Synaptisk hæmning

VII γ-aminosmørsyre- og glycinreceptorkanaler

Synaptisk hæmning i centralnervesystemet (CNS) formidles i vid udstrækning af GABAA- og glycinreceptorer. Disse ligand-gated receptorkanaler er selektivt permeable for anioner, hovedsageligt Cl- under fysiologiske forhold. GABA-gated Cl- kanaler betegnes som GABAA-receptorer for at skelne dem fra den G-protein-koblede GABABAB-receptor (Padgett og Slesinger, 2010). GABAA- og glycinreceptorer er medlemmer af Cys-loop-receptorfamilien. I modsætning til andre pattedyrs Cys-loop-receptorer, der er ikke-selektive kationkanaler, er GABAA- og glycin-kanaler selektivt permeable for anioner.

Næsten alle CNS-neuroner har GABAA-receptorer, mens den anatomiske fordeling af glycin-receptorer generelt er begrænset til hjernestammen og rygmarven. GABAA-receptorer er ofte lokaliseret på proximale dendritter af centrale neuroner, men udtrykkes også på axonets indledende segmenter og distale dendritter. Da Cl-ligevægtspotentialet i mange neuroner er mere negativt end hvilepotentialet, hyperpolariserer åbningen af GABAA- eller glycin-kanaler cellemembranpotentialet og reducerer excitabiliteten. Ud over at hyperpolarisere membranpotentialet sænker åbningen af et stort antal af disse kanaler den elektriske modstand i membranen. GABAA-kanaler på proximale dendritter “shunter” således effektivt excitation, der bevæger sig nedad dendriten fra excitatoriske synapser på mere distale dendritforgreninger. I nogle neuroner, især i den tidlige udvikling, er Cl-ligevægten mere positiv end hvilepotentialet, hvilket resulterer i depolariserende GABAA- eller glycinresponser. Depolariserende GABAA-reaktioner, der forekommer i axoner, kan øge excitabiliteten og frigivelsen af neurotransmittere. Endelig indeholder nogle hæmmende synapser i rygmarven og hjernestammen både GABAA- og glycinreceptorer. Analyse af unitære frigivelseshændelser på disse steder viser, at enkelte synaptiske vesikler indeholder både GABA og glycin, og at en subpopulation af postsynaptiske steder indeholder begge receptortyper (Jonas et al., 1998). Som med andre ligand-gated neurotransmitterreceptorer har molekylære undersøgelser afsløret forankrings- og reguleringsproteiner, der interagerer med glycin- og GABAA-receptorer, såsom gephyrin (Fritschy et al., 2008) og GABA-receptor-associeret protein (GABARAP; Mohrluder et al., 2009). Gephyrin blev identificeret som et cytoplasmatisk protein, der interagerer direkte med glycinreceptorer. Gephyrin interagerer også med tubulin og det aktinbindende protein profilin og fungerer således som en bro mellem glycinreceptorer og cytoskelettet. Gephyrin er også samlokaliseret med GABAA-receptorer på postsynaptiske steder, men i modsætning til glycinreceptorer er det ikke blevet vist, at det binder til GABAA-receptorer. GABARAP interagerer med mange GABAA-receptorsubtyper og binder sig til gephyrin og tubulin. Interaktion med disse cytoplasmatiske faktorer kan ændre lokalisering og trafikering af GABAA- og glycinreceptorer samt skabe zoner med lokaliseret signaltransduktion.

Opførslen af enkelte GABAA- og glycin-kanaler kan beskrives ved et kinetisk skema svarende til det for nAChR med binding af to agonistmolekyler, der kræves for kanalåbning (Macdonald og Twyman, 1992). Analyse af åbninger og lukninger af enkelte GABAA-kanaler tyder på, at kanalen kan åbne kortvarigt efter binding af et enkelt GABAA-molekyle og i to længerevarende åbne tilstande fra den dobbeltligandede konfiguration. En sammenligning af den samlede åbningsvarighed for enkelt- og dobbelt-ligandede receptorer viser, at besættelse af begge agoniststeder resulterer i langt flere kanalåbninger. Kanalerne kan lukke og genindtræde i længerevarende åbne tilstande, før agonisten dissocieres fra receptoren. Disse såkaldte bursts består af korte lukninger, der afbryder en række åbninger, og de kan vare i titusindvis af millisekunder. Desensibilisering af GABAA-kanaler resulterer i lange lukkede intervaller, der sammen med bursts grupperes i klynger, der varer op til flere hundrede millisekunder. Disse klynger er vigtige for at bestemme varigheden af hæmmende postsynaptiske potentialer ved nogle synapser (Jones og Westbrook, 1996).

