Ознакомьтесь с Условиями пребывания на сайте Форнит Игнорирование означет безусловное согласие. СОГЛАСЕН
Короткий адрес страницы: fornit.ru/2631 
Содержание журнала Достижения науки, техники и культуры
Ссылка на первоисточник статьи: http://www.neuroscience.ru/content/view/118/2/1/1.
Диффузная внесинаптическая нейропередача посредством глутамата и ГАМК
|
Автор А.В. Семьянов Существует принципиальная разница между ответами рецепторов и транспортеров на диффузный нейропередатчик. Рецептор, связываясь с нейропередатчиком, приводит к открыванию ионного канала или метаболической реакции. Причем активировавший его агонист через некоторое время покидает участок связывания. Транспортер, связываясь с нейропередатчиком, приводит к переносу последнего через мембрану в сопровождении нескольких неорганических ионов (котранспорт). Из этого следует, что транспортеры глутамата и ГАМК, подобно ионотропным рецепторам, генерируют ионный ток в ответ на внеклеточную концентрацию данных аминокислот. Поскольку транспортеры не обладают десенситизацией и не требуют затраты АТФ для своей работы, они могут поддерживать постоянный ток, определяемый только электрохимическими градиентами [44, 56]. Следовательно, транспортеры, хотя и являются ключевыми участниками транспорта глутамата и ГАМК через мембрану, могут рассматриваться и в качестве лигандзависимых ионных каналов [91]. В гиппокампе электрогенный эффект транспортеров недостаточно изучен, однако данные, полученные относительно других структур, делают его исследование крайне привлекательным. В частности, в нейронах ретины деполяризация, вызываемая активацией транспортеров ГАМК, приводит к открытию кальциевых каналов L-типа и повышению внутриклеточной концентрации кальция [60]. Таким образом, диффузный глутамат и ГАМК способны передавать различные типы информации в нейронной сети. С одной стороны, изменение возбудимости клетки-мишени при активации ионотропных рецепторов диффузным нейропередатчиком имеет некоторую аналогию с возбуждающей или тормозной нейропередачей (сигнальная функция). С другой стороны, синаптическая и диффузная нейропередачи обладают сложным механизмом взаимодействия друг с другом. Спиловер нейропередатчика при синаптическом событии является источником диффузного сигнала. Активация пресинаптических рецепторов диффузным нейропередатчиком изменяет эффективность синаптической передачи (модуляторная функция). Поскольку физиологическая роль диффузного глутамата и ГАМК определяется реакцией на них клетки-мишени, в следующих разделах настоящего обзора будут рассмотрены примеры функций глутамат- и ГАМКергических внесинаптических рецепторов в гиппокампе. ФУНКЦИИ ВНЕСИНАПТИЧЕСКИХ ГЛУТАМАТЕРГИЧЕСКИХ РЕЦЕПТОРОВ Ионотропные рецепторы Необходимо отметить, что подавляющее большинство ионотропных глутаматергических рецепторов может быть обнаружено вне области постсинаптического уплотнения. Например, N-метил-D-аспартатные (NMDA) рецепторы, могут перемещаться из синапса во внесинаптическую мембрану и обратно [137]. Эти рецепторы имеют высокую аффинность к эндогенному агонисту и связывают глутамат в более низких концентрациях, чем AMPA-рецепторы [104]. Таким образом, они являются идеальным кандидатом на роль приемников в диффузной нейропередаче. В частности, была продемонстрирована модуляторная роль внесинаптических NMDA рецепторов [36, 58]. AMPA рецепторы также обладают латеральной подвижностью [122]. Этот процесс регулируется пальмитилированием белка постсинаптического уплотнения PSD95, который удерживает этот тип ионотропных глутаматергических рецепторов в синапсе [49]. Было показано, что AMPA-рецепторы могут активироваться за счет внесинаптической диффузии глутамата в мозжечке, но роль этих рецепторов в качестве приемников диффузного сигнала в гиппокампе неизвестна [48]. Вероятно, это связано