УСПЕХИ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ НАУК, 2010, том 41, № 1, с. 3-25
УДК 612
АЛЛОСТЕРИЧЕСКАЯ ПЛАСТИЧНОСТЬ ГАМК^-РЕЦЕПТОРА И ВНУТРИНЕЙРОНАЛЬНАЯ ИНТЕГРАЦИЯ НА УРОВНЕ ТРАНСДУКЦИОННОГО СИГНАЛА
© 2010 г. А. С. Базян1, З. Х. Хашаев2
1 Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии РАН, Москва
2 Институт проблем передачи информации А.А. Харкевича РАН, Москва
В работе описана молекулярная структура и функция ГАМКА-рецептора. Зависимость особенностей аллостерической регуляции от субъединичной композиции рецептора. Описаны процессы синаптической пластичности, свойственные ГАМКа-рецептору, особенно при процессах кинд-линга. Процесс аллостерической пластичности ГАМКа-рецептора при пентилентетразоловом (ПТЗ) киндлинге, вызывает аутомодификацию активности рецептора и консолидирует (сохраняет с помощью модификации экспрессии генов) эту активность. Через несколько суток активность рецептора восстанавливается до контрольного уровня. Через 6 мес. введение киндлинговым крысам субконвульсивной дозы ПТЗ воспроизводит повышенную судорожную готовность и консолидированную 6 мес. назад активность ГАМКА-рецептора независимо от текущей активности рецептора и возрастных изменений. Активность ГАМКА-рецептора консолидируется на уровне молекулы рецептора, вероятно с помощью модификации субъединичной композиции рецептора. Исследования процессов обучения, памяти и ПТЗ-амнезии позволили предположить, что схожие механизмы пластичности ГАМКА-рецептора лежат в основе процессов обучения и памяти. На основании приведенных результатов описана схема внутринейрональной модуляторной интеграции или интеграции на уровне трансдукционного сигнала.
Ключевые слова: длительная посттетаническая потенциация, киндлинг - повышенная судорожная готовность, ЛМОА-Л-метил-О-аспартат, ГАМК - гамма аминомаслянная кислота, ТПСП - тормозной постсинаптический потенциал, БДЗ - бензодиазепин, ПТК - пикротоксин, ПТЗ - пенти-лентетразол, ДА - дофамин.
Предполагается, что длительная посттетаническая потенциация является клеточным аналогом обучения и памяти [93]. Тем не менее, когда высокочастотная стимуляция гиппокампа превышает определенное число последовательных тетанизаций, например сорок [78, 114], то развивается киндлинг. Киндлиг представляет собой повышенную судорожную готовность. В то же время хорошо известно, что судороги являются фактором, вызывающим амнезию. Поэтому в большой серии экспериментов мы попытались проанализировать механизмы, которые могут являться общими как для судорожных состояний, а так же для процессов обучения и памяти.
Известно, что в длительной посттетанической потенциации участвует ЛМОА-рецептор, локализованный на постсинаптической мембране нейронов гиппокампа [93]. ЛМОА-рецептор, является ионотропным рецептором, включающим в свое молекулярное строение кальциевый канал. Ионы кальция через ЛМОА-кальциевый канал,
входят в нейрон, в достаточном количестве после высокочастотной стимуляции, и как вторичный посредник вызывают медленную метаботроп-ную реакцию и длительную потенциацию. При электрическом киндлинге гиппокампа, дополнительно к усилению активности ЛМОА-рецептора [114], вовлекается также и ГАМКа-рецептор [78].
МОЛЕКУЛЯРНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИЯ ГАМК^-РЕЦЕПТОРА
ГАМК система является основной тормозной системой в головном мозге млекопитающих и без сомнения играет важную роль в процессах пластичности, обучения и памяти. ГАМКа-рецептор является супрамолекулярным рецепторным комплексом [35, 38, 45, 63, 68, 89, 90, 101, 106-108, 146]. На рис. 1А представлены пять специфических участков или сайтов связывания ГАМКА-рецептора. Первый участок - ГАМК-сайт, с которым связывается сам ГАМК и его специфи-
Рис. 1. Схематическая модель ГАМК^-рецептора и его субъединиц. А - схематическая модель ГАМК^ -рецептора, хлорного канала и аллостерических участков связывания. Б - модель субъединицы ГАМК^-рецептора. Четыре домена пронизывают клеточную мембрану. Внеклеточная Ы-терминаль полипептида из первого домена содержит участки гликолизирования (позиция 10 и 110) и цистеиновый мостик (130-152). Между третьим и четвертым трансмембранными доменами находится большая внутриклеточная петля. С-терминаль находится на внеклеточном конце четвертого домена. В - модель сборки ГАМК^-рецептора - хлорного канала с помощью субъединиц. Ионотропный ГАМК^-рецептор является гетероолигомером, состоящим из пяти субъединиц. Трансмембранные домены выстроены в квадрат. Г - выстроенные в квадрат трансмембранные домены ориентированы таким образом, что второй домен всегда направлен во внутрь и выстилает стенки хлорного канала.
ческие агонисты, например мусцимол и конкурентный антагонист бикукулин. Взаимодействие ГАМК с собственным сайтом ГАМК^-рецептора открывает хлорный канал, что приводит к генерации ТПСП. Второй участок связывания ГАМК^-рецептор а - БДЗ-сайт. С этим сайтом связываются БДЗ-агонисты, например, диазепам, клоназепам; БДЗ-антагонисты - флумазенил; и обратные агонисты БДЗ-сайта, ДМКМ, РССМ. Третий участок связывания ГАМК^-рецептор а -ПТК-сайт, с которым соединяются конвульсанты, в частности, ПТЗ. Четвертый участок связывания ГАМК^-рецептора - барбитуратный сайт, с которым связывается пентобарбитал и фенобарбитал. С этим же сайтом, предположительно связывается и этанол. Пятый сайт связывания ГАМК^-ре-цептора - нейростероидный.
