Synaptische Inhibitie

VII γ-Aminoboterzuur en Glycine Receptor Kanalen

Synaptische inhibitie in het centrale zenuwstelsel (CZS) wordt grotendeels gemedieerd door GABAA en glycine receptoren. Deze ligand-gated receptor kanalen zijn selectief permeabel voor anionen, voornamelijk Cl- onder fysiologische condities. GABA-geactiveerde Cl-kanalen worden GABAA-receptoren genoemd om ze te onderscheiden van de G-eiwitgekoppelde GABAB-receptor (Padgett en Slesinger, 2010). GABAA- en glycinereceptoren zijn lid van de Cys-loop receptorfamilie. In tegenstelling tot andere Cys-loop receptoren van zoogdieren die niet-selectieve kationkanalen zijn, zijn GABAA- en glycinekanalen selectief permeabel voor anionen.

Virtueel hebben alle neuronen van het CZS GABAA-receptoren, terwijl de anatomische distributie van glycinereceptoren over het algemeen beperkt is tot de hersenstam en het ruggenmerg. GABAA receptoren zijn vaak gelokaliseerd op proximale dendrieten van centrale neuronen, maar komen ook tot expressie op axon initiële segmenten en distale dendrieten. Omdat het Cl- evenwichtspotentiaal in veel neuronen negatiever is dan het rustpotentiaal, hyperpolariseert de opening van GABAA of glycine kanalen het celmembraanpotentiaal en vermindert de exciteerbaarheid. Naast de hyperpolarisatie van het membraanpotentiaal verlaagt de opening van grote aantallen van deze kanalen de elektrische weerstand van het membraan. Aldus “shunt” GABAA kanalen aan proximale dendrieten effectief excitatie die langs de dendriet naar beneden reist van exciterende synapsen op meer distale dendritische takken. In sommige neuronen, vooral tijdens de vroege ontwikkeling, is het Cl- evenwicht positiever dan de rustpotentiaal, wat resulteert in depolariserende GABAA of glycine responsen. Depolariserende GABAA-reacties in axonen kunnen de exciteerbaarheid en de afgifte van neurotransmitters verhogen. Tenslotte bevatten sommige inhibitoire synapsen in het ruggenmerg en de hersenstam zowel GABAA als glycine receptoren. Analyse van unitaire vrijgavegebeurtenissen op deze plaatsen geeft aan dat afzonderlijke synaptische vesikels zowel GABA als glycine bevatten en dat een subpopulatie van postsynaptische plaatsen beide receptortypen bevat (Jonas et al., 1998). Net als bij andere ligand-geactiveerde neurotransmitterreceptoren, hebben moleculaire studies verankering en regulerende eiwitten onthuld die interageren met glycine- en GABAA-receptoren, zoals gephyrine (Fritschy et al., 2008) en GABA-receptor-geassocieerd eiwit (GABARAP; Mohrluder et al., 2009). Gephyrine werd geïdentificeerd als een cytoplasmatisch eiwit dat rechtstreeks interageert met glycinereceptoren. Gephyrine interageert ook met tubuline en het actine-bindende eiwit profiline en fungeert zo als een brug tussen glycinereceptoren en het cytoskelet. Gephyrine is ook gelokaliseerd met GABAA-receptoren op postsynaptische plaatsen, maar, in tegenstelling tot glycinereceptoren, is niet aangetoond dat het bindt aan GABAA-receptoren. GABARAP interageert met vele GABAA receptor subtypes, en bindt ook met gephyrine en tubuline. Interactie met deze cytoplasmatische factoren kan de lokalisatie en trafiek van GABAA en glycine receptoren veranderen en zones van gelokaliseerde signaaltransductie creëren.

Het gedrag van afzonderlijke GABAA en glycine kanalen kan worden beschreven door een kinetisch schema dat vergelijkbaar is met dat van de nAChR, waarbij de binding van twee agonistmoleculen vereist is voor kanaalopening (Macdonald en Twyman, 1992). Analyse van de openingen en sluitingen van enkelvoudige GABAA kanalen suggereert dat het kanaal kort kan openen na binding van een enkelvoudige GABAA molecule en in twee langer durende open toestanden van de dubbel geligande configuratie. Vergelijking van de totale open duur van enkel- en dubbel-geligand receptoren toont aan dat bezetting van beide agonist sites resulteert in veel meer kanaalopeningen. Kanalen kunnen sluiten en weer in een langer durende open toestand komen voordat de agonist van de receptor dissocieert. Deze zogenaamde bursts bestaan uit korte sluitingen die een reeks van openingen onderbreken en kunnen tientallen milliseconden duren. Desensibilisatie van GABAA kanalen resulteert in lange gesloten intervallen die gegroepeerd zijn met bursts in clusters die tot enkele honderden milliseconden kunnen duren. Deze clusters zijn belangrijk bij het bepalen van de duur van remmende postsynaptische potentialen bij sommige synapsen (Jones en Westbrook, 1996).