с низкой аффинностью AMPA-рецепторов к эндогенному агонисту [104]. В этой ситуации перемещение AMPA-рецепторов в гиппокампе из синапса и обратно скорее играет роль в регуляции синаптической передачи, чем в формировании функционального пула внесинаптических рецепторов [49]. Каинатные рецепторы являются одним из наиболее исследованных к настоящему времени типов внесинаптических ионотропных рецепторов глутамата [78]. Биофизические свойства рекомбинантных каинатных рецепторов во многом похожи на свойства AMPA рецепторов: они быстро активируются и десенситизируются, имеют сходные проводимость одиночного канала и проницаемость для Ca2+ [31]. Каинатные рецепторы опосредуют медленные возбуждающие постсинаптические токи (ВПСТ) в синапсах мшистых волокон [33, 38, 140] и в некоторых (но не во всех) гиппокампальных интернейронах [38, 39, 53]. То, что каинатные ВПСТ имеют столь медленную кинетику, небольшую амплитуду и требуют, как правило, высокочастотной стимуляции, чтобы быть замеченными [33, 39, 53, 140], ставит под сомнение значительность их роли в синаптической передаче. По всей видимости, функциональное значение этих рецепторов связано с их ролью в диффузной нейропередаче. Пресинаптические каинатные рецепторы приводят к деполяризации мшистых волокон [70, 116] и усиливают в них высвобождение глутамата [117]. Эти рецепторы исключительно чувствительны к агонисту, поскольку гетеросинаптическая деполяризация мшистых волокон возникает в ответ на высвобождение глутамата со сравнительно удаленных сайтов [116]. Сходные данные о роли аксональных деполяризующих каинатных рецепторов были получены для гиппокампальных интернейронов [119]. Кроме того, пресинаптические каинатные рецепторы в этих клетках способны увеличивать высвобождения ГАМК [40]. С другой стороны, агонисты каинатных рецепторов подавляют ГАМКергическое торможение в пирамидных клетках гиппокампа [52, 108]. Остается неясным, в какой степени этот эффект может быть объяснен прямой активацией каинатных рецепторов [109, 110]. Поскольку каинат деполяризует интернейроны, они начинают спонтанно разряжаться [39, 53, 119]. Это приводят к повышению внеклеточной концентрации ГАМК, которая уже вторично приводит к снижению эффективности ГАМКергического торможения пирамидных клеток [54]. Таким образом, возникает вопрос, касающийся физиологической роли взаимодействия диффузных систем нейропередачи, что будет ниже рассмотрено более подробно. Метаботропные рецепторы Метаботропные рецепторы глутамата состоят из семи трансмембранных доменов и связаны с G-белками, которые опосредуют большинство из эффектов активации этих рецепторов. Сами рецепторы состоят из двух субъединиц, одна из которых связывает глутамат [82]. Метаботропные рецепторы глутамата (mGluR) делятся на три группы, хотя и обнаружено восемь различных генов, которые их кодируют [102, 105]. Метаботропные рецепторы mGluR I, II и III активируются более низкими концентрациями глутамата, чем основные ионотропные AMPA-рецепторы [105]. Рецепторы группы I (mGluR1 и mGluR5) обычно расположены на постсинаптической мембране вокруг синаптической щели [19]. Они связаны через G-белок с фосфолипазой С. Таким образом, их активация приводит к увеличению инозитолтрифосфата и диацилглицерола. Предполагается, что mGluR группы I участвуют в генерации медленных ВПСТ в некоторых гиппокампальных интернейронах [138]. При этом активация этих рецепторов при добавлении агониста приводит к увеличению частоты разрядов и ритмической активности в этих клетках. Метаботропные глутаматергические рецепторы групп II (mGluR2 и mGluR3) и III (mGluR4, mGluR6, mGluR7 и mGluR8) располагаются пресинаптически. В частности, рецепторы группы II находятся на претерминальной мембране мшистых волокон [89, 149]. Рецепторы группы III обнаружены на пресинаптическом участке внутри