Нейротрансмиттерлердің қайта сіңірілуі және тасымалданушылары
Reuptake
Нейротрансмиттерлердің қайта сіңуі – жүйке импульстарын жеткізудегі маңызды процесс. Транспортерлердің жұмысы, нейротрансмиттерлерді қайта пайдалану және деңгейін реттеуде.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Нейротрансмиттерді нейротрансмиттер тасымалдаушымен қайта сіңіру – нейрон импульсын жеткізу функциясын орындағаннан кейін, аксон терминалының (яғни, синапстағы пресинаптикалық нейронның) немесе глиальды жасушаның плазмалық мембранасы бойында орналасқан нейротрансмиттер тасымалдаушымен нейротрансмиттерді қайта сіңіру процесі. Қайта сіңіру қалыпты синапстық физиология үшін қажет, себебі ол нейротрансмиттерлерді қайта пайдалануға және синапстағы нейротрансмиттер деңгейін реттеуге мүмкіндік береді, соның арқасында нейротрансмиттерлердің босатылуынан туындаған сигналдың ұзақтығы бақыланады. Нейротрансмиттерлердің мембрана арқылы таралуы үшін тым үлкен және суды тартатын қасиеттері болғандықтан, нейротрансмиттерлерді қайта сіңіру үшін арнайы тасымалдау ақуыздары қажет. Қайта сіңіру механизмін анықтау мақсатында көптеген биохимиялық және құрылымдық зерттеулер жүргізілді.
Reabsorption of a neurotransmitter by a neurotransmitter transporter
Reuptake is the reabsorption of a neurotransmitter by a neurotransmitter transporter located along the plasma membrane of an axon terminal (i. e., the pre synaptic neuron at a synapse) or glial cell after it has performed its function of transmitting a neural impulse. Reuptake is necessary for normal synaptic physiology because it allows for the recycling of neurotransmitters and regulates the level of neurotransmitter present in the synapse, thereby controlling how long a signal resulting from neurotransmitter release lasts. Because neurotransmitters are too large and hydrophilic to diffuse through the membrane, specific transport proteins are necessary for the reabsorption of neurotransmitters. Much research, both biochemical and structural, has been performed to obtain clues about the mechanism of reuptake.
Белоктың құрылымы
Қайта қабылдау протеинінің алғашқы негізгі тізбегі 1990 жылы жарияланды. Протеин тізбегін анықтау әдісі, аталған тасымалдаушы протеиннің тазартылуы, тізбегінің анықталуы және клондалуы, немесе тасымалдау функциясы сол тасымалдаушыны кодтайтын кДНК түрлеріне сынақ ретінде қолданылатын экспрессиялық клондау стратегиясына негізделген. Ажыратылғаннан кейін, екі ДНК тізбегінің арасында көптеген ұқсастықтар бар екені анықталды. Қайта қабылдау протеиндері саласындағы одан әрі зерттеулер денедегі маңызды нейротрансмиттерлермен байланысты көптеген тасымалдаушылардың тізбегінің ГАМК және норадреналин тасымалдаушыларына өте ұқсас екенін көрсетті. Бұл жаңа топқа допамин, норадреналин, серотонин, глицин, пролин және ГАМК тасымалдағыштары кіреді. Олар Na+/Cl− тәуелді нейротрансмиттер тасымалдағыштары деп аталды. Натрий және хлорид иондарына тәуелділік, әсер ету механизмі туралы кейін талқыланады. Тізбектер мен гидропатиялық сюжеттерді талдаудың ортақтығын пайдалану арқылы «классикалық» тасымалдаушы отбасында 12 гидрофобтық мембраналық аймақ бар екендігі болжалды. Сонымен қатар, N және C терминалдары жасушаішілік кеңістікте орналасқан. Бұл протеиндерде үшінші және төртінші трансмембраналық тізбектер арасында кеңейтілген жасушадан тыс цикл бар. Химиялық таңбалау эксперименттері серотонин тасымалдаушының болжанған топологиялық ұйымдастырылуын растады. Нейротрансмиттер тасымалдағыштарынан басқа, жануарлар мен прокариоттарда ұқсас тізбектермен көптеген басқа протеиндер табылды, бұл нейротрансмиттерлердің үлкен отбасы: натрий симпортерлері (NSS) екенін көрсетеді. Осы протеиндердің бірі, Aquifex aeolicus-тан