Synaptisk hämning

VII γ-aminosmörsyra- och glycinreceptorkanaler

Synaptisk hämning i det centrala nervsystemet (CNS) förmedlas till stor del av GABAA- och glycinreceptorer. Dessa ligandstyrda receptorkanaler är selektivt permeabla för anjoner, huvudsakligen Cl- under fysiologiska förhållanden. GABA-gated Cl- kanaler kallas GABAA-receptorer för att skilja dem från den G-protein-kopplade GABAB-receptorn (Padgett och Slesinger, 2010). GABAA- och glycinreceptorer tillhör Cys-loop-receptorfamiljen. Till skillnad från andra däggdjurs Cys-loop-receptorer som är icke-selektiva katjonkanaler är GABAA- och glycin-kanaler selektivt permeabla för anjoner.

Nästan alla neuroner i CNS har GABAA-receptorer, medan den anatomiska spridningen av glycinreceptorer i allmänhet är begränsad till hjärnstammen och ryggmärgen. GABAA-receptorer är ofta lokaliserade på proximala dendriter hos centrala neuroner, men uttrycks även på axonens initiala segment och distala dendriter. Eftersom Cl-jämviktspotentialen i många neuroner är mer negativ än vilopotentialen, hyperpolariserar öppnandet av GABAA- eller glycin-kanaler cellmembranpotentialen och minskar excitabiliteten. Förutom att hyperpolarisera membranpotentialen sänker öppnandet av ett stort antal av dessa kanaler det elektriska membranmotståndet. GABAA-kanaler vid proximala dendriter ”shuntar” således effektivt excitation som färdas nedåt i dendriten från excitatoriska synapser på mer distala dendritiska grenar. I vissa neuroner, särskilt under tidig utveckling, är Cl-jämvikten mer positiv än vilopotentialen, vilket resulterar i depolariserande GABAA- eller glycinresponser. Depolariserande GABAA-svar som uppstår i axoner kan öka excitabiliteten och frisättningen av neurotransmittorer. Slutligen innehåller vissa hämmande synapser i ryggmärgen och hjärnstammen både GABAA- och glycinreceptorer. Analys av enhetliga frisättningshändelser vid dessa platser visar att enskilda synaptiska vesiklar innehåller både GABA och glycin och att en subpopulation av postsynaptiska platser innehåller båda receptortyperna (Jonas et al., 1998). Liksom för andra ligandstyrda neurotransmittorreceptorer har molekylära studier avslöjat förankrings- och regleringsproteiner som interagerar med glycin- och GABAA-receptorer, t.ex. gephyrin (Fritschy et al., 2008) och GABA-receptor-associerat protein (GABARAP; Mohrluder et al., 2009). Gephyrin identifierades som ett cytoplasmatiskt protein som interagerar direkt med glycinreceptorer. Gephyrin interagerar också med tubulin och det aktinbindande proteinet profilin och fungerar därmed som en bro mellan glycinreceptorer och cytoskelettet. Gephyrin samlokaliseras också med GABAA-receptorer vid postsynaptiska platser men har till skillnad från glycinreceptorer inte visat sig binda till GABAA-receptorer. GABARAP interagerar med många GABAA-receptorsubtyper samt binder till gephyrin och tubulin. Interaktion med dessa cytoplasmatiska faktorer kan förändra lokalisering och trafikering av GABAA- och glycinreceptorer samt skapa zoner av lokaliserad signaltransduktion.

Beteendet hos enskilda GABAA- och glycin-kanaler kan beskrivas av ett kinetiskt schema som liknar det för nAChR med bindning av två agonistmolekyler som krävs för kanalöppning (Macdonald och Twyman, 1992). Analys av öppningar och stängningar av enskilda GABAA-kanaler tyder på att kanalen kan öppnas kortvarigt efter bindning av en enda GABAA-molekyl och i två mer långlivade öppna tillstånd från den dubbelt liganderade konfigurationen. En jämförelse av den totala öppningstiden för receptorer med enkel- och dubbelbindning visar att båda agonistplatserna ger upphov till många fler kanalöppningar. Kanaler kan stängas och återinträda i öppna tillstånd med längre livslängd innan agonisten separeras från receptorn. Dessa så kallade bursts består av korta stängningar som avbryter en serie öppningar och kan pågå i tiotals millisekunder. Desensibilisering av GABAA-kanaler resulterar i långa stängda intervaller som grupperas med bursts i kluster som varar upp till flera hundra millisekunder. Dessa kluster är viktiga för att bestämma varaktigheten av hämmande postsynaptiska potentialer vid vissa synapser (Jones och Westbrook, 1996).