синапсов: близко к активной зоне или даже внутри нее [124, 125]. Обе группы рецепторов снижают через G-белки активность аденилатциклазы. Располагаясь на глутаматергических терминалях, они модулируют высвобождение нейропередатчика, выступая в роли ауторецепторов [46, 47, 72, 90, 150]. Например, в мшистых волокнах наблюдается частотно-зависимая модуляция высвобождения глутамата при участии пресинаптических mGluR [115]. Одним из принципиальных различий между двумя группами рецепторов является их чувствительность к фармакологическим препаратам. Например, L(+)-2-амино-4-фосфонобутират (L-AP4) является селективным агонистом метаботропных рецепторов группы III, но не группы II. В своем основательном обзоре П. Белан и П. Костюк [20] достаточно полно характеризуют роль mGluR группы II в пресинаптической депрессии ГАМКергической передачи. Роль рецепторов группы III в гиппокампе также хорошо известна [114, 120]. Интересно, что присутствие метаботропных рецепторов этой группы на пресинаптической терминали зависит от типа постсинаптического нейрона. Рецепторы группы III в поле СА1 обнаруживаются только на глутамат- и ГАМКергических терминалях, оканчивающихся на интернейроне, но не на пирамидной клетке [125]. В подтверждение этому электрофизиологические данные показали, что активация mGluR группы III при аппликации L-AP4 или за счет эндогенного глутамата приводит к снижению амплитуды как тормозных постсинаптических токов (ТПСТ), так и возбуждающих (ВПСТ) в гиппокампальных интернейронах, но не пирамидных клетках [114, 120]. ФУНКЦИИ ВНЕСИНАПТИЧЕСКИХ ГАМКЕРГИЧЕСКИХ РЕЦЕПТОРОВ Ионотропные рецепторы По аналогии с ионотропными глутаматергическими рецепторами ионотропные ГАМКергические рецепторы могут находиться как в синаптическом, так и внесинаптическом пуле [16, 100]. На настоящий момент описано 19 изоформ субъединиц ионотропных рецепторов ГАМК, которые сгруппированы в классы: α, β, γ, δ, ε, θ, π и ρ. Поскольку эти рецепторы являются пентамерными структурами, то число возможных комбинаций субъединиц позволяет существовать их значительному разнообразию [41, 94]. Иммуноцитохимические данные указывают на высокую гетерогенность и клеточную специфичность ионотропных рецепторов ГАМК в гиппокампе [128]. Рецепторы, содержащие 2 субъединицу, связаны с GABARAP (GABAA receptor-associated protein). GABARAP взаимодействует со скелетным белком гефирином, участвующим в организации постсинаптического пула ГАМКергических рецепторов [42, 76]. Рецепторы, в которых отсутствует 2 субъединица, обнаруживаются за пределами синапсов и, вероятно, могут находиться как в сомато-дендритном, так и в аксональном компартментах, причем некоторые из таких подтипов ГАМКА-рецепторов способны отвечать на очень низкие концентрации ГАМК [94]. Еще в конце 70-х годов было сформировано представление о модуляции нейропередачи внесинаптическими, в частности, аксональными ГАМКА рецепторами периферических нервов [32]. В последующем было показано, что бикукуллин, антагонист ГАМКА-рецепторов, повышает вероятность возникновения антидромных спайков в аксонах пирамидных клеток поля СА3 [8, 129], а мусцимол, агонист этих рецепторов, снижает амплитуду потенциала волокон в изолированных коллатералях Шаффера срезов гиппокампа, измеренную в поле СА1 с помощью внеклеточного электрода (Рис.5). Некоторые внесинаптические ГАМКергические рецепторы, обладающие высокой аффинностью к ГАМК, характеризуются и медленной десенситизацией [16, 94]. К таким рецепторам, в частности, относятся ГАМКергические рецепторы, содержащие δ-субъединицу [64]. Эти рецепторы являются идеальным “детектором” внеклеточной концентрации ГАМК и могут реагировать на незначительные ее изменения. Считается, что они опосредуют постоянный ток, или тоническое торможение [127]. В гиппокампе тонический ток был описан в гранулярных