алынған LeuT, Ямашита және авторлар тобымен өте жоғары ажыратымдылықпен кристалдастырылды, бұл протеин ортасында орналасқан лейцин молекуласын және екі Na+ ионын көрсетті. Олар трансмембраналық (ТМ) 1 және 6 спиральдері мембрананың ортасында орамсыз сегменттерге ие екенін анықтады. Осы екі спиральмен бірге, ТМ 3 және 8 спиральдері және 1 және 6 спиральдерінің орамсыз бөліктерін қоршап тұрған аймақтар субстрат пен натрий иондарының байланысу орындарын құрады. Кристалдық құрылым LeuT-те псевдосимметрияны көрсетті, онда ТМ 1-5 спиральдерінің құрылымы 6-10 спиральдерінің құрылымында көрінеді. Протеинде жасушадан тыс қуыс бар, оған жасушадан тыс EL4 циклдан құрылған спиральді шашты тігіс кіреді. ТМ1-де аспартат моноаминді NSS тасымалдағыштарын аминқышқылы тасымалдағыштарынан ажыратады, олар сол позицияда глицинге ие. Сыртқы және ішкі «қақпалар» жасуша сыртындағы қуыста және ТМ 1 және 8 спиральдерінің цитоплазмалық ұштарында теріс және оң зарядталған қалдықтардың жұптарына тағайындалды.
The first primary sequence of a reuptake protein was published in 1990. The technique for protein sequence determination relied upon the purification, sequencing, and cloning of the transporter protein in question, or expression cloning strategies in which transport function was used as an assay for cDNA species coding for that transporter. After separation, it was realized that there were many similarities between the two DNA sequences. Further exploration in the field of reuptake proteins found that many of the transporters associated with important neurotransmitters within the body were also very similar in sequence to the GABA and norepinephrine transporters. The members of this new family include transporters for dopamine, norepinephrine, serotonin, glycine, proline and GABA. They were called Na+/Cl− dependent neurotransmitter transporters. Sodium and chloride ion dependence will be discussed later in the mechanism of action. Using the commonalities among sequences and hydropathy plot analyses, it was predicted that there are 12 hydrophobic membrane spanning regions in the 'Classical' transporter family. In addition to this, the N and C termini exist in the intracellular space. These proteins also all have an extended extracellular loop between the third and fourth transmembrane sequences. Site directed chemical labeling experiments verified the predicted topological organization of the serotonin transporter. In addition to neurotransmitter transporters, many other proteins in both animals and prokaryotes were found with similar sequences, indicating a larger family of Neurotransmitter: Sodium Symporters (NSS). One of these proteins, LeuT, from Aquifex aeolicus, was crystallized by Yamashita et al. with very high resolution, revealing a molecule of leucine and two Na+ ions bound near the center of the protein. They found that the transmembrane (TM) helices 1 and 6 contained unwound segments in the middle of the membrane. Along with these two helices, TM helices 3 and 8 and the areas surrounding the unwound sections of 1 and 6 formed the substrate and sodium ion binding sites. The crystal structure revealed pseudo symmetry in LeuT, in which the structure of TM helices 1 5 is reflected in the structure of helices 6–10. There is an extracellular cavity in the protein, into which protrudes a helical hairpin formed by extracellular loop EL4. In TM1, an aspartate distinguishes monoamine NSS transporters from amino acid transporters which contain a glycine at the same position. External and internal "gates" were assigned to pairs of negatively and positively charged residues in the extracellular cavity and near the cytoplasmic ends of TM helices 1 and 8.
