Synaptic Inhibition

VII γ-aminovoihappo- ja glysiinireseptorikanavat

Synaptista inhibitiota keskushermostossa (CNS) välittävät suurelta osin GABAA- ja glysiinireseptorit. Nämä ligandiohjatut reseptorikanavat ovat fysiologisissa olosuhteissa selektiivisesti läpäiseviä anioneille, pääasiassa Cl-:lle. GABA-portoituja Cl- kanavia nimitetään GABAA-reseptoreiksi erottamaan ne G-proteiinikytkentäisestä GABAB-reseptorista (Padgett ja Slesinger, 2010). GABAA- ja glysiinireseptorit ovat Cys-loop-reseptoriperheen jäseniä. Toisin kuin muut nisäkkäiden Cys-silmukan reseptorit, jotka ovat epäselektiivisiä kationikanavia, GABAA- ja glysiinikanavat ovat selektiivisesti anioneille läpäiseviä.

Lähes kaikissa keskushermoston hermosoluissa on GABAA-reseptoreita, kun taas glysiinireseptoreiden anatominen levinneisyys rajoittuu yleensä aivorunkoon ja selkäytimeen. GABAA-reseptorit lokalisoituvat usein keskushermoston neuronien proksimaalisiin dendriitteihin, mutta ne ilmentyvät myös aksonin alkusegmenteissä ja distaalisissa dendriiteissä. Koska Cl- tasapainopotentiaali on monissa neuroneissa negatiivisempi kuin lepopotentiaali, GABAA- tai glysiinikanavien avautuminen hyperpolarisoi solukalvon potentiaalia ja vähentää herätettävyyttä. Kalvopotentiaalin hyperpolarisoinnin lisäksi näiden kanavien suuren määrän avautuminen alentaa kalvon sähköistä vastusta. Näin ollen GABAA-kanavat proksimaalisissa dendriiteissä ”ohittavat” tehokkaasti dendriittiä alaspäin kulkevan herätteen distaalisempien dendriittihaarojen eksitatorisista synapseista. Joissakin neuroneissa, erityisesti varhaisen kehityksen aikana, Cl- tasapaino on positiivisempi kuin lepopotentiaali, mikä johtaa depolarisoiviin GABAA- tai glysiinivasteisiin. Aksoneissa esiintyvät depolarisoivat GABAA-vasteet voivat lisätä kiihtyvyyttä ja välittäjäaineiden vapautumista. Lopuksi joissakin selkäytimen ja aivorungon inhiboivissa synapseissa on sekä GABAA- että glysiinireseptoreita. Yksittäisten vapautumistapahtumien analyysi näissä paikoissa osoittaa, että yksittäiset synaptiset vesikkelit sisältävät sekä GABA:ta että glysiiniä ja että postsynaptisten paikkojen osapopulaatio sisältää molempia reseptorityyppejä (Jonas et al., 1998). Kuten muidenkin ligandi-portoitujen neurotransmitterireseptorien kohdalla, molekyylitutkimukset ovat paljastaneet ankkurointi- ja säätelyproteiineja, jotka ovat vuorovaikutuksessa glysiini- ja GABAA-reseptorien kanssa, kuten gephyriini (Fritschy ym., 2008) ja GABA-reseptoriin assosioitunut proteiini (GABARAP; Mohrluder ym., 2009). Gephyrin tunnistettiin sytoplasmiseksi proteiiniksi, joka on suoraan vuorovaikutuksessa glysiinireseptorien kanssa. Gephyrin on vuorovaikutuksessa myös tubuliinin ja aktiinia sitovan proteiinin profiliinin kanssa ja toimii siten siltana glysiinireseptorien ja sytoskeletin välillä. Gephyrin on myös yhdessä GABAA-reseptorien kanssa postsynaptisissa paikoissa, mutta toisin kuin glysiinireseptorien, sen ei ole osoitettu sitoutuvan GABAA-reseptoreihin. GABARAP on vuorovaikutuksessa monien GABAA-reseptorin alatyyppien kanssa sekä sitoutuu gephyriiniin ja tubuliiniin. Vuorovaikutus näiden sytoplasmisten tekijöiden kanssa voi muuttaa GABAA- ja glysiinireseptoreiden lokalisaatiota ja kulkeutumista sekä synnyttää paikallisen signaalinsiirron vyöhykkeitä.