клетках зубчатой извилины [99, 130], пирамидных клетках и интернейронах поля СА1 [15]. Этот ток чувствителен к изменению внеклеточной концентрации ГАМК и увеличивается при блокаде обратного захвата этого нейропередатчика. Кроме того, тоническое ГАМКергическое торможение в гиппокампе характеризуется клеточной специфичностью. В интернейронах поля СА1 тонический ток регистрируется при нормальных условиях, тогда как в пирамидных клетках только при повышении внеклеточной концентрации ГАМК. При этом фармакологические свойства рецепторов, опосредующих этот ток, в данных типах клеток различны. Физиологическое значение тонического тока в гиппокампе мало изучено. Возможно, что он специфически балансирует возбудимость этой структуры и может выступать в качестве антиэпилептогенного защитного механизма [121]. Тоническое торможение способно изменять биофизические свойства мембраны: проводимость и коэффициент затухания токов [5, 54]. Подобные изменения будут отражаться в изменении формы синаптических токов и их интеграции нейронами. Метаботропные рецепторы Метаботропные ГАМКВ рецепторы являются гетеродимерами [97], состоящими из двух субъединиц: GBR1 и GBR2 [69]. Эти рецепторы активируются более низкими концентрациями ГАМК, чем ионотропные синаптические ГАМКА рецепторы [69]. ГАМКВ рецепторы связаны с тримерным G-белком [65]. На постсинаптическом участке ГАМКВ рецепторы запускают каскад реакций, которые ведут к открыванию G-белок связанных К+ каналов (GIRK – G protein-gated inward rectifying K+ channels) [10, 96]. Благодаря активации данных каналов возникает медленный ТПСТ, длящийся сотни миллисекунд [113]. Другим эффектом активации ГАМКВ рецепторов является ингибирование аденилатциклазы [98]. Кроме того, данные рецепторы связаны через G-белок с N- и P/Q- типами потенциалзависимых кальциевых каналов, которые участвуют в синаптическом высвобождении нейропередатчиков [11, 95]. Посредством этого механизма пресинаптические ГАМКВ рецепторы снижают высвобождение нейропередатчиков, уменьшая пресинаптический вход кальция. Важность гетеросинаптических взаимодействий, опосредованных ГАМКВ рецепторами, впервые была продемонстрирована на примере того, что ГАМК, высвобождаемая терминалями интернейронов, может подавлять синаптическую глутаматергическую нейропередачу между коллатералями Шаффера и пирамидными нейронами в поле СА1 гиппокампа и этот эффект чувствителен к антагонистам данных рецепторов [67]. Несмотря на то, что физиологическая роль этого феномена пока еще недостаточно изучена, можно предположить, что он выступает в роли гомеостатического регулятора возбудимости. Повышение возбуждения в гиппокампе приводит к высокой активности интернейронов посредством расположенных на них возбуждающих синапсов. Такая активация интернейронов приводит как к высвобождению ГАМК на постсинаптические рецепторы внутри тормозных синапсов, так и к ее диффузии во внеклеточное пространство (спиловер ГАМК). Покидая синаптическую щель, ГАМК достигает ГАМКB рецепторов на глутаматергических терминалях и снижает возбуждающую передачу между основными клетками. Впервые, нам удалось показать, что спиловер ГАМК может снижать тормозную нейропередачу в соседних терминалях через ГАМКB рецепторы [120]. Очевидно, этот феномен существует параллельно с ауторецепторной функцией этих рецепторов. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДИФФУЗНЫХ СИГНАЛОВ Существует много сходного и различного в принципах организации диффузных глутамат- и ГАМКергической нейропередач. Различия отчасти связаны с биофизическими свойствами рецепторов. Например, если ГАМКергическое тоническое торможение охарактеризовано в ряде независимых друг от друга исследований [15, 99, 130], то свидетельств о наличии тонического глутаматергического тока относительно мало [112]. Для поддержания постоянного тока ионотропный рецептор должен не только обладать высокой аффинностью к агонисту и реагировать на небольшие изменения в его внеклеточной концентрации, но и обладать очень медленной десенситизацией. Благодаря высокой аффинности к глутамату каинатные рецепторы могли бы быть идеальным кандидатом, опосредующим тонический ток. Однако их сходная с синаптическими AMPA-рецепторами быстрая кинетика десенситизации не позволяет им поддерживать тонический ток [86]. Наличие большого числа субъединичных композиций позволяет существовать набору ГАМКА рецепторов, обладающих подходящими биофизическими свойствами для поддержания тонической проводимости [6, 94]. Вероятно, такой дисбаланс в работе возбуждающих и тормозных внесинаптических ионотропных рецепторов является необходимым для предотвращения чрезмерной возбудимости нейронной сети гиппокампа – структуры, чувствительной к эпилептогенезу [7, 43]. Большинство исследований, посвященных диффузной глутамат- и ГАМКергической нейропередаче, фокусируют свое внимание на определенном типе рецептора, воспринимающего диффузный сигнал. Однако как происходит интеграция сигнала на уровне разных рецепторов или разных медиаторных систем, остается за рамками этих работ. Например, повышение внеклеточной концентрации глутамата оказывает влияние как на аксональные каинатные рецепторы, так и пресинаптические метаботропные рецепторы группы III в гиппокампальных интернейронах [81, 119, 120]. При этом каинатные рецепторы усиливают зависимое от потенциалов действия высвобождение ГАМК, а метаботропные рецепторы, наоборот, снижают экзоцитоз медиатора. На первый взгляд метаботропные рецепторы группы III и каинатные рецепторы должны оказывать противоположное действие на эффективность ГАМКергической передачи, поскольку оба эффекта могут подавить друг друга при физиологических условиях, когда ни один из классов рецепторов не блокирован фармакологически. Однако существуют небольшие, но важные различия в механизмах модуляции ТПСТ этими двумя классами рецепторов, приводящие к предположению о комплиментарности эффектов. Рецепторы mGluR группы III оказывают эффект непосредственно на высвобождение нейропередатчика, что связано с их расположением на пресинаптическом участке [124, 125]. По этой причине L-AP4 подавляет как зависимые от потенциалов действия спонтанные ТПСТ, так и независимые миниатюрные ТПСТ в интернейронах [40, 120]. Каинатные рецепторы приводят к деполяризации аксонов интернейронов и облегчению возникновения в них потенциалов действия, а следовательно, усиливают зависимые от потенциалов действия спонтанные ТПСТ [119]. Таким образом, одновременная активация обоих типов рецепторов эндогенным агонистом “контрастирует” зависимые от потенциалов действия ТПСТ (“сигнал”) по отношению к независимым миниатюрным ТПСТ (“шум”), подавляя преимущественно последние и снижая тем самым фоновое торможение [81]. Совместная активация внесинаптических ГАМКА и ГАМКВ рецепторов за счет диффузной ГАМК не была систематически исследована. Известно, что повышение внеклеточной концентрации этого нейропередатчика ведет к усилению тонического торможения интернейронов и пирамидных клеток в гиппокампе [121] и активации пресинаптических ГАМКВ рецепторов, снижающих эффективность глутамат- и ГАМКергической синаптической передач [66, 67, 120]. Как эти эффекты вместе отразятся на общей возбудимости нейрональной сети остается неясным. В предыдущих разделах настоящего обзора обсуждалось влияние диффузных глутамата и ГАМК на нейронную возбудимость и эффективность синаптической передачи. При этом взаимодействие между самими диффузными системами осталось за кадром. К настоящему моменту проведено сравнительно немного исследований, посвященных этому вопросу. Таковыми, например, являются исследования влияния активации внесинаптических каинатных