De läkemedel som verkar på GABAA- och glycin-kanaler består av ett fascinerande rikt sortiment av kliniskt viktiga föreningar (Olsen et al., 1991). Eftersom dessa kanaler ligger till grund för synaptisk hämning i CNS kan förstärkning eller minskning av deras aktivitet leda till djupgående förändringar i hjärnans funktion, inklusive amnesi (ökad GABAA-aktivitet) eller kramper (minskad GABAA-aktivitet). Antagonister för dessa receptorer är stryknin, som hämmar glycinreceptorer, bicukullin, som hämmar GABAA-receptorer, och picrotoxin, som hämmar båda receptortyperna. GABAA-receptorn är också måltavla för lugnande och hypnotiska läkemedel, t.ex. bensodiazepiner och barbiturater. Bensodiazepiner (BDZ) ökar sannolikheten för kanalöppning, medan barbiturater verkar verka genom att förlänga långa kanalöppningar (bursts). Farmakologin för bensodiazepinernas modulering av GABAA-receptorn är särskilt intressant, eftersom föreningarna antingen kan öka kanalöppningen (BDZ-agonister), minska kanalöppningen (BDZ-inverse agonister) eller blockera effekterna av BDZ-agonister (BDZ-antagonister). GABAA-receptoraktiviteten moduleras också av alkohol, flyktiga anestetika, såsom isofluran, och vissa steroidanestetika (eller deras endogena motsvarigheter, neurosteroiderna).

Med bensodiazepiner och stryknin som selektiva ligander renades GABAA- och glycinreceptorer som multimera proteinkomplex, var och en med molekylvikter på cirka 50-60 kDa. Det solubiliserade receptorkomplexet hade en molekylvikt på cirka 250 kDa, vilket tyder på att fem subenheter, liksom för AChR, utgör en receptor. Efterföljande molekylär kloning identifierade en rad receptorunderenheter för båda receptorerna. Glycinunderenheterna omfattar den strykninbindande underenheten (α) av vilken fyra har klonats och en enda β-underenhet, med en stökiometri på (α)2(β)3 för receptorer från mogna djur. Intressant nog innehåller den omogna formen av glycinreceptorn endast α-underenheter. Gephyrin binder till β-underenheten, vilket innebär att interaktionen mellan gephyrin och glycinreceptorer är begränsad till den vuxna formen. Nitton GABAA-underenheter har identifierats och grupperats enligt sekvenslikhet. Dessa inkluderar sex α-, tre β-, tre γ-, tre ρ-underenheter och enstaka δ-, ɛ-, π- och Θ-subtyper (Wisden och Seeburg, 1992; Olsen och Sieghart, 2009). I heterologiska system kan uttryck av enskilda GABAA- eller glycinreceptorunderenheter resultera i funktionella homomeriska receptorer. Med tanke på de breda samuttrycksmönstren för många GABAA- och glycinreceptorunderenheter och den funktionella heterogeniteten hos nativa receptorer förekommer homomeriska receptorer dock troligen sällan. Det stora antalet GABAA-receptorunderenheter innebär en enorm utmaning när det gäller att fastställa vilka kombinationer som bildar funktionella receptorer i neuroner. Uttrycket av GABAA- och glycinreceptorunderenheter varierar också under utvecklingen och med neuronal celltyp. Baserat på farmakologi, uttryck, biokemi och subcellulär lokalisering har minst 26 olika typer av nativa GABAA-receptorer identifierats i CNS-neuroner (Olsen och Sieghart, 2009).

Sammansättningen av underenheter kan ha ett starkt inflytande på de biofysiska och farmakologiska egenskaperna hos GABAA- och glycinreceptorer. GABA- och bensodiazepinbindningsställena ligger vid gränssnittet mellan en α-underenhet och en β- eller γ-underenhet (vanligtvis γ2) respektive. γ2-underenheten har ett brett och högt uttryck i CNS och genetisk deletion minskar kraftigt BDZ-bindningsställena i hjärnan. Intressant nog har α6-underenheten en låg affinitet för BDZ-agonister, men kan ändå binda BDZ-inversa agonister eller antagonister, vilket kan förklara bensodiazepinkänsliga GABAA-receptorer i vissa neuroner. Homomeriska receptorer som består av GABAA-receptorns ρ-underenhet är okänsliga för bikukulin, svagt antagoniserade av picrotoxin och okänsliga för BDZ, barbiturater och neurosteroider. Dessa kanaler uppvisar också olika grindningsegenskaper och konduktans jämfört med andra GABAA-receptorer. De kallades ursprungligen för GABAC-receptorer. På grund av deras sekvenslikhet och föreslagna struktur betraktas de dock för närvarande som en undertyp av GABAA-receptorer. De tre ρ-underenheterna (ρ1, ρ2 och ρ3) uttrycks i hela CNS, men uttrycket dominerar i flera celltyper i näthinnan.