ГАБАА-рецептор: ионный канал и мишень для лекарственных средств.

Введение

Ионотропный рецептор и лиганд-зависимый ионный канал DISPLAYTITLE: GABAA рецептор

Рецептор GABAA (GABAAR) является ионотропным рецептором и лиганд-зависимым ионным каналом. Его эндогенным лигандом является γ-аминомасляная кислота (GABA), основной ингибирующий нейромедиатор в центральной нервной системе. Точная регуляция GABA-ергической передачи посредством соответствующих процессов развития, специфичность к типам нейронных клеток и чувствительность к активности критически важны для нормального функционирования практически всех аспектов центральной нервной системы (ЦНС). При открытии GABAA рецептор на постсинаптической клетке селективно проницаем для ионов хлора (Cl−) и, в меньшей степени, для ионов бикарбоната (HCO3−). GABAAR принадлежат к суперсемейству лиганд-зависимых ионных каналов, которое представляет собой семейство хлоридных каналов, включающее дюжину или более гетеротетрамерных подтипов и 19 различных субъединиц. Эти подтипы отличаются региональной и субклеточной локализацией в мозге, возрастной зависимостью экспрессии и способностью подвергаться пластическим изменениям в ответ на опыт, включая воздействие лекарственных средств. GABAAR является мишенью не только для агонистов-депрессантов и антагонистов-конвульсантов, но большинство лекарственных препаратов, действующих на GABAAR, также взаимодействуют с дополнительными (аллостерическими) участками связывания на белках GABAAR. Некоторые седативные и анксиолитические средства, такие как бензодиазепины и родственные препараты, действуют на подтип-зависимые внеклеточные домены GABAAR. Алкоголи и нейростероиды, наряду с другими препаратами для общей анестезии, действуют на интерфейсные трансмембранные участки субъединиц GABAAR. Высокие анестетические дозы этанола воздействуют на трансмембранные доменные локации, зависящие от подтипа GABAAR. Этанол действует на подтип-зависимые внеклеточные доменные локации GABAAR при низких концентрациях, вызывающих интоксикацию. Таким образом, подтипы GABAAR обладают фармакологически различными рецепторными участками связывания для широкого спектра терапевтически значимых нейрофармакологических препаратов. В зависимости от мембранного потенциала и разницы в ионных концентрациях это может приводить к ионным потокам через канал. Если мембранный потенциал выше равновесного потенциала (также известного как потенциал обращения) для ионов хлора, при активации рецептора Cl− будут поступать в клетку. Это вызывает ингибирующий эффект на нейротрансмиссию, снижая вероятность успешного возникновения потенциала действия в постсинаптической клетке. Потенциал обращения ингибиторного постсинаптического потенциала (IPSP), опосредованного GABAA, в нормальном растворе составляет −70 мВ, в отличие от IPSP, опосредованного GABAB (−100 мВ). Активный центр GABAA рецептора является местом связывания GABA и нескольких лекарственных средств, таких как мусцимол, габоксадол и бикукуллин. Белок также содержит ряд различных аллостерических участков связывания, которые косвенно модулируют активность рецептора. Эти аллостерические участки являются мишенями для различных других препаратов, включая бензодиазепины, небензодиазепины, нейроактивные стероиды, барбитураты, алкоголь (этанол), ингаляционные анестетики, кавалактоны, цикутоксин и пикротоксин, среди прочих. Подобно GABAA рецептору, GABAB рецептор является обязательным гетеродимером, состоящим из субъединиц GABAB1 и GABAB2. Эти субъединицы включают внеклеточный домен «Венерина мухоловка» (VFT) и трансмембранный домен, содержащий семь α-спиралей (7TM-домен). Эти структурные компоненты играют важную роль в сложной модуляции нейротрансмиссии и взаимодействии с лекарственными средствами.

