Synaptische Hemmung

VII γ-Aminobuttersäure- und Glycinrezeptorkanäle

Synaptische Hemmung im Zentralnervensystem (ZNS) wird weitgehend durch GABAA- und Glycinrezeptoren vermittelt. Diese ligandengesteuerten Rezeptorkanäle sind selektiv durchlässig für Anionen, unter physiologischen Bedingungen hauptsächlich für Cl-. GABA-gesteuerte Cl–Kanäle werden als GABAA-Rezeptoren bezeichnet, um sie vom G-Protein-gekoppelten GABAB-Rezeptor zu unterscheiden (Padgett und Slesinger, 2010). GABAA- und Glycinrezeptoren gehören zur Familie der Cys-Loop-Rezeptoren. Im Gegensatz zu anderen Cys-Loop-Rezeptoren von Säugetieren, die nicht-selektive Kationenkanäle sind, sind GABAA- und Glycin-Kanäle selektiv für Anionen durchlässig.

Fast alle Neuronen des ZNS haben GABAA-Rezeptoren, während die anatomische Verteilung von Glycin-Rezeptoren im Allgemeinen auf den Hirnstamm und das Rückenmark beschränkt ist. GABAA-Rezeptoren sind häufig auf proximalen Dendriten zentraler Neuronen lokalisiert, werden aber auch auf Axonanfangssegmenten und distalen Dendriten exprimiert. Da das Cl-Gleichgewichtspotenzial in vielen Neuronen negativer ist als das Ruhepotenzial, führt die Öffnung von GABAA- oder Glycin-Kanälen zu einer Hyperpolarisierung des Zellmembranpotenzials und zu einer Verringerung der Erregbarkeit. Zusätzlich zur Hyperpolarisierung des Membranpotenzials senkt die Öffnung einer großen Anzahl dieser Kanäle den elektrischen Membranwiderstand. Somit „shunten“ GABAA-Kanäle an proximalen Dendriten die Erregung, die von erregenden Synapsen an distaleren Dendritenästen den Dendriten hinunterwandert, effektiv. In einigen Neuronen, insbesondere während der frühen Entwicklung, ist das Cl-Gleichgewicht positiver als das Ruhepotenzial, was zu depolarisierenden GABAA- oder Glycin-Reaktionen führt. Depolarisierende GABAA-Antworten, die in Axonen auftreten, können die Erregbarkeit und die Freisetzung von Neurotransmittern erhöhen. Schließlich enthalten einige hemmende Synapsen im Rückenmark und Hirnstamm sowohl GABAA- als auch Glycinrezeptoren. Die Analyse einheitlicher Freisetzungsereignisse an diesen Stellen zeigt, dass einzelne synaptische Vesikel sowohl GABA als auch Glycin enthalten und dass eine Teilpopulation postsynaptischer Stellen beide Rezeptortypen enthält (Jonas et al., 1998). Wie bei anderen ligandengesteuerten Neurotransmitter-Rezeptoren haben molekulare Studien Verankerungs- und Regulierungsproteine aufgedeckt, die mit Glycin- und GABAA-Rezeptoren interagieren, wie z. B. Gephyrin (Fritschy et al., 2008) und GABA-Rezeptor-assoziiertes Protein (GABARAP; Mohrluder et al., 2009). Gephyrin wurde als ein zytoplasmatisches Protein identifiziert, das direkt mit Glycinrezeptoren interagiert. Gephyrin interagiert auch mit Tubulin und dem aktinbindenden Protein Profilin und fungiert somit als Brücke zwischen Glycinrezeptoren und dem Zytoskelett. Gephyrin ist auch mit GABAA-Rezeptoren an postsynaptischen Stellen kolokalisiert, bindet aber im Gegensatz zu Glycinrezeptoren nachweislich nicht an GABAA-Rezeptoren. GABARAP interagiert mit vielen GABAA-Rezeptor-Subtypen und bindet auch an Gephyrin und Tubulin. Die Interaktion mit diesen zytoplasmatischen Faktoren kann die Lokalisierung und den Transport von GABAA- und Glycinrezeptoren verändern und Zonen mit lokalisierter Signaltransduktion schaffen.

