Szinaptikus gátlás

VII γ-aminovajsav és glicin receptor csatornák

A szinaptikus gátlást a központi idegrendszerben (CNS) nagyrészt GABAA és glicin receptorok közvetítik. Ezek a ligandumkapcsolt receptorcsatornák fiziológiás körülmények között szelektíven permeábilisek az anionok, elsősorban a Cl- számára. A GABA-kapcsolt Cl-csatornákat GABAA-receptoroknak nevezzük, hogy megkülönböztessük őket a G-fehérje-kapcsolt GABABAB-receptortól (Padgett és Slesinger, 2010). A GABAA- és a glicinreceptorok a Cys-hurok receptorcsalád tagjai. A többi emlős Cys-hurok receptorral ellentétben, amelyek nem szelektív kationcsatornák, a GABAA és a glicin csatornák szelektíven permeábilisak az anionok számára.

Majdnem minden CNS neuron rendelkezik GABAA receptorokkal, míg a glicin receptorok anatómiai eloszlása általában az agytörzsre és a gerincvelőre korlátozódik. A GABAA-receptorok gyakran a központi neuronok proximális dendritjein lokalizálódnak, de az axonok kezdeti szegmenseiben és a disztális dendriteken is kifejeződnek. Mivel a Cl- egyensúlyi potenciál sok neuronban negatívabb, mint a nyugalmi potenciál, a GABAA- vagy glicincsatornák megnyitása hiperpolarizálja a sejtmembrán potenciálját és csökkenti az ingerlékenységet. A membránpotenciál hiperpolarizálása mellett e csatornák nagyszámú megnyílása csökkenti a membrán elektromos ellenállását. Így a proximális dendriteken lévő GABAA-csatornák hatékonyan “átirányítják” a dendriten lefelé haladó gerjesztést a distálisabb dendritikus ágakon lévő gerjesztő szinapszisokból. Egyes neuronokban, különösen a korai fejlődés során, a Cl- egyensúly pozitívabb, mint a nyugalmi potenciál, ami depolarizáló GABAA vagy glicin válaszokat eredményez. Az axonokban fellépő depolarizáló GABAA-válaszok növelhetik az ingerlékenységet és a neurotranszmitterek felszabadulását. Végül, néhány gátló szinapszis a gerincvelőben és az agytörzsben egyaránt tartalmaz GABAA- és glicinreceptorokat. Az egységes felszabadulási események elemzése ezeken a helyeken azt mutatja, hogy az egyes szinaptikus vezikulák mind GABA-t, mind glicint tartalmaznak, és hogy a posztszinaptikus helyek egy alpopulációja mindkét receptortípust tartalmazza (Jonas és mtsai., 1998). Más ligandumkapcsolt neurotranszmitter-receptorokhoz hasonlóan molekuláris vizsgálatok kimutatták a glicin- és GABAA-receptorokkal kölcsönhatásba lépő lehorgonyzó és szabályozó fehérjéket, például a gephyrint (Fritschy és mtsai., 2008) és a GABA-receptor-asszociált fehérjét (GABARAP; Mohrluder és mtsai., 2009). A gepirint olyan citoplazmatikus fehérjeként azonosították, amely közvetlenül kölcsönhatásba lép a glicinreceptorokkal. A gephyrin kölcsönhatásba lép a tubulinnal és az aktinkötő profilin fehérjével is, és így hídként működik a glicinreceptorok és a citoszkeleton között. A gephyrin a GABAA-receptorokkal is ko-lokalizálódik a posztszinaptikus helyeken, de a glicinreceptorokkal ellentétben nem mutatták ki, hogy kötődik a GABAA-receptorokhoz. A GABARAP kölcsönhatásba lép számos GABAA receptor altípussal, valamint kötődik a gephyrinhez és a tubulinhoz. Ezekkel a citoplazmatikus faktorokkal való kölcsönhatás megváltoztathatja a GABAA- és glicinreceptorok lokalizációját és kereskedelmét, valamint létrehozhatja a lokalizált jelátvitel zónáit.

Az egyes GABAA- és glicincsatornák viselkedése a nAChR-hez hasonló kinetikai sémával írható le, a csatorna megnyitásához két agonista molekula megkötése szükséges (Macdonald és Twyman, 1992). Az egyes GABAA-csatornák nyitásának és zárásának elemzése arra utal, hogy a csatorna egyetlen GABAA-molekula kötődését követően rövid időre megnyílhat, és a kettős kötésű konfigurációból két hosszabb élettartamú nyitott állapotba kerülhet. Az egyszeresen és kétszeresen ligált receptorok teljes nyitási időtartamának összehasonlítása azt mutatja, hogy mindkét agonista hely elfoglalása sokkal több csatornanyitást eredményez. A csatornák bezáródhatnak és ismét hosszabb élettartamú nyitott állapotba kerülhetnek, mielőtt az agonista disszociálna a receptorról. Ezek az úgynevezett burstok rövid záródásokból állnak, amelyek megszakítják a nyitások sorozatát, és több tíz milliszekundumig tarthatnak. A GABAA-csatornák deszenzibilizációja hosszú zárt intervallumokat eredményez, amelyek a kitörésekkel együtt akár több száz milliszekundumig tartó klaszterekbe csoportosulnak. Ezek a klaszterek fontosak a gátló posztszinaptikus potenciálok időtartamának meghatározásában egyes szinapszisokban (Jones és Westbrook, 1996).