The GABAA receptor (GABAAR) is an ionotropic receptor and ligand gated ion channel. Its endogenous ligand is γ aminobutyric acid (GABA), the major inhibitory neurotransmitter in the central nervous system. Accurate regulation of GABAergic transmission through appropriate developmental processes, specificity to neural cell types, and responsiveness to activity is crucial for the proper functioning of nearly all aspects of the central nervous system (CNS). Upon opening, the GABAA receptor on the postsynaptic cell is selectively permeable to chloride ions (Cl−) and, to a lesser extent, bicarbonate ions (HCO3−). GABAAR are members of the ligand gated ion channel receptor superfamily, which is a chloride channel family with a dozen or more heterotetrametric subtypes and 19 distinct subunits. These subtypes have distinct brain regional and subcellular localization, age dependent expression, and the ability to undergo plastic alterations in response to experience, including drug exposure. GABAAR is not just the target of agonist depressants and antagonist convulsants, but most GABAAR medicines also act at additional (allosteric) binding sites on GABAAR proteins. Some sedatives and anxiolytics, such as benzodiazepines and related medicines, act on GABAAR subtype dependent extracellular domain sites. Alcohols and neurosteroids, among other general anesthetics, act at GABAAR subunit interface transmembrane locations. High anesthetic dosages of ethanol act on GABAAR subtype dependent transmembrane domain locations. Ethanol acts at GABAAR subtype dependent extracellular domain locations at low intoxication concentrations. Thus, GABAAR subtypes have pharmacologically distinct receptor binding sites for a diverse range of therapeutically significant neuropharmacological drugs. Depending on the membrane potential and the ionic concentration difference, this can result in ionic fluxes across the pore. If the membrane potential is higher than the equilibrium potential (also known as the reversal potential) for chloride ions, when the receptor is activated Cl− will flow into the cell. This causes an inhibitory effect on neurotransmission by diminishing the chance of a successful action potential occurring at the postsynaptic cell. The reversal potential of the GABAA mediated inhibitory postsynaptic potential (IPSP) in normal solution is −70 mV, contrasting the GABAB IPSP (−100 mV). The active site of the GABAA receptor is the binding site for GABA and several drugs such as muscimol, gaboxadol, and bicuculline. The protein also contains a number of different allosteric binding sites which modulate the activity of the receptor indirectly. These allosteric sites are the targets of various other drugs, including the benzodiazepines, nonbenzodiazepines, neuroactive steroids, barbiturates, alcohol (ethanol), inhaled anaesthetics, kavalactones, cicutoxin, and picrotoxin, among others. Much like the GABAA receptor, the GABAB receptor is an obligatory heterodimer consisting of GABAB1 and GABAB2 subunits. These subunits include an extracellular Venus Flytrap domain (VFT) and a transmembrane domain containing seven α helices (7TM domain). These structural components play a vital role in intricately modulating neurotransmission and interactions with drugs.