рецепторов в интернейронах гиппокампа на повышение внеклеточной концентрации ГАМК [5, 54]. Активация каинатных рецепторов приводит к деполяризации аксонов интернейронов, увеличению зависимого от потенциалов действия высвобождения ГАМК и накоплению ее во внеклеточном пространстве [119]. Накопление внеклеточной ГАМК приводит к активации пресинаптических ГАМКВ рецепторов на тормозных и возбуждающих терминалях и тонической активации ГАМКА рецепторов. Вероятно, предложенная схема не исчерпывает всех возможных эффектов диффузных сигналов в нейронной сети. Однако она показывает, насколько более сложно организована система обработки информации в гиппокампе по сравнению с традиционной синаптической схемой его организации. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Диффузная нейропередача является предметом интенсивных исследований. Тем не менее многие ее аспекты остаются мало изученными. Не было детально исследовано, как активация одной системы диффузной нейропередачи может повлиять на другую, и каковы в результате будут изменения возбудимости нейронной сети гиппокампа. Кроме того, большая часть приведенных здесь исследований была проведена на срезах гиппокампа и в ряде случаев при комнатной температуре. Можно предположить, что диффузная нейропередача in vivo будет происходить несколько иным образом, поскольку морфологическая структура полностью сохранена, а оборот транспортеров значительно выше при физиологической температуре, чем при комнатной [63, 143]. В этом случае приведет ли высокий оборот транспортеров к более интенсивному захвату нейропередатчиков или, наоборот, к более эффективному их высвобождению за счет обратного захвата остается неясным. Описание функциональных особенностей внесинаптических рецепторов является крайне важным не только для понимания механизмов обработки информации в гиппокампе, но и для объяснения действия ряда нейроактивных препаратов. Фармакологические свойства большинства применяемых в клинике лекарств традиционно исследовались относительно их влияния на синаптическую нейропередачу и ионные каналы. Было показано, что некоторые из них, в частности, бензодиазепины и барбитураты, аллостерические модуляторы ГАМКА рецепторов, способны усиливать не только тормозные постсинаптические токи, но и тонический ГАМКергический ток [121]. Таким образом, механизм терапевтического эффекта подобных препаратов может быть существенно дополнен, а в некоторых случаях и пересмотрен. Кроме того, открывается перспектива создания лекарств, специфически влияющих на системы глутамат- и ГАМКергической диффузных нейропередач. Наконец, если изменения в эффективности синаптической передачи традиционно связывают с рядом процессов высшей нервной деятельности, такими как обучение и память [147], то роль внесинаптической диффузной нейропередачи еще только предстоит исследовать. Интересно, что на примере гипоталамуса было показано, что у крыс в зависимости от их состояния (до, во время и после лактации) происходят изменения в глиальном окружении нейронов и внеклеточной концентрации глутамата [101]. В этой связи перспективными выглядят исследования по изучению роли диффузной нейропередачи в гиппокампе для различных процессов высшей нервной деятельности. Автор искренне благодарен профессору Д.М. Кульману и всем сотрудникам его лаборатории за ежедневные обсуждения теоретических вопросов, которые легли в основу настоящего обзора, в частности Д.А. Русакову. Отдельное спасибо А.С. Базяну за основательное обсуждение рукописи статьи и помощь в подготовке ее к печати. Автор также благодарен П. Белану, О.В. Годухину, М.В. Копанице, К.С. Раевскому, В. Рязанскому, В.Г. Скребицкому за критическое чтение статьи и полезные замечания. |
Оценить статью >> пока еще нет оценок, ваша может стать первой :)
http://www.scorcher.ru/xml/news.rss
|