Yksittäisten GABAA- ja glysiinikanavien käyttäytymistä voidaan kuvata samanlaisella kineettisellä kaaviolla kuin nAChR:llä, jossa kanavan avautumiseen vaaditaan kahden agonistimolekyylin sitoutuminen (Macdonald ja Twyman, 1992). Yksittäisten GABAA-kanavien avautumisten ja sulkeutumisten analyysi viittaa siihen, että kanava voi avautua lyhytaikaisesti yhden GABAA-molekyylin sitoutumisen jälkeen ja kahteen pidempikestoiseen avoimeen tilaan kaksinkertaisesti ligandoituneesta kokoonpanosta. Yksittäin ja kahdesti ligandoituneiden reseptorien kokonaisavauskeston vertailu osoittaa, että molempien agonistipaikkojen miehittäminen johtaa paljon useampaan kanavan avautumiseen. Kanavat voivat sulkeutua ja siirtyä uudelleen pidempikestoisiin avoimiin tiloihin ennen kuin agonisti dissosioituu reseptorista. Nämä niin sanotut purskeet koostuvat lyhyistä sulkeutumisista, jotka keskeyttävät avautumissarjan, ja ne voivat kestää kymmeniä millisekunteja. GABAA-kanavien desensitisaatio johtaa pitkiin suljettuihin intervalleihin, jotka ryhmittyvät purskeiden kanssa jopa useita satoja millisekunteja kestäviin klustereihin. Nämä klusterit ovat tärkeitä määriteltäessä inhiboivien postsynaptisten potentiaalien kestoa joissakin synapseissa (Jones ja Westbrook, 1996).

GABAA- ja glysiinikanaviin vaikuttavat lääkkeet käsittävät kiehtovan runsaan valikoiman kliinisesti tärkeitä yhdisteitä (Olsen ym., 1991). Koska nämä kanavat ovat synaptisen eston taustalla keskushermostossa, niiden aktiivisuuden tehostaminen tai vähentäminen voi johtaa syvällisiin muutoksiin aivotoiminnassa, mukaan lukien muistinmenetys (lisääntynyt GABAA-aktiivisuus) tai kouristukset (vähentynyt GABAA-aktiivisuus). Näiden reseptorien antagonisteja ovat muun muassa strykniini, joka estää glysiinireseptoreita, bikukuliini, joka estää GABAA-reseptoreita, ja pikrotoksiini, joka estää molempia reseptorityyppejä. GABAA-reseptori on myös rauhoittavien-hypnoottisten lääkkeiden, kuten bentsodiatsepiinien ja barbituraattien, kohde. Bentsodiatsepiinit (BDZ) lisäävät kanavan avautumisen todennäköisyyttä, kun taas barbituraatit näyttävät vaikuttavan pidentämällä pitkiä kanavien avautumisia (burstit). GABAA-reseptorin bentsodiatsepiinimodulaation farmakologia on erityisen mielenkiintoinen, koska yhdisteet voivat joko lisätä kanavan avautumista (BDZ-agonistit), vähentää kanavan avautumista (BDZ-käänteisagonistit) tai estää BDZ-agonistien vaikutukset (BDZ-antagonistit). GABAA-reseptorin aktiivisuutta muokkaavat myös alkoholi, haihtuvat anesteetit, kuten isofluraani, ja eräät steroidianesteetit (tai niiden endogeeniset vastineet, neurosteroidit).