Цель для бензодиазепинов

Ионотропный белковый комплекс рецептора ГАМК также является молекулярной мишенью бензодиазепинового класса транквилизаторов. Бензодиазепины не связываются с тем же рецепторным участком на белковом комплексе, что и эндогенный лиганд ГАМК (участок связывания которого расположен между α и β субъединицами), а связываются с различными бензодиазепиновыми участками связывания, расположенными на границе между α и γ субъединицами GABAA рецепторов, содержащих α и γ субъединицы. В то время как большинство GABAA рецепторов (содержащие α1, α2, α3 или α5 субъединицы) чувствительны к бензодиазепинам, существует меньшинство GABAA рецепторов (содержащих α4 или α6 субъединицы), которые не чувствительны к классическим 1,4-бензодиазепинам, но вместо этого чувствительны к другим классам GABAергических препаратов, таким как нейростероиды и алкоголь. Кроме того, существуют периферические бензодиазепиновые рецепторы, не связанные с GABAA рецепторами. В результате IUPHAR рекомендовал прекратить использование терминов "BZ рецептор", "GABA/BZ рецептор" и "омега-рецептор", а термин "рецептор бензодиазепинов" заменить термином "участок связывания бензодиазепинов". Бензодиазепины, такие как диазепам и мидазолам, действуют как положительные аллостерические модуляторы GABAA рецепторов. При активации этих рецепторов происходит повышение уровня внутриклеточного хлорида, что приводит к гиперполяризации клеточной мембраны и снижению возбудимости. Для того чтобы GABAA рецепторы были чувствительны к действию бензодиазепинов, они должны содержать α и γ субъединицы, между которыми происходит связывание бензодиазепина. После связывания бензодиазепин фиксирует GABAA рецептор в конформации, в которой нейромедиатор ГАМК имеет гораздо более высокое сродство к GABAA рецептору, увеличивая частоту открытия связанного с ним ионного канала хлорида и гиперполяризуя мембрану. Это усиливает ингибирующее действие доступного ГАМК, что приводит к седативному и анксиолитическому эффектам. Различные бензодиазепины имеют разную аффинность к GABAA рецепторам, состоящим из различных комбинаций субъединиц, и это означает, что их фармакологический профиль варьируется в зависимости от селективности к подтипам. Например, лиганды бензодиазепиновых рецепторов с высокой активностью на α1 и/или α5, как правило, больше связаны с седацией, атаксией и амнезией, в то время как те, которые обладают более высокой активностью на GABAA рецепторах, содержащих α2 и/или α3 субъединицы, обычно проявляют большую анксиолитическую активность. Противосудорожный эффект могут оказывать агонисты, действующие на любой из подтипов GABAA, но текущие исследования в этой области сосредоточены главным образом на создании α2-селективных агонистов в качестве противосудорожных препаратов, лишенных побочных эффектов старых лекарств, таких как седация и амнезия. Участок связывания бензодиазепинов отличается от участка связывания барбитуратов и ГАМК на GABAA рецепторе, а также оказывает различное влияние на связывание: бензодиазепины увеличивают частоту открытия хлоридного канала, в то время как барбитураты увеличивают продолжительность открытия хлоридного канала при связывании ГАМК. Поскольку это отдельные модуляторные эффекты, они могут происходить одновременно, и поэтому комбинация бензодиазепинов с барбитуратами обладает выраженным синергетическим эффектом и может быть опасной при неточном дозировании. Также следует отметить, что некоторые GABAA агонисты, такие как муссимол и габоксадол, связываются с тем же участком на комплексе рецепторов GABAA, что и сам ГАМК, и, следовательно, оказывают эффекты, которые похожи, но не идентичны эффектам положительных аллостерических модуляторов, таких как бензодиазепины.

The ionotropic GABAA receptor protein complex is also the molecular target of the benzodiazepine class of tranquilizer drugs. Benzodiazepines do not bind to the same receptor site on the protein complex as does the endogenous ligand GABA (whose binding site is located between α and β subunits), but bind to distinct benzodiazepine binding sites situated at the interface between the α and γ subunits of α and γ subunit containing GABAA receptors. While the majority of GABAA receptors (those containing α1 , α2 , α3 , or α5 subunits) are benzodiazepine sensitive, there exists a minority of GABAA receptors (α4 or α6 subunit containing) which are insensitive to classical 1,4 benzodiazepines, but instead are sensitive to other classes of GABAergic drugs such as neurosteroids and alcohol. In addition peripheral benzodiazepine receptors exist which are not associated with GABAA receptors. As a result, the IUPHAR has recommended that the terms "BZ receptor", "GABA/BZ receptor" and "omega receptor" no longer be used and that the term "benzodiazepine receptor" be replaced with "benzodiazepine site". Benzodiazepines like diazepam and midazolam act as positive allosteric modulators for GABAA receptors. When these receptors are activated, there's a rise in intracellular chloride levels, resulting in cell membrane hyperpolarization and decreased excitation. In order for GABAA receptors to be sensitive to the action of benzodiazepines they need to contain an α and a γ subunit, between which the benzodiazepine binds. Once bound, the benzodiazepine locks the GABAA receptor into a conformation where the neurotransmitter GABA has much higher affinity for the GABAA receptor, increasing the frequency of opening of the associated chloride ion channel and hyperpolarising the membrane. This potentiates the inhibitory effect of the available GABA leading to sedative and anxiolytic effects. Different benzodiazepines have different affinities for GABAA receptors made up of different collection of subunits, and this means that their pharmacological profile varies with subtype selectivity. For instance, benzodiazepine receptor ligands with high activity at the α1 and/or α5 tend to be more associated with sedation, ataxia and amnesia, whereas those with higher activity at GABAA receptors containing α2 and/or α3 subunits generally have greater anxiolytic activity. Anticonvulsant effects can be produced by agonists acting at any of the GABAA subtypes, but current research in this area is focused mainly on producing α2 selective agonists as anticonvulsants which lack the side effects of older drugs such as sedation and amnesia. The binding site for benzodiazepines is distinct from the binding site for barbiturates and GABA on the GABAA receptor, and also produces different effects on binding, with the benzodiazepines increasing the frequency of the chloride channel opening, while barbiturates increase the duration of chloride channel opening when GABA is bound. Since these are separate modulatory effects, they can both take place at the same time, and so the combination of benzodiazepines with barbiturates is strongly synergistic, and can be dangerous if dosage is not strictly controlled. Also note that some GABAA agonists such as muscimol and gaboxadol do bind to the same site on the GABAA receptor complex as GABA itself, and consequently produce effects which are similar but not identical to those of positive allosteric modulators like benzodiazepines.