Эти сайты являются аллостерическими регуляторами друг друга. Два вещества называются аллостерическими регуляторами, когда у каждого из этих веществ свой отдельный сайт связывания. Взаимодействие одного вещества со своим сайтом вызывает конформационные изменения в другом сайте и модифицирует параметры связывания другого вещества с собственным сайтом.
Хлорный канал открывается только при взаимодействии ГАМК с ГАМК-сайтом. Другие сайты усиливают или уменьшают это взаимодействие, усиливая или уменьшая хлорный ток. Хлорный ток снижается агонистами ПКТ-сайта и как правило усиливается барбитуратами, бензодиазепи-нами и анестетическими стероидами. И наоборот, ГАМК сам является аллостерическим регулятором для других сайтов [75, 89, 106, 107, 124].
Подробнее остановимся на нейростероидном сайте. Нейростероиды - это аналоги стероидных гормонов, но в отличие от них они взаимодействуют с соматодендритными и постсинаптиче-скими рецепторами [117]. Стероидные гормоны -это растворимые в липидах вещества, поэтому они легко проходят внутрь клетки, взаимодействуют с внутриклеточными прогестероновыми, гликокортикоидными, минералокортикоидными и эстрогенными рецепторами и модифицируют экспрессию генов. В отличие от этого после взаимодействия нейростероидов с рецептором запускается процесс оксигенации, который превращает некоторые внутриклеточные метаболиты в лиганды внутриклеточных стероидных рецепторов. После связывания лиганда с рецептора-
ми модифицируется экспрессия генов. Так как ГАМК-сайт - аллостерический регулятор нейро-стероидного сайта, то взаимодействие ГАМК с собственным сайтом может аллостерически модифицировать активность нейростероидного сайта, вследствие чего модифицируется экспрессия генов. Следовательно, взаимодействие ГАМК с рецептором запускает трансдукционный сигнал. Это означает, что ГАМКа-рецептор является ионотропным рецептором с метаболической компонентой, которая через трансдукционный сигнал запускает модификацию экспрессии генов.
Имеется несколько работ, в которых показано, что взаимодействие БДЗ с собственным сайтом активирует медленные внутриклеточные метаболические реакции через активацию протеинкина-зы С [70, 105], индуцирует трансдукционный сигнал и модифицирует экспрессию генов. Причем в одном случае редуцируется экспрессия белка субъединицы ГАМКа-рецептора [70], а в другом случае [105] индуцируется экспрессия е-/оз гена. Было показано [152] также, что медазолам (БДЗ-агонист) может вызвать мембранное перемещение альфа7 никотинового АЦХ-рецептора на ГАМКергическом нервном окончании через активацию протеин киназы С, позволяя эндогенному ацетилхолину увеличить выделение ГАМК. Но протеинкиназа С не вовлекается в процессы, индуцируемые нейростероидами [117]. Кроме того, показано [58], что седативный эффект диазепама коррелирован с селективной регулирующей транскрипцией, вовлеченной в регулирование нейронной пластичности и ней-ротрофических ответов. Можно предположить, что ГАМКа-рецептор имеет минимум 2 сайта для реализации внутриклеточных метаболических реакции и индукции трансдукционного сигнала, нейростероидный и БДЗ-сайты.
На рис. 1Б изображена субъединица ГАМКа-рецептора. Это длинная полипептидная цепочка, которая пронизывает мембрану в четырех местах, т.е. имеем четыре трансмембранных домена [89], так же как субъединицы любого ионотропного рецептора [11]. При этом и Л-, и С-концы полипептидной цепи находятся на внеклеточной поверхности. Между третьим и четвертым доменами находится большой внутриклеточный фрагмент, на котором сосредоточены сайты фосфори-лирования протеинкиназами, с которым связаны основные отличия в первичной структуре между различными субъединицами [18, 132]. На Л-тер-минали полипептидной цепочки, выходящей из первого домена, находится активные центры рецептора или сайты, связывающие лиганды [44, 89, 144, 150]. ГАМКА-рецептор - это пентаэдр
(рис. 1В и 1Г) [18, 89]. Как указывалось выше, пять субъединиц окружают хлорный канал. Субъединицы ориентированы таким образом, что вторая субъединица выстилает стенки хлорного канала [17].
ГАМКА-рецептор обладает 20 субъединицами: а субъединица - 6 изоформ, в субъединица -4 изоформы, у субъединица - 3 изоформы, 8 субъединица - 1 изоформа, е субъединица - 1 изофор-ма, п субъединица - 1 изоформа, р субъединица -3 изоформы и 0 субъединица - 1 изоформа [18, 25, 151]. У птиц обнаружена у4 изоформа, но она не обнаружена у млекопитающих. Субъединицы е и 0 обнаружены у человека, в мозге обезьяны и крысы обнаружены субъединицы, структурно сходные с ними [25, 151]. Эффективность алло-стерической регуляции зависит от субъединичной композиции (состава) рецептора. Например, наличие у2 субъединицы в составе рецептора интенсифицирует аллостерическое усиление ГАМК-эффектов диазепамом, клоназепа
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.