Käyttämällä bentsodiatsepiinejä ja strykniiniä selektiivisinä ligandeina GABAA- ja glysiinireseptorit puhdistettiin multimeerisinä proteiinikomplekseina, joiden kummankin molekyylipainot ovat noin 50-60 kDa. Liuotetun reseptorikompleksin molekyylipaino oli noin 250 kDa, mikä viittaa siihen, että AChR:n tavoin viisi alayksikköä muodostaa reseptorin. Myöhemmässä molekyylikloonauksessa tunnistettiin reseptorin alayksiköiden sarja molemmille reseptoreille. Glysiinin alayksiköihin kuuluu strykniiniä sitova alayksikkö (α), josta on kloonattu neljä alayksikköä, ja yksi β-alayksikkö, jonka stoikiometria on (α)2(β)3 täysikasvuisten eläinten reseptoreissa. Mielenkiintoista on, että glysiinireseptorin epäkypsä muoto sisältää vain α-alayksiköitä. Gepyriini sitoutuu β-alayksikköön, joten gepyriinin ja glysiinireseptorien välinen vuorovaikutus rajoittuu aikuiseen muotoon. Yhdeksäntoista GABAA-alayksikköä on tunnistettu ja ryhmitelty sekvenssin samankaltaisuuden mukaan. Näihin kuuluu kuusi α-, kolme β-, kolme γ- ja kolme ρ-alayksikköä sekä yksittäiset δ-, ɛ-, π- ja Θ-alayksiköt (Wisden ja Seeburg, 1992; Olsen ja Sieghart, 2009). Heterologisissa järjestelmissä yksittäisten GABAA- tai glysiinireseptorin alayksiköiden ilmentäminen voi johtaa toimiviin homomeerisiin reseptoreihin. Kun kuitenkin otetaan huomioon monien GABAA- ja glysiinireseptorin alayksiköiden laaja yhteisekspressio ja natiivireseptorien toiminnallinen heterogeenisuus, homomeerisiä reseptoreita esiintyy todennäköisesti harvoin. GABAA-reseptorin alayksiköiden suuri määrä on suuri haaste määritettäessä, mitkä yhdistelmät muodostavat toimivia reseptoreita neuroneissa. GABAA- ja glysiinireseptorin alayksiköiden ilmentyminen vaihtelee myös kehityksen aikana ja hermosolutyypin mukaan. Farmakologian, ilmentymisen, biokemian ja subcellulaarisen lokalisoitumisen perusteella keskushermoston hermosoluissa on tunnistettu ainakin 26 erilaista natiivia GABAA-reseptorityyppiä (Olsen ja Sieghart, 2009).

Alayksikkökoostumuksella voi olla suuri vaikutus GABAA- ja glysiinireseptorien biofysikaalisiin ja farmakologisiin ominaisuuksiin. GABA- ja bentsodiatsepiinien sitoutumiskohdat sijaitsevat α-alayksikön ja β- tai γ-alayksikön (yleensä γ2) välisessä rajapinnassa. γ2-alayksikkö ilmentyy laajalti ja voimakkaasti keskushermostossa, ja geneettinen deleetio vähentää huomattavasti BDZ:n sitoutumiskohtia aivoissa. Mielenkiintoista on, että α6-alayksiköllä on alhainen affiniteetti BDZ-agonisteille, mutta se voi silti sitoa BDZ:n käänteisagonisteja tai -antagonisteja, mikä saattaa selittää bentsodiatsepiini-ei-herkät GABAA-reseptorit joissakin neuroneissa. GABAA-reseptorin ρ-alayksiköstä koostuvat homomeeriset reseptorit ovat bikukuliinille epäherkkiä, antagonisoituvat heikosti pikrotoksiinilla ja ovat epäherkkiä BDZ:lle, barbituraateille ja neurosteroideille. Näillä kanavilla on myös erilaiset porttiominaisuudet ja konduktanssit verrattuna muihin GABAA-reseptoreihin. Niitä kutsuttiin alun perin GABAC-reseptoreiksi. Niiden sekvenssin samankaltaisuuden ja ehdotetun rakenteen vuoksi niitä pidetään kuitenkin nykyisin GABAA-reseptorien alatyyppinä. Kolme ρ-alayksikköä (ρ1, ρ2 ja ρ3) ilmentyvät kaikkialla keskushermostossa, mutta ilmentyminen on vallitsevaa useissa verkkokalvon solutyypeissä.