Структура и функция

Структурное понимание рецептора GABAA изначально основывалось на моделях гомологии, полученных с использованием кристаллических структур гомологичных белков, таких как белок, связывающий ацетилхолин (AChBP) и никотиновые ацетилхолиновые рецепторы (nACh) в качестве шаблонов. Структура рецептора GABAA, которая долгое время оставалась неуловимой, была наконец определена с раскрытием кристаллической структуры человеческого β3 гомопентамерного рецептора GABAA. Хотя это было важным достижением, большинство рецепторов GABAA являются гетеромерными, и структура не содержала деталей о месте связывания бензодиазепинов. Это было окончательно выяснено в 2018 году с публикацией структуры, полученной с помощью криоэлектронной микроскопии высокого разрешения, рецептора α1β1γ2S крысы и рецептора α1β2γ2 человека, связанных с ГАМК и нейтральным бензодиазепином флумазенилом. Рецепторы GABAA – это пентамерные трансмембранные рецепторы, состоящие из пяти субъединиц, расположенных вокруг центрального порa. Каждая субъединица состоит из четырех трансмембранных доменов, причем как N-концевые, так и C-концевые участки расположены внеклеточно. Рецептор находится в мембране нейрона, обычно локализован в синапсе, постсинаптически. Однако некоторые изоформы могут быть обнаружены экстрасинаптически. Когда везикулы ГАМК высвобождаются пресинаптически и активируют рецепторы ГАМК в синапсе, это называется фазным торможением. Однако ГАМК, выходящий из синаптической щели, может активировать рецепторы на пресинаптических терминалах или на соседних синапсах на тех же или соседних нейронах (феномен, называемый «переливом»), в дополнение к постоянным низким концентрациям ГАМК во внеклеточном пространстве, что приводит к постоянной активации рецепторов GABAA, известной как тоническое торможение. Лиганд ГАМК – это эндогенное соединение, которое вызывает открытие этого рецептора; после связывания с ГАМК белковый рецептор меняет конформацию внутри мембраны, открывая пор, чтобы позволить анионам хлора (Cl−) и, в меньшей степени, ионам бикарбоната (HCO3−) проходить по их электрохимическому градиенту. Место связывания с ГАМК находится примерно в 80 Å от самой узкой части ионного канала. Недавние вычислительные исследования показали аллостерический механизм, при котором связывание ГАМК приводит к открытию ионного канала. Поскольку потенциал обращения хлора в большинстве зрелых нейронов близок или более отрицателен, чем потенциал мембраны покоя, активация рецепторов GABAA обычно стабилизирует или гиперполяризует потенциал покоя и может затруднить деполяризацию нейрона и генерацию потенциала действия возбуждающими нейротрансмиттерами. Таким образом, чистый эффект обычно ингибирующий, снижающий активность нейрона, хотя деполяризующие токи наблюдались в ответ на ГАМК в незрелых нейронах на ранних стадиях развития. Этот эффект во время развития обусловлен измененным градиентом Cl−, при котором анионы покидают клетки через рецепторы GABAA, поскольку их внутриклеточная концентрация хлора выше, чем внеклеточная. Предполагается, что разница в концентрации внеклеточных анионов хлора обусловлена более высокой активностью транспортеров хлорида, таких как NKCC1, транспортирующих хлорид в клетки, которые присутствуют на ранних стадиях развития, в то время как, например, KCC2 транспортирует хлорид из клеток и является доминирующим фактором в установлении градиента хлорида на более поздних стадиях развития. Эти деполяризующие события оказались ключевыми в развитии нейронов. В зрелом нейроне канал GABAA быстро открывается и, таким образом, способствует ранней части ингибирующего постсинаптического потенциала (IPSP). Эндогенный лиганд, который связывается с местом бензодиазепина, – инозин. Для практически всех аспектов функционирования ЦНС требуется надлежащий контроль ГАБАергической передачи, специфичный для типа нейронных клеток и зависящий от активности. Было высказано предположение, что ГАМК-ергическая система нарушена при многочисленных нейроразвивающих заболеваниях, включая синдром хрупкой Х-хромосомы, синдром Ретта и синдром Дравета, и что она является ключевой потенциальной мишенью для терапевтического вмешательства.

