被激活则很难调节,并产生大量的NO,直至底物耗竭,iNOS合成增多是引起体内NO过量产生的基础。

安兰敏等^[28]的研究提示铅可以增加海马组织中nNOS含量,并促进iNOS蛋白在海马、皮层神经细胞内的合成。细胞凋亡和有关基因及NOS的表达是一个互相影响的非常复杂的过程。野生型p53与细胞凋亡呈正相关,NO可影响细胞凋亡,在其诱导细胞凋亡时有p53基因表达,提示p53在NO诱发凋亡中有作用。另外NO还能增加fos等基因的mRNA水平,NO促进IEG表达的能力依赖于某些细胞内因子,且仅是神经元的一个亚群成为NO转录效应的靶位。安兰敏等^{[ 25]}证实铅诱导的神经细胞凋亡与fos、jun、p53、NOS呈现正相关,说明以上因素在铅的神经毒性中起着重要的作用。

以上叙述了目前与学习记忆研究较多的即刻早期基因。长时间记忆的形成有赖于突触效能的改变,包括突触重塑和神经元网络的重组。这些过程中包括神经元的遗传和蛋白的重新合成。阻断蛋白合成只影响长时间记忆而不影响短时间记忆,这说明在学习过程中调节基因的转录是形成长久记忆所必需的。LTP 也依赖于基因的转录和蛋白的合成。很多研究证明 LTP 和学习过程诱导了哺乳动物大脑的很多种基因的转录。虽然最初的细胞活化和基因转录产生的分子机制没有完全阐明,但是这个过程中有两个重要的步骤十分关键:神经系统结构表达转录因子的活化;诱导即早期基因表达的编码调节转录因子与启动元件相互反应的一系列下游效应基因。总而言之。皮层、海马均与学习和记忆有关,大量的细胞凋亡必定造成对中枢神经系统的损害及学习记忆的不良影响。当然,铅的分子神经毒作用机制相当复杂,完全阐明铅神经分子毒作用机制尚需进行更加深入的研究。