A GABAA- és glicincsatornákra ható gyógyszerek klinikailag fontos vegyületek lenyűgözően gazdag választékát alkotják (Olsen és mtsi., 1991). Mivel ezek a csatornák állnak a szinaptikus gátlás hátterében a központi idegrendszerben, aktivitásuk fokozása vagy csökkentése mélyreható változásokat eredményezhet az agyműködésben, beleértve az amnéziát (fokozott GABAA-aktivitás) vagy a görcsöket (csökkent GABAA-aktivitás). E receptorok antagonistái közé tartozik a sztrichnin, amely gátolja a glicinreceptorokat; a bikukulin, amely gátolja a GABAA-receptorokat; és a pikrotoxin, amely mindkét receptortípust gátolja. A GABAA-receptor a szedatív-hipnotikus gyógyszerek, például a benzodiazepinek és a barbiturátok célpontja is. A benzodiazepinek (BDZ) növelik a csatornanyitás valószínűségét, míg a barbiturátok a jelek szerint a hosszú csatornanyitások (burstok) meghosszabbításával hatnak. A GABAA-receptor benzodiazepin modulációjának farmakológiája különösen érdekes, mivel a vegyületek vagy fokozzák a csatorna nyitását (BDZ agonisták), vagy csökkentik a csatorna nyitását (BDZ inverz agonisták), vagy blokkolják a BDZ agonisták hatását (BDZ antagonisták). A GABAA receptor aktivitását az alkohol, az illékony anesztetikumok, mint például az izoflurán, és egyes szteroid anesztetikumok (vagy ezek endogén megfelelői, a neuroszteroidok) is modulálják.

A benzodiazepinek és a sztrichnin mint szelektív ligandumok felhasználásával a GABAA és glicin receptorokat multimer fehérjekomplexekként tisztították, amelyek molekulatömege körülbelül 50-60 kDa. A szolubilizált receptorkomplex molekulatömege körülbelül 250 kDa volt, ami arra utal, hogy az AChR-hez hasonlóan öt alegység alkot egy receptort. Az ezt követő molekuláris klónozás mindkét receptor esetében egy sor receptor alegységet azonosított. A glicin alegységek közé tartozik a sztrichnin-kötő alegység (α), amelyből négyet klónoztak, és egyetlen β alegység, amelynek sztöchiometriája (α)2(β)3 az érett állatokból származó receptorok esetében. Érdekes módon a glicinreceptor éretlen formája csak α alegységeket tartalmaz. A gephyrin a β alegységhez kötődik, így a gephyrin és a glicinreceptorok közötti kölcsönhatás a kifejlett formára korlátozódik. Tizenkilenc GABAA alegységet azonosítottak és csoportosítottak szekvencia-hasonlóság szerint. Ezek közé tartozik hat α, három β, három γ, három ρ alegység, valamint egyes δ, ɛ, π és Θ altípusok (Wisden és Seeburg, 1992; Olsen és Sieghart, 2009). Heterológ rendszerekben az egyes GABAA- vagy glicinreceptor-alegységek expressziója funkcionális homomer receptorokat eredményezhet. Tekintettel azonban számos GABAA- és glicinreceptor-alegység széles körű koexpressziós mintázatára és a natív receptorok funkcionális heterogenitására, homomer receptorok valószínűleg ritkán fordulnak elő. A GABAA receptor alegységek nagy száma nagy kihívást jelent annak meghatározásában, hogy mely kombinációk alkotnak funkcionális receptorokat a neuronokban. A GABAA- és glicinreceptor-alegységek expressziója a fejlődés során és a neuronális sejttípusok szerint is változik. Farmakológia, expresszió, biokémia és szubcelluláris lokalizáció alapján legalább 26 különböző típusú natív GABAA-receptort azonosítottak a CNS neuronjaiban (Olsen és Sieghart, 2009).

Az alegységek összetétele erősen befolyásolhatja a GABAA- és glicinreceptorok biofizikai és farmakológiai tulajdonságait. A GABA és a benzodiazepin kötőhelyek egy α alegység és egy β vagy γ alegység (általában γ2) közötti határfelületen helyezkednek el. A γ2 alegység széles körben és nagymértékben expresszálódik a CNS-ben, és genetikai deléciója nagymértékben csökkenti a BDZ-kötőhelyeket az agyban. Érdekes módon az α6 alegység alacsony affinitással rendelkezik a BDZ agonistákhoz, de még mindig képes BDZ inverz agonistákat vagy antagonistákat kötni, ami magyarázatot adhat a benzodiazepin-inszenzitív GABAA-receptorokra egyes neuronokban. A GABAA-receptor ρ alegységéből álló homomer receptorok bicuculinérzékenyek, gyengén antagonizálódnak pikrotoxinnal és érzéketlenek a BDZ-ekre, barbiturátokra és neuroszteroidokra. Ezek a csatornák más GABAA-receptorokhoz képest eltérő kaputulajdonságokat és vezetőképességet is mutatnak. Kezdetben GABAC-receptoroknak nevezték őket. Szekvencia-hasonlóságuk és javasolt szerkezetük miatt azonban jelenleg a GABAA-receptorok altípusának tekintik őket. A három ρ alegység (ρ1, ρ2 és ρ3) az egész CNS-ben expresszálódik, de a retina számos sejttípusában túlnyomórészt a retina expressziója dominál.