Structural understanding of the GABAA receptor was initially based on homology models, obtained using crystal structures of homologous proteins like Acetylcholine binding protein (AChBP) and nicotinic acetylcholine (nACh) receptors as templates. The much sought structure of a GABAA receptor was finally resolved, with the disclosure of the crystal structure of human β3 homopentameric GABAA receptor. Whilst this was a major development, the majority of GABAA receptors are heteromeric and the structure did not provide any details of the benzodiazepine binding site. This was finally elucidated in 2018 by the publication of a high resolution cryo EM structure of rat α1β1γ2S receptor and human α1β2γ2 receptor bound with GABA and the neutral benzodiazepine flumazenil. GABAA receptors are pentameric transmembrane receptors which consist of five subunits arranged around a central pore. Each subunit comprises four transmembrane domains with both the N and C terminus located extracellularly. The receptor sits in the membrane of its neuron, usually localized at a synapse, postsynaptically. However, some isoforms may be found extrasynaptically. When vesicles of GABA are released presynaptically and activate the GABA receptors at the synapse, this is known as phasic inhibition. However, the GABA escaping from the synaptic cleft can activate receptors on presynaptic terminals or at neighbouring synapses on the same or adjacent neurons (a phenomenon termed 'spillover') in addition to the constant, low GABA concentrations in the extracellular space results in persistent activation of the GABAA receptors known as tonic inhibition. The ligand GABA is the endogenous compound that causes this receptor to open; once bound to GABA, the protein receptor changes conformation within the membrane, opening the pore in order to allow chloride anions (Cl−) and, to a lesser extent, bicarbonate ions (HCO3−) to pass down their electrochemical gradient. The binding site to GABA is about 80Å away from the narrowest part of the ion channel. Recent computational studies have suggested an allosteric mechanism whereby GABA binding leads to ion channel opening. Because the reversal potential for chloride in most mature neurons is close to or more negative than the resting membrane potential, activation of GABAA receptors tends to stabilize or hyperpolarise the resting potential, and can make it more difficult for excitatory neurotransmitters to depolarize the neuron and generate an action potential. The net effect therefore typically inhibitory, reducing the activity of the neuron, although depolarizing currents have been observed in response to GABA in immature neurons in early development. This effect during development is due to a modified Cl− gradient wherein the anions leave the cells through the GABAA receptors, since their intracellular chlorine concentration is higher than the extracellular. The difference in extracellular chlorine anion concentration is presumed to be due to the higher activity of chloride transporters, such as NKCC1, transporting chloride into cells which are present early in development, whereas, for instance, KCC2 transports chloride out of cells and is the dominant factor in establishing the chloride gradient later in development. These depolarization events have shown to be key in neuronal development. In the mature neuron, the GABAA channel opens quickly and thus contributes to the early part of the inhibitory post synaptic potential (IPSP). The endogenous ligand that binds to the benzodiazepine site is inosine. Proper developmental, neuronal cell type specific, and activity dependent GABAergic transmission control is required for nearly all aspects of CNS function. It has been proposed that the GABAergic system is disrupted in numerous neurodevelopmental diseases, including fragile X syndrome, Rett syndrome, and Dravet syndrome, and that it is a crucial potential target for therapeutic intervention.

Комбинаторные массивы

Учитывая большое количество ГАМКA рецепторов, возможно огромное разнообразие конечных пентамерных подтипов рецепторов. Методы, позволяющие получить доступ в клеточных лабораториях к большему числу возможных комбинаций субъединиц ГАМКA рецепторов, дают возможность разделить вклад конкретных подтипов рецепторов и их физиологическую и патофизиологическую функцию и роль в ЦНС и при заболеваниях.

