Synaptická inhibice

VII Kanály γ-aminomáselné kyseliny a glycinových receptorů

Synaptická inhibice v centrálním nervovém systému (CNS) je z velké části zprostředkována GABAA a glycinovými receptory. Tyto ligandem řízené receptorové kanály jsou za fyziologických podmínek selektivně propustné pro anionty, hlavně Cl-. GABA-gated Cl- kanály jsou označovány jako GABAA receptory, aby se odlišily od G-proteinem spřaženého GABAB receptoru (Padgett a Slesinger, 2010). GABAA a glycinové receptory patří do rodiny receptorů s Cys smyčkou. Na rozdíl od ostatních savčích receptorů s Cys-smyčkou, které jsou neselektivními kationtovými kanály, jsou GABAA a glycinové kanály selektivně propustné pro anionty.

Téměř všechny neurony CNS mají GABAA receptory, zatímco anatomické rozšíření glycinových receptorů je obecně omezeno na mozkový kmen a míchu. GABAA receptory jsou často lokalizovány na proximálních dendritech centrálních neuronů, ale jsou také exprimovány na počátečních segmentech axonů a distálních dendritech. Protože rovnovážný potenciál Cl- je u mnoha neuronů negativnější než klidový potenciál, otevření kanálů GABAA nebo glycinu hyperpolarizuje potenciál buněčné membrány a snižuje excitabilitu. Kromě hyperpolarizace membránového potenciálu snižuje otevření velkého počtu těchto kanálů elektrický odpor membrány. Kanály GABAA na proximálních dendritech tak účinně „šuntují“ vzruch putující dolů po dendritu z excitačních synapsí na distálnějších dendritických větvích. V některých neuronech, zejména během raného vývoje, je rovnováha Cl- pozitivnější než klidový potenciál, což vede k depolarizujícím reakcím GABAA nebo glycinu. Depolarizující GABAA odpovědi vyskytující se v axonech mohou zvýšit excitabilitu a uvolňování neurotransmiterů. A konečně některé inhibiční synapse v míše a mozkovém kmeni obsahují jak GABAA, tak glycinové receptory. Analýza jednotkových událostí uvolňování v těchto místech ukazuje, že jednotlivé synaptické vezikuly obsahují jak GABA, tak glycin a že subpopulace postsynaptických míst obsahuje oba typy receptorů (Jonas et al., 1998). Stejně jako u jiných ligandem řízených neurotransmiterových receptorů odhalily molekulární studie kotvící a regulační proteiny, které interagují s glycinovými a GABAA receptory, například gefyrin (Fritschy et al., 2008) a GABA receptor-asociovaný protein (GABARAP; Mohrluder et al., 2009). Gefyrin byl identifikován jako cytoplazmatický protein, který přímo interaguje s glycinovými receptory. Gefyrin také interaguje s tubulinem a aktin-vázajícím proteinem profilinem a funguje tak jako most mezi glycinovými receptory a cytoskeletem. Gefyrin je také kolokalizován s receptory GABAA v postsynaptických místech, ale na rozdíl od glycinových receptorů nebylo prokázáno, že by se vázal na receptory GABAA. GABARAP interaguje s mnoha podtypy receptorů GABAA a také se váže na gefyrin a tubulin. Interakce s těmito cytoplazmatickými faktory může měnit lokalizaci a obchodování s receptory GABAA a glycinovými receptory a také vytvářet zóny lokalizovaného přenosu signálu.

Chování jednotlivých kanálů GABAA a glycinových kanálů lze popsat kinetickým schématem podobným chování nAChR s vazbou dvou molekul agonisty nutnou pro otevření kanálu (Macdonald a Twyman, 1992). Analýza otevírání a zavírání jednotlivých kanálů GABAA naznačuje, že kanál se může po navázání jedné molekuly GABAA krátce otevřít do dvou déle trvajících otevřených stavů z dvojnásobně ligandované konfigurace. Srovnání celkové doby trvání otevření jedno- a dvojnásobně vázaných receptorů ukazuje, že obsazení obou míst agonisty vede k mnohem většímu počtu otevření kanálu. Kanály se mohou uzavírat a znovu přecházet do déle trvajících otevřených stavů, než agonista od receptoru disociuje. Tyto tzv. bursty se skládají z krátkých uzavření přerušujících řadu otevření a mohou trvat desítky milisekund. Výsledkem desenzitizace kanálů GABAA jsou dlouhé uzavřené intervaly, které se spolu s bursty seskupují do shluků trvajících až několik set milisekund. Tyto shluky jsou důležité při určování trvání inhibičních postsynaptických potenciálů na některých synapsích (Jones a Westbrook, 1996).

