БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2007, том 24, № 1, с. 32-42
== ОБЗОРЫ
УДК 577.352
МОДУЛЯЦИЯ СИНАПТИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ, ИНДУЦИРУЕМАЯ КАЛЬЦИЕМ
© 2007 г. П. Д. Брежестовский, Л. Г. Хаспеков*
Средиземноморский институт нейробиологии, Марсель, Франция; факс: 04-91-82-81-01; электронная почта: pbreges@inmed.univ-mrs.fr *ГУ НИИ мозга РАМН, 105064 Москва, пер. Обуха, д. 5, Россия; факс:(495)9160595; электронная почта: khaspek@cc.nifhi.ac.ru Поступила в редакцию 14.08.2006 г.
Кальций (Са2+) является универсальным вторичным посредником, регулирующим обширнейший диапазон внутриклеточных процессов. В данном обзоре на примере ГАМК- и глицинергических синапсов кратко анализируются две его функции: Са2+-зависимая постсинаптическая модуляция ре-цепторных ионных каналов и Са2+-индуцируемая ретроградная регуляция выброса нейромедиато-ров из пресинаптических окончаний.
Основными формами кратковременной и длительной модуляции постсинаптических каналов, управляемых рецепторами к ГАМК и глицину, являются фосфорилирование, быстрая потенциация через Са2+-зависимый промежуточный белок и изменение числа функциональных рецепторов. Ретроградная регуляция представляет собой механизм, с помощью которого постсинаптические нейроны обеспечивают эффективный контроль передачи нервных сигналов. В ответ на повышение внутриклеточной концентрации Са2+ в постсинаптическом нейроне синтезируются эндоканнабино-иды (производные арахидоновой кислоты), которые ретроградно диффундируют через синаптиче-скую щель к пресинаптической мембране. Взаимодействие эндоканнабиноидов с каннабиноидными рецепторами, локализованными на пресинаптических терминалях и сопряженными с G-белком, приводит к торможению выброса нейромедиатора.
Указанные механизмы двойной модуляции (функционирования постсинаптических каналов и выброса нейромедиатора из пресинаптических терминалей) играют важную роль в Са2+-зависимом контроле основных возбуждающих и тормозных синаптических путей в нервной системе млекопитающих.
Кальций (Са2+) - уникальный ион, контролирующий и регулирующий обширнейший диапазон клеточных процессов. Важную роль Са2+ в функциях живых организмов впервые показал в начале 1880-х годов английский исследователь Сидней Рингер. При проведении экспериментов на изолированных сердцах лягушки и крысы Рингер обнаружил, что добавление небольшого количества Са2+ в дистиллированную воду приводило к значительному увеличению времени нормальных сердечных сокращений [1].
Это открытие, как и множество других открытий в науке, было сделано благодаря случайности. Однажды, начав эксперимент по стандартному протоколу (перфузия изолированного сердца 0.75% раствором каС1 в дистиллированной воде1), Рингер обнаружил, что препараты остаются живыми удивительно долго. Оказалось, что лаборант, готовя эксперимент, использовал в перфузи-онной системе вместо дистиллированной воды воду из-под крана, которая поступала из Темзы через
1 Этот рецепт был предложен Карлом Людвигом (18161895), который разработал технику перфузии изолированных органов.
компанию "New River Water". Небезосновательно предположив, что вода в Темзе имеет множество примесей, Рингер начал исследовать, какие добавки к дистиллированной воде могут привести к продлению жизни изолированного сердца. Вскоре обнаружилось, что такой магической добавкой являются небольшие количества кальция. Результатом этих исследований стало создание знаменитого физиологического раствора Рингера2 [1].
В дальнейшем было выявлено огромное разнообразие физиологических функций Ca2+, почти универсального внутриклеточного посредника. Он регулирует множество функций, включая транскрипцию генов, работу ионных каналов, нейрональную пластичность, мышечное сокращение, пролиферацию клеток и клеточную смерть.
Ключевая роль Ca2+ в синаптической передаче была установлена в 1960-х годах Катцем и Миледи,
2 Дополнительные сведения о С. Рингере и его скрупулезных исследованиях можно найти в работе Moore B. "In Memory of Sidney Ringer [1835-1910] Some account of the Fundamental Discoveries of the Great Pioneer of the Bio-Chemistry of Crystallo-colloids in Living Cells". Biochem. J. 1911; 5(6-7): i.b3-xix. (http://www.pubmedcentral.nih.gov/articleren-der.fcgi?artid=1276368).
показавшими, что Ca2+ запускает выброс нейроме-диатора из пресинаптического окончания. В серии элегантных экспериментов на концевой пластинке лягушки [2] и на гигантском синапсе кальмара [3] исследователи доказали, что удаление Ca2+ из наружного раствора приводит к полному прекращению выброса нейромедиатора из пресинаптического окончания без изменения амплитуды натриевых потенциалов действия (см. рисунок в [4]).
Для осуществления специфического контроля различных функций клеток распределение Ca2+ жестко регулируется в пространстве (микро- и на-нодомены) и во времени [5, 6]. Несколько специализированных систем осуществляют трансмембранный вход и выход этих ионов, контролируя их локальную внутриклеточную концентрацию ([Ca2+];). Среди этих систем наиболее важную роль играют Са2+-проницаемые ионные каналы, внутриклеточные депо, №+/Са2+-обменник, Са2+-буферы и митохондрии.