Лиганды

Было обнаружено, что ряд лигандов связываются с различными участками комплекса GABAA-рецепторов и модулируют его, помимо самого ГАМК. Лиганд может обладать одним или несколькими свойствами из следующих типов. К сожалению, в литературе эти типы часто не различаются должным образом.

Типы

Ортостерические агонисты и антагонисты: связываются с основным рецепторным участком (место, где ГАМК обычно связывается, также называемое «активным» или «ортостерическим» участком). Агонисты активируют рецептор, что приводит к увеличению проводимости Cl−. Антагонисты, хотя сами по себе не оказывают эффекта, конкурируют с ГАМК за связывание и тем самым ингибируют его действие, что приводит к снижению проводимости Cl−. Аллостерические модуляторы первого порядка: связываются с аллостерическими участками рецепторного комплекса и влияют на него положительно (PAM), отрицательно (NAM) или нейтрально/без эффекта (SAM), вызывая повышение или снижение эффективности основного участка и, следовательно, косвенное увеличение или снижение проводимости Cl−. SAM не влияют на проводимость, но занимают место связывания. Модуляторы второго порядка: связываются с аллостерическим участком рецепторного комплекса и модулируют действие модуляторов первого порядка. Блокаторы открытого канала: удлиняют время занятости лигандным рецептором, кинетику активации и поток ионов хлора в зависимости от конфигурации субъединиц и состояния сенсибилизации. Неконкурентные блокаторы каналов: связываются с центральной порой рецепторного комплекса или вблизи нее и непосредственно блокируют проводимость Cl− через ионный канал.

Примеры

Ортостерические агонисты: ГАМК, габоксадол, изогувацин, муссимол, прогабид, бета-аланин, таурин, мепробамат, квиназолиноны (например, метаквалон, этаквалон, дипроквалон), нейроактивные стероиды, ниацин/ниацинамид, небензодиазепины (например, зольпидем, эсзопиклон), пропофол, стирипентол, теанин, валериановая кислота, летучие/ингаляционные анестетики, лантан, рилузол и ментол. Негативные аллостерические модуляторы: флумазенил, Ro15 4513, сармазенил, сульфат прегненолона, аментофлавон и цинк. Обратные аллостерические агонисты: бета-карболины (например, гармин, гармалин, тетрагидрогармин). Модуляторы второго порядка: (-)‐эпигаллокатехин‐3‐галлат. Неконкурентные блокаторы каналов: цикутоксин, оэнантоксин, пентилентетразол, пикротоксин, туйон и линдан.

Эффекты

Лиганды, способствующие активации рецепторов, как правило, обладают анксиолитическими, противосудорожными, амнезирующими, седативными, гипнотическими, эйфорирующими и миорелаксантными свойствами. Некоторые, такие как муссимол и препараты группы Z, также могут вызывать галлюцинации. Лиганды, снижающие активацию рецепторов, обычно оказывают противоположное действие, включая анксиогенез и провоцирование судорог. Некоторые подтипы селективных отрицательных аллостерических модуляторов, например α5IA, изучаются на предмет их ноотропного действия, а также в качестве средств для лечения нежелательных побочных эффектов других ГАМК-ергических препаратов. Достижения в молекулярной фармакологии и генетической манипуляции генами крыс показали, что различные подтипы ГАМКA-рецепторов опосредуют определенные аспекты анестетического поведенческого репертуара.

Парадоксальные реакции

Существует множество данных, указывающих на то, что парадоксальные реакции на, например, бензодиазепины, барбитураты, ингаляционные анестетики, пропофол, нейростероиды и алкоголь связаны со структурными изменениями ГАМК-А рецепторов. Комбинация пяти субъединиц рецептора (см. изображения выше) может изменяться таким образом, что, например, реакция рецептора на ГАМК остаётся прежней, а реакция на одно из перечисленных веществ значительно отличается от нормальной. По оценкам, примерно 2–3% населения могут страдать от серьёзных эмоциональных расстройств из-за подобных изменений рецепторов, при этом до 20% испытывают умеренные расстройства такого рода. Обычно считается, что эти изменения рецепторов обусловлены, по крайней мере частично, генетическими и эпигенетическими факторами. Есть основания полагать, что последние могут быть спровоцированы, в частности, социальным стрессом или профессиональным выгоранием.