Әрекет ету механизмі
Классикалық тасымалдаушы ақуыздар трансмембраналық иондық градиенттерді және электрлік потенциалды пайдаланып, нейротрансмиттерді пресинаптикалық нейронның мембранасы арқылы тасымалдайды. Na+ және Cl− ионына тәуелді типтік нейротрансмиттер натрий симпорты (NSS) транспортерлері Na+ және Cl− градиенттерін пайдаланып, мембрана арқылы ішке қарай бағытталған қозғалысты қамтамасыз етеді. Иондар концентрациялық градиенттері бойынша ағып, көп жағдайда мембраналық потенциалмен күшейтілетін мембраналық зарядтың қозғалысына әкеледі. Бұл күштер нейротрансмиттер субстратын жасушаға тартады, тіпті оның өзінің концентрациялық градиентіне қарсы болса да. Молекулалық деңгейде Na+ иондары аминқышқылдарының субстратқа байланысуын тұрақтандырады, сондай-ақ транспортерді субстратқа байланысуға мүмкіндік беретін сыртқы ашық конформацияда ұстайды. Симпорт механизмінде Cl− ионының рөлі симпортталған Na+ зарядын тұрақтандыру үшін болжамдалған. Иондар мен субстрат байланысқаннан кейін конформациялық өзгерістер болуы керек. ТМ 1-5 және ТМ 6-10 құрылымдары арасындағы конформациялық айырмашылықтардан және SERT байланыс орны мен цитоплазма арасындағы субстрат өткізгіштігінің жолынан конформациялық өзгерістердің механизмі ұсынылды, онда ТМ 1, 2, 6 және 7 құрамындағы төрт спиральді шоғыр ақуыздың қалған бөлігінде бағытын өзгертеді. Ішке ашық конформациядағы LeuT құрылымы конформациялық өзгерістің басты бөлігі – ақуыздың қалған бөлігіне қатысты шоғырдың қозғалысы екенін көрсетті.
The classic transporter proteins use transmembrane ion gradients and electrical potential to transport neurotransmitter across the membrane of the presynaptic neuron. Typical neurotransmitter sodium symport (NSS) transporters, which are Na+ and Cl− ion dependent, take advantage of both Na+ and Cl− gradients, inwardly directed across the membrane. The ions flow down their concentration gradients, in many cases leading to transmembrane charge movement that is enhanced by the membrane potential. These forces pull the neurotransmitter substrate into the cell, even against its own concentration gradient. At a molecular level, Na+ ions stabilize amino acid binding at the substrate site and also hold the transporter in an outward open conformation that allows substrate binding. The role of the Cl− ion in the symport mechanism has been proposed to be for stabilizing the charge of the symported Na+. After ion and substrate binding have taken place, some conformational change must occur. From the conformational differences between the structure of TMs 1 5 and that of TMs 6–10, and from the identification of a substrate permeation pathway between the binding site of SERT and the cytoplasm, a mechanism for conformational change was proposed in which a four helix bundle composed of TMs 1, 2, 6 and 7 changes its orientation within the rest of the protein. A structure of LeuT in the inward open conformation subsequently demonstrated that the major component of the conformational change represents movement of the bundle relative to the rest of the protein.
Қайта қабылдауды тежеу механизмі
Қайта сіңіру ингибиторларының басты мақсаты – нейротрансмиттерлердің пресинаптикалық нейронға қайта сіңірілу жылдамдығын айтарлықтай төмендету, осы арқылы синапстағы нейротрансмиттерлердің концентрациясын арттыру. Бұл нейротрансмиттерлердің пре- және постсинаптикалық нейротрансмиттер рецепторларымен байланысуын күшейтеді. Нейрондық жүйеге қарай, қайта сіңіру ингибиторының танымдық қабілетке және мінез-құлыққа күшті әсері тиюі мүмкін. Трициклді антидепрессанттардың бактериялық гомологы LeuT-тің бәсекеге қабілетсіз тежелуі осы ингибиторлардың клеткадан тыс өткізу жолымен байланысуынан туындайды. Дегенмен, антидепрессанттармен серотонинді тасымалдауды тежеудің бәсекелестік табиғаты, нейротрансмиттер тасымалдағыштарында олар субстрат орнымен қабаттасқан орынға байланысатынын көрсетеді.
The main objective of a reuptake inhibitor is to substantially decrease the rate by which neurotransmitters are reabsorbed into the presynaptic neuron, increasing the concentration of neurotransmitter in the synapse. This increases neurotransmitter binding to pre and postsynaptic neurotransmitter receptors. Depending on the neuronal system in question, a reuptake inhibitor can have drastic effects on cognition and behavior. Non competitive inhibition of the bacterial homologue LeuT by tricyclic antidepressants resulted from binding of these inhibitors in the extracellular permeation pathway. However, the competitive nature of serotonin transport inhibition by antidepressants suggests that in neurotransmitter transporters, they bind in a site overlapping the substrate site.