Das Verhalten einzelner GABAA- und Glycin-Kanäle kann durch ein kinetisches Schema beschrieben werden, das dem des nAChR ähnelt, wobei die Bindung von zwei Agonistenmolekülen für die Kanalöffnung erforderlich ist (Macdonald und Twyman, 1992). Die Analyse der Öffnungen und Schließungen einzelner GABAA-Kanäle deutet darauf hin, dass sich der Kanal nach der Bindung eines einzelnen GABAA-Moleküls kurz öffnen und in zwei länger andauernde offene Zustände der doppelt ligierten Konfiguration übergehen kann. Ein Vergleich der Gesamtöffnungsdauer von einfach und doppelt ligierten Rezeptoren zeigt, dass die Besetzung beider Agonistenstellen zu viel mehr Kanalöffnungen führt. Die Kanäle können sich schließen und erneut in länger andauernde offene Zustände eintreten, bevor der Agonist vom Rezeptor dissoziiert. Diese so genannten Bursts bestehen aus kurzen Schließungen, die eine Reihe von Öffnungen unterbrechen, und können Dutzende von Millisekunden dauern. Die Desensibilisierung von GABAA-Kanälen führt zu langen geschlossenen Intervallen, die mit den Bursts zu Clustern zusammengefasst werden und bis zu mehreren hundert Millisekunden dauern können. Diese Cluster sind wichtig für die Dauer hemmender postsynaptischer Potentiale an einigen Synapsen (Jones und Westbrook, 1996).

Die Medikamente, die auf GABAA- und Glycin-Kanäle wirken, umfassen eine faszinierend reiche Auswahl klinisch wichtiger Verbindungen (Olsen et al., 1991). Da diese Kanäle der synaptischen Hemmung im ZNS zugrunde liegen, kann eine Verstärkung oder Verringerung ihrer Aktivität zu tiefgreifenden Veränderungen der Gehirnfunktion führen, einschließlich Amnesie (erhöhte GABAA-Aktivität) oder Krampfanfällen (verringerte GABAA-Aktivität). Zu den Antagonisten für diese Rezeptoren gehören Strychnin, das die Glycinrezeptoren hemmt, Bicuculin, das die GABAA-Rezeptoren hemmt, und Picrotoxin, das beide Rezeptortypen hemmt. Der GABAA-Rezeptor ist auch das Ziel von sedativ-hypnotischen Medikamenten wie Benzodiazepinen und Barbituraten. Benzodiazepine (BDZ) erhöhen die Wahrscheinlichkeit der Kanalöffnung, während Barbiturate offenbar durch die Verlängerung langer Kanalöffnungen (Bursts) wirken. Die Pharmakologie der Benzodiazepin-Modulation des GABAA-Rezeptors ist besonders interessant, da die Substanzen entweder die Kanalöffnung verstärken (BDZ-Agonisten), die Kanalöffnung verringern (BDZ-Umkehragonisten) oder die Wirkung von BDZ-Agonisten blockieren können (BDZ-Antagonisten). Die Aktivität von GABAA-Rezeptoren wird auch durch Alkohol, flüchtige Anästhetika wie Isofluran und einige Steroidanästhetika (oder ihre endogenen Äquivalente, die Neurosteroide) moduliert.

