Inhibition synaptique

VII canaux des récepteurs de l’acide γ-aminobutyrique et de la glycine

L’inhibition synaptique dans le système nerveux central (SNC) est médiée en grande partie par les récepteurs GABAA et de la glycine. Ces canaux de récepteurs fixés par des ligands sont sélectivement perméables aux anions, principalement le Cl- dans des conditions physiologiques. Les canaux Cl- dépendant du GABA sont appelés récepteurs GABAA pour les distinguer des récepteurs GABAB couplés aux protéines G (Padgett et Slesinger, 2010). Les récepteurs GABAA et glycine sont membres de la famille des récepteurs Cys-loop. Contrairement aux autres récepteurs Cys-loop de mammifères qui sont des canaux cationiques non sélectifs, les canaux GABAA et glycine sont sélectivement perméables aux anions.

Presque tous les neurones du SNC possèdent des récepteurs GABAA, alors que la distribution anatomique des récepteurs glycine est généralement limitée au tronc cérébral et à la moelle épinière. Les récepteurs GABAA sont souvent localisés sur les dendrites proximales des neurones centraux, mais sont également exprimés sur les segments initiaux des axones et les dendrites distales. Comme le potentiel d’équilibre de Cl- de nombreux neurones est plus négatif que le potentiel de repos, l’ouverture des canaux GABAA ou glycine hyperpolarise le potentiel de la membrane cellulaire et réduit l’excitabilité. En plus d’hyperpolariser le potentiel de la membrane, l’ouverture d’un grand nombre de ces canaux diminue la résistance électrique de la membrane. Ainsi, les canaux GABAA situés sur les dendrites proximales  » shuntent  » efficacement l’excitation qui descend le long de la dendrite à partir des synapses excitatrices situées sur les branches dendritiques plus distales. Dans certains neurones, en particulier au début du développement, l’équilibre Cl- est plus positif que le potentiel de repos, ce qui entraîne des réponses GABAA ou glycine dépolarisantes. Les réponses GABAA dépolarisantes qui se produisent dans les axones peuvent augmenter l’excitabilité et la libération de neurotransmetteurs. Enfin, certaines synapses inhibitrices de la moelle épinière et du tronc cérébral contiennent à la fois des récepteurs GABAA et des récepteurs à la glycine. L’analyse des événements unitaires de libération à ces sites indique que les vésicules synaptiques uniques contiennent à la fois du GABA et de la glycine et qu’une sous-population de sites postsynaptiques contient les deux types de récepteurs (Jonas et al., 1998). Comme pour d’autres récepteurs de neurotransmetteurs à terminaison ligand, des études moléculaires ont révélé la présence de protéines d’ancrage et de régulation qui interagissent avec les récepteurs de la glycine et du GABAA, telles que la géphyrine (Fritschy et al., 2008) et la protéine associée au récepteur du GABA (GABARAP ; Mohrluder et al., 2009). La géphyrine a été identifiée comme une protéine cytoplasmique qui interagit directement avec les récepteurs de la glycine. La géphyrine interagit également avec la tubuline et la profiline, protéine de liaison à l’actine, et agit ainsi comme un pont entre les récepteurs de la glycine et le cytosquelette. La géphyrine est également co-localisée avec les récepteurs GABAA sur les sites postsynaptiques mais, contrairement aux récepteurs de la glycine, il n’a pas été démontré qu’elle se lie aux récepteurs GABAA. GABARAP interagit avec de nombreux sous-types de récepteurs GABAA, et se lie également à la géphyrine et à la tubuline. L’interaction avec ces facteurs cytoplasmiques peut modifier la localisation et le trafic des récepteurs GABAA et glycine ainsi que créer des zones de transduction localisée du signal.

Le comportement des canaux GABAA et glycine simples peut être décrit par un schéma cinétique similaire à celui du nAChR avec la liaison de deux molécules agonistes nécessaires à l’ouverture du canal (Macdonald et Twyman, 1992). L’analyse des ouvertures et fermetures des canaux GABAA simples suggère que le canal peut s’ouvrir brièvement après la liaison d’une seule molécule de GABAA et en deux états ouverts de plus longue durée à partir de la configuration à double ligand. La comparaison de la durée totale d’ouverture des récepteurs à ligand unique et à ligand double montre que l’occupation des deux sites agonistes entraîne beaucoup plus d’ouvertures de canaux. Les canaux peuvent se fermer et revenir à des états ouverts de plus longue durée avant que l’agoniste ne se dissocie du récepteur. Ces « salves » sont composées de courtes fermetures interrompant une série d’ouvertures et peuvent durer des dizaines de millisecondes. La désensibilisation des canaux GABAA entraîne de longs intervalles de fermeture qui sont regroupés avec les bursts en clusters pouvant durer jusqu’à plusieurs centaines de millisecondes. Ces grappes sont importantes pour déterminer la durée des potentiels postsynaptiques inhibiteurs dans certaines synapses (Jones et Westbrook, 1996).