Адам жүйелері
Horschitz және тағы басқалар адам эмбриональды бүйрек жасушаларында (HEK SERT) экспрессияланған егеуқыр серотонинді қайта қабылдау протеинін (SERT) тежеушілердің таңдамалылығын зерттеді. Олар SERT-ке циталопрам (SSRI) немесе дезипрамин (норэпинефринді қайта қабылдау протеині, NET тежегіші) әртүрлі дозаларын ұсынды. Доза-әсер қисықтарын зерттеу (бақылау ретінде қалыпты орта қолданылды) арқылы циталопрамның SERT-ке SSRI ретінде әсер ететінін және дезипраминнің SERT-ке әсер етпейтінін анықтады. Жеке экспериментте Horschitz және тағы басқалар HEK SERT-ті циталопраммен ұзақ мерзімге әсер еткізді. Олар ұзақ мерзімді әсердің байланыс орындарын төмендетуге әкелетінін байқады. Бұл нәтижелер дәрілік емнен кейін пресинаптикалық нейрондағы ұзақ мерзімді өзгерістердің механизмін көрсетеді. Horschitz және тағы басқалар циталопрамды жүйеден алып тастағаннан кейін SERT байланыс орындарының экспрессиясы қалыпқа келгенін анықтады. Бұл серотонин сигналдауын күшейтеді, гипотеза бойынша бұл көңіл-күйді жақсартады және депрессиялық белгілерді жеңілдетеді. Серотонинді қайта қабылдау тежегіштерінің антидепрессанттық механизмі туралы бұл ұсыныс терапиялық әсердің уақытын ескермейді, ол апталарға немесе айларға созылады, ал транспортерді тежеу дерлік дереу болады. Амфетамин (AMPH) қолданудың жалқы нәтижесі – синапста дофамин, норадреналин және серотониннің артуы. AMPH іздік аминмен байланысты 1 рецепторына (TAAR1) серотонин, норадреналин және дофамин тасымалдаушыларында эффлюкс пен қайта қабылдауды тежеу үшін әсер ететіні көрсетілді. Бұл әсер үшін тасымалдаушы мен TAAR1 бір нейронның ішінде бірге орналасуы керек (қосымша болуы).
Horschitz et al. examined reuptake inhibitor selectivity among the rat serotonin reuptake protein (SERT) expressed in human embryonic kidney cells (HEK SERT). They presented SERT with varying doses of either citalopram (an SSRI) or desipramine (an inhibitor of norepinephrine reuptake protein, NET). By examining the dose response curves (using a normal medium as control), they were able to quantify that citalopram acted on SERT as an SSRI, and that desipramine had no effect on SERT. In a separate experiment, Horschitz et al. exposed HEK SERT with citalopram on a long term basis. They noticed that long term exposure led to a down regulation of binding sites. These results suggest some mechanism for long term changes in the pre synaptic neuron after drug therapy. Horschitz et al. found that after removing citalopram from the system, normal levels of SERT binding site expression returned. This increases serotonin signaling, which according to the hypothesis is believed to elevate mood and thus relieve depressive symptoms. This proposal for the antidepressant mechanism of serotonin reuptake inhibitors does not account for the time course of the therapeutic effect, which takes weeks to months, while transporter inhibition is essentially immediate. The net effect of amphetamine (AMPH) use is an increase of dopamine, norepinephrine and serotonin in the synapse. It has been shown that AMPH acts upon trace amine associated receptor 1 (TAAR1) to induce efflux and reuptake inhibition in the serotonin, norepinephrine, and dopamine transporters. This effect requires the transporter and TAAR1 to be co localized (occur together) within the same neuron.
Нейроқорғау рөлі
Астроциттер нейроқорғау үшін қайта сіңіру механизмдерін пайдаланады деп есептеледі. Астроциттер амин қышқылының қоздырғышы 2 (EAAT2, GLT 1) арқылы синапстан глутаматты жояды. EAAT2 жоқ тышқандар өлімге алып келетін және спонтанды ұстамаларға, сондай-ақ ми қабығындағы жедел ми жарақаттарына көбірек бейімделген. Бұл әсерлер EAAT2 жоқ тышқандардың миындағы глутамат концентрациясының жоғарылауымен байланысты болуы мүмкін, бұл өлтірілгеннен кейін талданды.
Astrocytes seem to utilize reuptake mechanisms for a neuroprotective role. Astrocytes use excitatory amino acid transporter 2 (EAAT2, aka GLT 1) to remove glutamate from the synapse. EAAT2 knockout mice were more prone to lethal and spontaneous seizures and acute brain injuries among the cortex. These effects could be linked to increased concentrations of glutamate in the brains of EAAT2 knockout mice, analyzed post mortem.