Léčiva, která působí na GABAA a glycinové kanály, zahrnují fascinujícím způsobem bohatý sortiment klinicky významných látek (Olsen a kol., 1991). Protože tyto kanály jsou základem synaptické inhibice v CNS, může zvýšení nebo snížení jejich aktivity vést k hlubokým změnám mozkových funkcí, včetně amnézie (zvýšení aktivity GABAA) nebo záchvatů (snížení aktivity GABAA). Mezi antagonisty těchto receptorů patří strychnin, který inhibuje glycinové receptory, bikukulin, který inhibuje GABAA receptory, a pikrotoxin, který inhibuje oba typy receptorů. Receptor GABAA je také cílem sedativně-hypnotických léčiv, jako jsou benzodiazepiny a barbituráty. Benzodiazepiny (BDZ) zvyšují pravděpodobnost otevření kanálu, zatímco barbituráty zřejmě působí tak, že prodlužují dlouhá otevření kanálu (bursty). Farmakologie modulace receptoru GABAA benzodiazepiny je obzvláště zajímavá, protože sloučeniny mohou buď zvýšit otevření kanálu (agonisté BDZ), snížit otevření kanálu (inverzní agonisté BDZ) nebo blokovat účinky agonistů BDZ (antagonisté BDZ). Aktivita receptorů GABAA je také modulována alkoholem, těkavými anestetiky, jako je isofluran, a některými steroidními anestetiky (nebo jejich endogenními ekvivalenty, neurosteroidy).

Při použití benzodiazepinů a strychninu jako selektivních ligandů byly receptory GABAA a glycin purifikovány jako multimerní proteinové komplexy, každý s molekulovou hmotností přibližně 50-60 kDa. Rozpuštěný komplex receptorů měl molekulovou hmotnost přibližně 250 kDa, což naznačuje, že stejně jako u AChR tvoří receptor pět podjednotek. Následné molekulární klonování identifikovalo řadu receptorových podjednotek pro oba receptory. Glycinové podjednotky zahrnují podjednotku vázající strychnin (α), z níž byly klonovány čtyři, a jedinou podjednotku β se stechiometrií (α)2(β)3 pro receptory ze zralých zvířat. Zajímavé je, že nezralá forma glycinového receptoru obsahuje pouze α podjednotky. Gefyrin se váže na podjednotku β, takže interakce mezi gefyrinem a glycinovými receptory je omezena na dospělou formu. Bylo identifikováno devatenáct podjednotek GABAA, které byly seskupeny podle sekvenční podobnosti. Patří mezi ně šest podjednotek α, tři β, tři γ, tři ρ a jednotlivé podtypy δ, ɛ, π a Θ (Wisden a Seeburg, 1992; Olsen a Sieghart, 2009). V heterologních systémech může exprese jednotlivých podjednotek receptoru GABAA nebo glycinu vést k funkčním homomerním receptorům. Vzhledem k širokému vzorci koexprese mnoha podjednotek receptorů GABAA a glycinu a funkční heterogenitě nativních receptorů se však homomerní receptory pravděpodobně vyskytují zřídka. Velký počet podjednotek receptorů GABAA představuje obrovskou výzvu při určování, které kombinace tvoří funkční receptory v neuronech. Exprese podjednotek receptorů GABAA a glycinu se také mění během vývoje a s typem neuronální buňky. Na základě farmakologie, exprese, biochemie a subcelulární lokalizace bylo v neuronech CNS identifikováno nejméně 26 různých typů nativních receptorů GABAA (Olsen a Sieghart, 2009).

Složení podjednotek může mít silný vliv na biofyzikální a farmakologické vlastnosti receptorů GABAA a glycinu. Vazebná místa pro GABA a benzodiazepiny se nacházejí na rozhraní mezi podjednotkou α a podjednotkou β, respektive γ (obvykle γ2). Podjednotka γ2 je široce a vysoce exprimována v CNS a genetická delece výrazně snižuje počet vazebných míst pro BDZ v mozku. Zajímavé je, že podjednotka α6 má nízkou afinitu k agonistům BDZ, ale přesto může vázat inverzní agonisty nebo antagonisty BDZ, což může vysvětlovat benzodiazepinově necitlivé receptory GABAA v některých neuronech. Homomerní receptory tvořené podjednotkou ρ receptoru GABAA jsou necitlivé na bikukulin, slabě antagonizované pikrotoxinem a necitlivé na BDZ, barbituráty a neurosteroidy. Tyto kanály také vykazují odlišné hradlové vlastnosti a vodivost ve srovnání s ostatními receptory GABAA. Původně byly označovány jako receptory GABAC. Vzhledem k jejich sekvenční podobnosti a navrhované struktuře se však v současnosti považují za podtyp receptorů GABAA. Tři podjednotky ρ (ρ1, ρ2 a ρ3) jsou exprimovány v celém CNS, ale exprese je převážně v několika typech buněk v sítnici

.