Synaptic Inhibition

VII Kanały receptorów kwasu γ-aminomasłowego i glicyny

Hamowanie synaptyczne w ośrodkowym układzie nerwowym (OUN) jest mediowane w dużej mierze przez receptory GABAA i glicyny. Te kanały receptorowe, bramkowane ligandami, są w warunkach fizjologicznych selektywnie przepuszczalne dla anionów, głównie Cl-. Kanały Cl- zależne od GABA są określane jako receptory GABAA, aby odróżnić je od sprzężonego z białkiem G receptora GABAB (Padgett i Slesinger, 2010). Receptory GABAA i glicyny są członkami rodziny receptorów Cys-loop. W przeciwieństwie do innych receptorów Cys-loop u ssaków, które są nieselektywnymi kanałami kationowymi, kanały GABAA i glicyny są selektywnie przepuszczalne dla anionów.

Praktycznie wszystkie neurony OUN posiadają receptory GABAA, podczas gdy anatomiczne rozmieszczenie receptorów glicyny jest generalnie ograniczone do pnia mózgu i rdzenia kręgowego. Receptory GABAA są często zlokalizowane na proksymalnych dendrytach neuronów ośrodkowych, ale ulegają również ekspresji na początkowych odcinkach aksonów i dystalnych dendrytach. Ponieważ potencjał równowagi Cl- w wielu neuronach jest bardziej ujemny niż potencjał spoczynkowy, otwarcie kanałów GABAA lub glicyny powoduje hiperpolaryzację potencjału błony komórkowej i zmniejszenie pobudliwości. Oprócz hiperpolaryzacji potencjału błonowego, otwarcie dużej liczby tych kanałów obniża opór elektryczny błony. W ten sposób kanały GABAA w proksymalnych dendrytach skutecznie „przerzucają” pobudzenie wędrujące w dół dendrytu z synaps pobudzających na bardziej dystalnych gałęziach dendrytycznych. W niektórych neuronach, szczególnie we wczesnym okresie rozwoju, równowaga Cl- jest bardziej dodatnia niż potencjał spoczynkowy, co powoduje depolaryzujące odpowiedzi GABAA lub glicyny. Depolaryzujące odpowiedzi GABAA zachodzące w aksonach mogą zwiększać pobudliwość i uwalnianie neuroprzekaźników. Wreszcie, niektóre synapsy hamujące w rdzeniu kręgowym i pniu mózgu zawierają zarówno receptory GABAA, jak i glicyny. Analiza jednostkowych zdarzeń uwalniania w tych miejscach wskazuje, że pojedyncze pęcherzyki synaptyczne zawierają zarówno GABA, jak i glicynę oraz że subpopulacja miejsc postsynaptycznych zawiera oba typy receptorów (Jonas i in., 1998). Podobnie jak w przypadku innych receptorów neurotransmiterowych bramkowanych ligandami, badania molekularne ujawniły białka kotwiczące i regulacyjne, które oddziałują z receptorami glicynowymi i GABAA, takie jak gefiryna (Fritschy i in., 2008) i białko związane z receptorem GABA (GABA receptor-associated protein – GABARAP; Mohrluder i in., 2009). Gefiryna została zidentyfikowana jako białko cytoplazmatyczne, które oddziałuje bezpośrednio z receptorami glicynowymi. Gefiryna oddziałuje również z tubuliną i białkiem wiążącym aktynę – profiliną, stanowiąc pomost pomiędzy receptorami glicynowymi a cytoszkieletem. Gefiryna jest również współlokowana z receptorami GABAA w miejscach postsynaptycznych, ale w przeciwieństwie do receptorów glicyny nie wykazano, aby wiązała się z receptorami GABAA. GABARAP oddziałuje z wieloma podtypami receptorów GABAA, a także wiąże się z gefiryną i tubuliną. Interakcje z tymi cytoplazmatycznymi czynnikami mogą zmieniać lokalizację i przemieszczanie się receptorów GABAA i glicyny, jak również tworzyć strefy zlokalizowanej transdukcji sygnału.

Zachowanie pojedynczych kanałów GABAA i glicyny można opisać schematem kinetycznym podobnym do tego dla nAChR z wiązaniem dwóch cząsteczek agonisty wymaganym do otwarcia kanału (Macdonald i Twyman, 1992). Analiza otwarć i zamknięć pojedynczych kanałów GABAA sugeruje, że kanał może otwierać się na krótko po związaniu pojedynczej cząsteczki GABAA oraz w dwa dłużej trwające stany otwarte z konfiguracji podwójnie ligandowanej. Porównanie całkowitego czasu otwarcia receptorów pojedynczo i podwójnie ligowanych pokazuje, że zajęcie obu miejsc agonisty powoduje znacznie więcej otwarć kanału. Kanały mogą się zamykać i ponownie wchodzić w dłużej trwające stany otwarte, zanim agonista odłączy się od receptora. Te tzw. bursts składają się z krótkich zamknięć przerywających serię otwarć i mogą trwać dziesiątki milisekund. W wyniku desensytyzacji kanałów GABAA powstają długie przerwy zamknięte, które wraz z burstami łączą się w klastry trwające do kilkuset milisekund. Klastry te są ważne w określaniu czasu trwania hamujących potencjałów postsynaptycznych w niektórych synapsach (Jones i Westbrook, 1996).