De lægemidler, der virker på GABAA- og glycin-kanaler, omfatter et fascinerende rigt sortiment af klinisk vigtige stoffer (Olsen et al., 1991). Da disse kanaler ligger til grund for synaptisk hæmning i CNS, kan en forøgelse eller reduktion af deres aktivitet føre til dybtgående ændringer i hjernefunktionen, herunder amnesi (øget GABAA-aktivitet) eller krampeanfald (nedsat GABAA-aktivitet). Antagonister for disse receptorer omfatter stryknin, som hæmmer glycinreceptorer; bicucullin, som hæmmer GABAA-receptorer; og picrotoxin, som hæmmer begge receptortyper. GABAA-receptoren er også målet for beroligende-hypnotiske stoffer som benzodiazepiner og barbiturater. Benzodiazepiner (BDZ) øger sandsynligheden for kanalåbning, mens barbiturater synes at virke ved at forlænge lange kanalåbninger (bursts). Farmakologien i forbindelse med benzodiazepinmoduleringen af GABAA-receptoren er særlig interessant, fordi stofferne enten kan øge kanalåbningen (BDZ-agonister), reducere kanalåbningen (BDZ-inverse agonister) eller blokere virkningerne af BDZ-agonister (BDZ-antagonister). GABAA-receptoraktivitet moduleres også af alkohol, flygtige anæstetika, såsom isofluran, og nogle steroidanæstetika (eller deres endogene ækvivalenter, neurosteroiderne).

Med benzodiazepiner og stryknin som selektive ligander blev GABAA- og glycinreceptorer oprenset som multimeriske proteinkomplekser, hver med molekylvægte på ca. 50-60 kDa. Det solubiliserede receptorkompleks havde en molekylvægt på ca. 250 kDa, hvilket tyder på, at fem underenheder, ligesom for AChR, udgør en receptor. Efterfølgende molekylær kloning identificerede en række receptorunderenheder for begge receptorer. Glycin-underenhederne omfatter den strykninbindende underenhed (α), hvoraf fire er blevet klonet, og en enkelt β-underenhed, med en stoikiometri på (α)2(β)3 for receptorer fra modne dyr. Det er interessant, at den umodne form af glycinreceptoren kun indeholder α-underenheder. Gephyrin binder til β-underenheden, og interaktionen mellem gephyrin og glycinreceptorer er således begrænset til den voksne form. Der er identificeret 19 GABAA-underenheder, som er blevet grupperet i henhold til sekvenslighed. Disse omfatter seks α-, tre β-, tre γ- og tre ρ-underenheder samt enkelte δ-, ɛ-, π- og Θ-subtyper (Wisden og Seeburg, 1992; Olsen og Sieghart, 2009). I heterologe systemer kan ekspression af enkelte GABAA- eller glycinreceptorunderenheder resultere i funktionelle homomeriske receptorer. Men i betragtning af de brede samekspressionsmønstre for mange GABAA- og glycinreceptorunderenheder og den funktionelle heterogenitet af native receptorer forekommer homomeriske receptorer sandsynligvis sjældent. Det store antal GABAA-receptorunderenheder udgør en stor udfordring, når det drejer sig om at bestemme, hvilke kombinationer der danner funktionelle receptorer i neuroner. Udtrykket af GABAA- og glycinreceptorunderenheder varierer også under udviklingen og med den neuronale celletype. Baseret på farmakologi, ekspression, biokemi og subcellulær lokalisering er der identificeret mindst 26 forskellige typer af native GABAA-receptorer i CNS neuroner (Olsen og Sieghart, 2009).

Sammensætningen af underenheder kan have en stærk indflydelse på de biofysiske og farmakologiske egenskaber af GABAA- og glycinreceptorer. GABA- og benzodiazepinbindingsstederne befinder sig ved grænsefladen mellem henholdsvis en α-underenhed og en β- eller γ-underenhed (normalt γ2). γ2-underenheden er bredt og stærkt udtrykt i CNS, og genetisk deletion reducerer i høj grad BDZ-bindingsstederne i hjernen. Interessant nok har α6-underenheden en lav affinitet for BDZ-agonister, men kan stadig binde BDZ-inverse agonister eller antagonister, hvilket kan forklare benzodiazepin-insensitive GABAA-receptorer i nogle neuroner. Homomeriske receptorer bestående af GABAA-receptorens ρ-underenhed er bicuculin-ufølsomme, svagt antagoniserede af picrotoxin og ufølsomme over for BDZ’er, barbiturater og neurosteroider. Disse kanaler udviser også forskellige gating-egenskaber og konduktanser sammenlignet med andre GABAA-receptorer. De blev oprindeligt kaldt GABAC-receptorer. På grund af deres sekvenslighed og foreslåede struktur betragtes de imidlertid i øjeblikket som en undertype af GABAA-receptorer. De tre ρ-underenheder (ρ1, ρ2 og ρ3) udtrykkes i hele CNS, men udtrykket er overvejende i flere celletyper i nethinden.