Les médicaments qui agissent sur les canaux GABAA et glycine constituent un assortiment fascinant de composés cliniquement importants (Olsen et al., 1991). Comme ces canaux sont à la base de l’inhibition synaptique dans le SNC, l’augmentation ou la réduction de leur activité peut entraîner de profonds changements dans la fonction cérébrale, y compris l’amnésie (augmentation de l’activité GABAA) ou les crises (diminution de l’activité GABAA). Les antagonistes de ces récepteurs comprennent la strychnine, qui inhibe les récepteurs de la glycine, la bicuculline, qui inhibe les récepteurs GABAA, et la picrotoxine, qui inhibe les deux types de récepteurs. Le récepteur GABAA est également la cible des médicaments sédatifs-hypnotiques, tels que les benzodiazépines et les barbituriques. Les benzodiazépines (BDZ) augmentent la probabilité d’ouverture du canal, tandis que les barbituriques semblent agir en prolongeant les longues ouvertures du canal (bursts). La pharmacologie de la modulation du récepteur GABAA par les benzodiazépines est particulièrement intéressante, car les composés peuvent soit augmenter l’ouverture du canal (agonistes des BDZ), soit réduire l’ouverture du canal (agonistes inverses des BDZ), soit bloquer les effets des agonistes des BDZ (antagonistes des BDZ). L’activité des récepteurs GABAA est également modulée par l’alcool, les anesthésiques volatils, comme l’isoflurane, et certains anesthésiques stéroïdiens (ou leurs équivalents endogènes, les neurostéroïdes).

En utilisant des benzodiazépines et de la strychnine comme ligands sélectifs, les récepteurs GABAA et glycine ont été purifiés sous forme de complexes protéiques multimériques, chacun ayant un poids moléculaire d’environ 50-60 kDa. Le complexe solubilisé du récepteur avait un poids moléculaire d’environ 250 kDa, ce qui suggère que, comme pour l’AChR, cinq sous-unités constituent un récepteur. Le clonage moléculaire ultérieur a permis d’identifier une série de sous-unités réceptrices pour les deux récepteurs. Les sous-unités de la glycine comprennent la sous-unité de liaison à la strychnine (α) dont quatre ont été clonées et une seule sous-unité β, avec une stœchiométrie de (α)2(β)3 pour les récepteurs des animaux matures. Il est intéressant de noter que la forme immature du récepteur de la glycine ne contient que des sous-unités α. La géphyrine se lie à la sous-unité β, ainsi l’interaction entre la géphyrine et les récepteurs de la glycine est limitée à la forme adulte. Dix-neuf sous-unités GABAA ont été identifiées et regroupées en fonction de la similarité de leur séquence. Il s’agit notamment de six sous-unités α, trois β, trois γ, trois ρ et de sous-types uniques δ, ɛ, π et Θ (Wisden et Seeburg, 1992 ; Olsen et Sieghart, 2009). Dans les systèmes hétérologues, l’expression de sous-unités uniques de récepteurs GABAA ou glycine peut donner lieu à des récepteurs homomériques fonctionnels. Cependant, étant donné les larges schémas de co-expression de nombreuses sous-unités des récepteurs GABAA et glycine et l’hétérogénéité fonctionnelle des récepteurs natifs, les récepteurs homomères sont probablement rares. Le grand nombre de sous-unités des récepteurs GABAA constitue un formidable défi pour déterminer quelles combinaisons forment des récepteurs fonctionnels dans les neurones. L’expression des sous-unités des récepteurs GABAA et glycine varie également au cours du développement et en fonction du type de cellule neuronale. Sur la base de la pharmacologie, de l’expression, de la biochimie et de la localisation subcellulaire, au moins 26 types différents de récepteurs GABAA natifs ont été identifiés dans les neurones du SNC (Olsen et Sieghart, 2009).

La composition des sous-unités peut avoir une forte influence sur les propriétés biophysiques et pharmacologiques des récepteurs GABAA et glycine. Les sites de liaison du GABA et des benzodiazépines résident à l’interface entre une sous-unité α et une sous-unité β ou γ (généralement γ2), respectivement. La sous-unité γ2 est largement et fortement exprimée dans le SNC et une délétion génétique réduit considérablement les sites de liaison des BDZ dans le cerveau. Il est intéressant de noter que la sous-unité α6 a une faible affinité pour les agonistes de la BDZ, mais qu’elle peut tout de même lier les agonistes ou antagonistes inverses de la BDZ, ce qui pourrait expliquer l’insensibilité des récepteurs GABAA aux benzodiazépines dans certains neurones. Les récepteurs homomères composés de la sous-unité ρ du récepteur GABAA sont insensibles à la bicuculine, faiblement antagonisés par la picrotoxine et insensibles aux BDZ, aux barbituriques et aux neurostéroïdes. Ces canaux présentent également des propriétés de déclenchement et des conductances distinctes de celles des autres récepteurs GABAA. Ils ont été initialement désignés sous le nom de récepteurs GABAC. Cependant, en raison de la similitude de leur séquence et de leur structure proposée, ils sont actuellement considérés comme un sous-type de récepteurs GABAA. Les trois sous-unités ρ (ρ1, ρ2 et ρ3) sont exprimées dans tout le SNC, mais leur expression est prédominante dans plusieurs types de cellules de la rétine.