Роль №+/Са2+-обменника, митохондрий и ионных каналов в регуляции Са2+-гомеостаза в нейронах на протяжении многих лет исследовал профессор Б.И. Ходоров. Успешно применив современные методы компьютерного анализа изображений и конфокальной микроскопии для одновременной регистрации динамики [Ca2+] и митохондриально-го потенциала в нескольких культивируемых нейронах, Б.И. Ходоров и его сотрудники показали четкую корреляцию между стадией дифференци-ровки нейрона in vitro и степенью деполяризации митохондрий, а также способностью клетки восстанавливать исходный уровень [Ca2+] после токсического действия глутамата. Кроме того, было обнаружено, что усиление деполяризации митохондрий сопровождается повышением [Ca2+] в результате снижения их способности поглощать Ca2+; при этом в результате изменения активности митохондри-альной АТР-синтазы происходит падение концентрации АТР и перегрузка нейронов ионами Na+ и Са2+ [7-11]. Таким образом, работы Б.И. Ходорова и его коллег внесли важный вклад в раскрытие молекулярных механизмов индуцированной деполяризации митохондрий и ее роли в изменениях ионного баланса в различных субклеточных компарт-ментах нейрона.
В последние годы выявлен ряд новых функций Ca2+ в физиологии синапса, включая формирование нейрональной сети и тонкую регуляцию си-наптической передачи [12].
В данном обзоре на примере тормозных ГАМК- и глицинергических синапсов млекопитающих мы кратко опишем две функции этого универсального внутриклеточного регулятора: 1) Са2+-за-висимую модуляцию управляемых рецепторами постсинаптических ионных каналов; 2) постсинапти-ческую ретроградную модуляцию выброса нейро-медиатора.
1. Са2+-ЗАВИСИМАЯ МОДУЛЯЦИЯ
РЕЦЕПТОР-УПРАВЛЯЕМЫХ ПОСТСИНАПТИЧЕСКИХ ИОННЫХ КАНАЛОВ
В нервной системе млекопитающих основные тормозные пути обеспечиваются системой ГАМК-и глицинергических синапсов. Выделяющиеся из пресинаптических окончаний ГАМК и глицин взаимодействуют со специфическими рецептор-управ-ляемыми каналами, избирательно проницаемыми для ионов хлора [13, 14]. ГАМКергические синапсы контролируют тормозные нейронные сети в головном мозге, в то время как глицинергические синапсы обеспечивают преимущественно тормозную передачу в спинном мозге, мозговом стволе и некоторых сенсорных системах [15, 16]. В некоторых структурах мозга везикулы терминалей аксонов могут содержать ГАМК и глицин. В результате при стимуляции этих окончаний оба нейромедиатора выделяются одновременно [17, 18].
Увеличение концентрации Са2+ в постсинаптических отделах тормозных синапсов может происходить в результате: (1) деполяризации, ведущей к активации потенциал-зависимых Са2+-каналов; (2) входа Са2+ через каналы, управляемые некоторыми типами рецепторов, например глутаматными: рецепторами к ^метил^-аспартату (NMDA) или а-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропинату (АМРА); (3) выброса Са2+ из внутриклеточных депо.
В тормозных путях возрастание [Са2+] в постси-наптическом нейроне приводит к нескольким формам кратковременной и длительной модуляции каналов, управляемых рецепторами к ГАМК и глицину: 1) фосфорилированию каналов; 2) быстрой потенциации каналов через Са2+-зависимый промежуточный белок; 3) изменению числа функциональных рецепторов на постсинаптической мембране.
1.1. Фосфорилирование каналов
Ионотропные рецепторы, активируемые ГАМК и глицином, принадлежат к подсемейству рецепторов, активируемых лигандами, в которое входят также рецепторы к ацетилхолину и серотонину [15, 19]. Все эти рецепторы имеют сходную топологию и содержат крупный наружный участок (порядка 200 аминокислот), четыре трансмембранных домена и длинный цитоплазматический домен (около 100 аминокислот). Последний расположен между третьим и четвертым трансмембранными доменами и обеспечивает "заякоривание" рецепторов в специфических участках мембраны, а также ряд других функций, осуществляющих взаимодействие с цитоплазматическим окружением [15, 19, 20].
Внутриклеточные участки некоторых субъединиц ГАМК- и глициновых рецепторов, в особенности длинный цитоплазматический домен, содер-
жат фрагменты, которые являются потенциальными кандидатами для фосфорилирования киназами и дефосфорилирования фосфатазами. Показано, что несколько киназ и фосфатаз, регулирующих работу этих рецепторов, активируются через Ся2+-зави-симые пути [15, 21].
В клеточных линиях, экспрессирующих различные субъединицы ГАМК- или глициновых рецепторов, протеинкиназы А, С и G (соответственно PKA, PKC, PKG), а также кальмодулин-зависимая киназа II (СаМКП) эффективно фосфорилируют сериновые аминокислоты в длинном цитоплазма-тическом домене. В нейронах анализ механизмов фосфорилирования затруднен из-за гетерогенности экспрессируемых рецепторов и множественных путей регуляции, так что во многих случаях интерпретация опубликованных экспериментальных результатов неоднозначна.
Так, в опытах на спинальных нейронах крысы фосфорилирование глициновых рецепторов РКА и РКС имело противоположные эффекты [22, 23]. С др
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.