De geneesmiddelen die op GABAA- en glycinekanalen werken, omvatten een fascinerend rijk assortiment van klinisch belangrijke verbindingen (Olsen e.a., 1991). Omdat deze kanalen aan de basis liggen van synaptische inhibitie in het CZS, kan verhoging of verlaging van hun activiteit leiden tot ingrijpende veranderingen in de hersenfunctie, met inbegrip van amnesie (verhoogde GABAA activiteit) of aanvallen (verminderde GABAA activiteit). Antagonisten voor deze receptoren zijn onder meer strychnine, dat glycinereceptoren remt; bicuculline, dat GABAA-receptoren remt; en picrotoxine, dat beide receptortypes remt. De GABAA-receptor is ook het doelwit van sedatief-hypnotische geneesmiddelen, zoals de benzodiazepinen en de barbituraten. Benzodiazepines (BDZ) verhogen de waarschijnlijkheid van kanaalopening, terwijl barbituraten lijken te werken door lange kanaalopeningen (bursts) te verlengen. De farmacologie van de benzodiazepinemodulatie van de GABAA-receptor is bijzonder interessant, omdat verbindingen ofwel de kanaalopening kunnen versterken (BDZ-agonisten), de kanaalopening kunnen verminderen (BDZ-inverse agonisten) of de effecten van BDZ-agonisten kunnen blokkeren (BDZ-antagonisten). GABAA receptor activiteit wordt ook gemoduleerd door alcohol, vluchtige anesthetica, zoals isofluraan, en sommige steroïde anesthetica (of hun endogene equivalenten, de neurosteroïden).

Met benzodiazepinen en strychnine als selectieve liganden, werden GABAA en glycine receptoren gezuiverd als multimere proteïne complexen, elk met een molecuulgewicht van ongeveer 50-60 kDa. Het opgeloste receptorcomplex had een molecuulgewicht van ongeveer 250 kDa, wat suggereert dat, net als voor de AChR, vijf subeenheden een receptor vormen. Latere moleculaire klonering identificeerde een reeks receptorsubeenheden voor beide receptoren. De glycine-subeenheden omvatten de strychnine-bindende subeenheid (α) waarvan er vier zijn gekloond en een enkele β-subeenheid, met een stoichiometrie van (α)2(β)3 voor receptoren van volgroeide dieren. Interessant is dat de onrijpe vorm van de glycinereceptor alleen α-subeenheden bevat. Gephyrine bindt aan de β-subeenheid, zodat de interactie tussen gephyrine en glycinereceptoren beperkt is tot de volwassen vorm. Negentien GABAA subeenheden zijn geïdentificeerd en gegroepeerd op basis van sequentie-overeenkomst. Hiertoe behoren zes α-, drie β-, drie γ- en drie ρ-subeenheden en afzonderlijke δ-, ɛ-, π- en Θ-subtypes (Wisden en Seeburg, 1992; Olsen en Sieghart, 2009). In heterologe systemen kan expressie van afzonderlijke GABAA- of glycinereceptorsubeenheden resulteren in functionele homomere receptoren. Echter, gezien de brede co-expressie patronen van veel GABAA en glycine receptor subeenheden en de functionele heterogeniteit van natieve receptoren, komen homomerische receptoren waarschijnlijk zelden voor. Het grote aantal GABAA receptor subeenheden vormt een formidabele uitdaging om te bepalen welke combinaties functionele receptoren vormen in neuronen. De expressie van GABAA en glycine receptor subeenheden varieert ook tijdens de ontwikkeling en met het neuronale celtype. Gebaseerd op farmacologie, expressie, biochemie en subcellulaire lokalisatie, zijn ten minste 26 verschillende types van natieve GABAA receptoren geïdentificeerd in neuronen van het CZS (Olsen en Sieghart, 2009).

Subunit samenstelling kan een sterke invloed hebben op de biofysische en farmacologische eigenschappen van GABAA en glycine receptoren. De bindingsplaatsen voor GABA en benzodiazepine bevinden zich op het grensvlak tussen respectievelijk een α-subeenheid en een β- of γ-subeenheid (meestal γ2). De γ2-subeenheid komt wijd en sterk tot expressie in het CZS en genetische deletie vermindert de BDZ-bindingsplaatsen in de hersenen aanzienlijk. Interessant is dat de α6 subeenheid een lage affiniteit heeft voor BDZ agonisten, maar toch BDZ inverse agonisten of antagonisten kan binden, wat benzodiazepine-ongevoelige GABAA receptoren in sommige neuronen kan verklaren. Homomere receptoren die bestaan uit de GABAA-receptor ρ-subeenheid zijn bicuculine-ongevoelig, worden zwak geantagoniseerd door picrotoxine en zijn ongevoelig voor BDZ’s, barbituraten en neurosteroïden. Deze kanalen vertonen ook verschillende gating-eigenschappen en geleidingen in vergelijking met andere GABAA-receptoren. Aanvankelijk werden zij aangeduid als GABAC-receptoren. Wegens hun sequentieovereenkomst en voorgestelde structuur worden zij thans echter beschouwd als een subtype van GABAA-receptoren. De drie ρ subeenheden (ρ1, ρ2 en ρ3) komen overal in het CZS tot expressie, maar het meest in verschillende celtypes in het netvlies.