Leki działające na kanały GABAA i glicynowe stanowią fascynująco bogaty asortyment związków o znaczeniu klinicznym (Olsen i in., 1991). Ponieważ kanały te leżą u podstaw hamowania synaptycznego w OUN, wzmocnienie lub zmniejszenie ich aktywności może prowadzić do głębokich zmian w funkcjonowaniu mózgu, w tym amnezji (zwiększona aktywność GABAA) lub drgawek (zmniejszona aktywność GABAA). Antagonistami tych receptorów są strychnina, która hamuje receptory glicynowe; biklukulina, która hamuje receptory GABAA; oraz pikrotoksyna, która hamuje oba typy receptorów. Receptor GABAA jest również celem leków uspokajająco-hipnotycznych, takich jak benzodiazepiny i barbiturany. Benzodiazepiny (BDZ) zwiększają prawdopodobieństwo otwarcia kanału, podczas gdy barbiturany wydają się działać poprzez wydłużanie długich otwarć kanału (burstów). Farmakologia benzodiazepinowej modulacji receptora GABAA jest szczególnie interesująca, ponieważ związki te mogą zwiększać otwarcie kanału (agoniści BDZ), zmniejszać otwarcie kanału (odwrotni agoniści BDZ) lub blokować efekty działania agonistów BDZ (antagoniści BDZ). Aktywność receptorów GABAA jest również modulowana przez alkohol, lotne środki znieczulające, takie jak izofluran, i niektóre steroidowe środki znieczulające (lub ich endogenne odpowiedniki, neurosteroidy).

Używając benzodiazepin i strychniny jako selektywnych ligandów, receptory GABAA i glicyny zostały oczyszczone jako multimeryczne kompleksy białkowe, każdy o masie cząsteczkowej około 50-60 kDa. Rozpuszczony kompleks receptorowy miał masę cząsteczkową około 250 kDa, co sugeruje, że podobnie jak w przypadku AChR, receptor składa się z pięciu podjednostek. Późniejsze klonowanie molekularne zidentyfikowało szereg podjednostek receptorowych dla obu receptorów. Podjednostki glicyny obejmują podjednostkę wiążącą strychninę (α), z których cztery zostały sklonowane, oraz pojedynczą podjednostkę β, ze stechiometrią (α)2(β)3 dla receptorów pochodzących od dojrzałych zwierząt. Co ciekawe, niedojrzała forma receptora glicyny zawiera tylko podjednostki α. Gefiryna wiąże się z podjednostką β, zatem interakcja pomiędzy gefiryną a receptorami glicynowymi jest ograniczona do formy dojrzałej. Zidentyfikowano dziewiętnaście podjednostek GABAA, które zostały pogrupowane według podobieństwa sekwencji. Obejmują one sześć podjednostek α, trzy β, trzy γ, trzy ρ oraz pojedyncze podtypy δ, ɛ, π i Θ (Wisden i Seeburg, 1992; Olsen i Sieghart, 2009). W systemach heterologicznych, ekspresja pojedynczych podjednostek receptorów GABAA lub glicyny może prowadzić do powstania funkcjonalnych receptorów homomerycznych. Jednakże, biorąc pod uwagę szeroką koekspresję wielu podjednostek receptorów GABAA i glicyny oraz funkcjonalną heterogenność rodzimych receptorów, homomeryzacja receptorów występuje prawdopodobnie rzadko. Duża liczba podjednostek receptora GABAA stanowi ogromne wyzwanie w określeniu, które kombinacje tworzą funkcjonalne receptory w neuronach. Ekspresja podjednostek receptorów GABAA i glicyny zmienia się również w trakcie rozwoju i w zależności od typu komórki neuronalnej. Na podstawie farmakologii, ekspresji, biochemii i lokalizacji subkomórkowej, w neuronach OUN zidentyfikowano co najmniej 26 różnych typów natywnych receptorów GABAA (Olsen i Sieghart, 2009).

Skład podjednostek może mieć silny wpływ na biofizyczne i farmakologiczne właściwości receptorów GABAA i glicyny. Miejsca wiążące GABA i benzodiazepiny znajdują się na styku podjednostki α i odpowiednio podjednostki β lub γ (zwykle γ2). Podjednostka γ2 ulega szerokiej i wysokiej ekspresji w OUN, a delecja genetyczna znacznie zmniejsza liczbę miejsc wiążących BDZ w mózgu. Co ciekawe, podjednostka α6 ma niskie powinowactwo do agonistów BDZ, ale nadal może wiązać odwrotnych agonistów lub antagonistów BDZ, co może tłumaczyć niewrażliwość receptorów GABAA na benzodiazepiny w niektórych neuronach. Receptory homomeryczne zbudowane z podjednostki ρ receptora GABAA są niewrażliwe na bikulinę, słabo antagonizowane przez pikrotoksynę i niewrażliwe na BDZ, barbiturany i neurosteroidy. Kanały te wykazują również odmienne właściwości bramkowania i przewodnictwa w porównaniu z innymi receptorami GABAA. Początkowo były one określane jako receptory GABAC. Jednak ze względu na podobieństwo sekwencji i proponowaną strukturę, obecnie uważa się je za podtyp receptorów GABAA. Trzy podjednostki ρ (ρ1, ρ2 i ρ3) ulegają ekspresji w całym OUN, ale ekspresja jest dominująca w kilku typach komórek w siatkówce.

.