Unter Verwendung von Benzodiazepinen und Strychnin als selektive Liganden wurden GABAA- und Glycin-Rezeptoren als multimere Proteinkomplexe mit einem Molekulargewicht von jeweils etwa 50-60 kDa gereinigt. Der solubilisierte Rezeptorkomplex hatte ein Molekulargewicht von etwa 250 kDa, was darauf hindeutet, dass wie beim AChR fünf Untereinheiten einen Rezeptor bilden. Durch anschließende molekulare Klonierung wurde eine Reihe von Rezeptoruntereinheiten für beide Rezeptoren identifiziert. Zu den Glycin-Untereinheiten gehören die Strychnin-bindende Untereinheit (α), von der vier kloniert wurden, und eine einzelne β-Untereinheit, mit einer Stöchiometrie von (α)2(β)3 für Rezeptoren aus reifen Tieren. Interessanterweise enthält die unreife Form des Glycinrezeptors nur α-Untereinheiten. Gephyrin bindet an die β-Untereinheit, so dass die Interaktion zwischen Gephyrin und Glycinrezeptoren auf die erwachsene Form beschränkt ist. Es wurden neunzehn GABAA-Untereinheiten identifiziert und nach Sequenzähnlichkeit gruppiert. Dazu gehören sechs α-, drei β-, drei γ- und drei ρ-Untereinheiten sowie einzelne δ-, ɛ-, π- und Θ-Subtypen (Wisden und Seeburg, 1992; Olsen und Sieghart, 2009). In heterologen Systemen kann die Expression einzelner GABAA- oder Glycinrezeptor-Untereinheiten zu funktionellen homomeren Rezeptoren führen. Angesichts der breiten Koexpressionsmuster vieler GABAA- und Glycinrezeptor-Untereinheiten und der funktionellen Heterogenität der nativen Rezeptoren kommen homomere Rezeptoren jedoch wahrscheinlich nur selten vor. Die große Anzahl von GABAA-Rezeptor-Untereinheiten stellt eine große Herausforderung dar, wenn es darum geht zu bestimmen, welche Kombinationen funktionelle Rezeptoren in Neuronen bilden. Die Expression der Untereinheiten von GABAA- und Glycinrezeptoren variiert auch während der Entwicklung und je nach neuronalem Zelltyp. Auf der Grundlage von Pharmakologie, Expression, Biochemie und subzellulärer Lokalisierung wurden mindestens 26 verschiedene Typen nativer GABAA-Rezeptoren in ZNS-Neuronen identifiziert (Olsen und Sieghart, 2009).

Die Zusammensetzung der Untereinheiten kann einen starken Einfluss auf die biophysikalischen und pharmakologischen Eigenschaften von GABAA- und Glycinrezeptoren haben. Die GABA- und Benzodiazepin-Bindungsstellen befinden sich an der Schnittstelle zwischen einer α-Untereinheit und einer β- bzw. γ-Untereinheit (meist γ2). Die γ2-Untereinheit wird im ZNS breit und stark exprimiert, und eine genetische Deletion reduziert die BDZ-Bindungsstellen im Gehirn erheblich. Interessanterweise hat die α6-Untereinheit eine geringe Affinität für BDZ-Agonisten, kann aber dennoch BDZ-Umkehragonisten oder -Antagonisten binden, was die Benzodiazepin-unempfindlichen GABAA-Rezeptoren in einigen Neuronen erklären könnte. Homomere Rezeptoren, die aus der ρ-Untereinheit des GABAA-Rezeptors bestehen, sind unempfindlich gegenüber Bicuculin, schwach antagonisiert durch Picrotoxin und unempfindlich gegenüber BDZs, Barbituraten und Neurosteroiden. Diese Kanäle weisen auch unterschiedliche Gate-Eigenschaften und Leitwerte im Vergleich zu anderen GABAA-Rezeptoren auf. Sie wurden ursprünglich als GABAC-Rezeptoren bezeichnet. Aufgrund ihrer Sequenzähnlichkeit und der vorgeschlagenen Struktur werden sie derzeit jedoch als Untertyp der GABAA-Rezeptoren betrachtet. Die drei ρ-Untereinheiten (ρ1, ρ2 und ρ3) werden im gesamten ZNS exprimiert, jedoch vorwiegend in verschiedenen Zelltypen der Netzhaut.