Введение
Глютаматные рецепторы - это синаптические и несинаптические рецепторы, расположенные в основном на мембранах нейронных и глиальных клеток. Глутамат (конъюгированная основа глутаминовой кислоты) в изобилии присутствует в организме человека, но особенно в нервной системе и особенно заметно в мозге человека, где он является наиболее заметным нейротрансмиттером организма, основным возбуждающим нейротрансмиттером мозга, а также предшественником ГАМК, основным ингибирующим нейротрансмиттером мозга. Глютамат был первоначально обнаружен как нейротрансмиттер в исследованиях на насекомых в начале 1960-х годов. Глютамат также используется мозгом для синтеза GABA (γ аминобутериновой кислоты), главного ингибирующего нейротрансмиттера центральной нервной системы млекопитающих. ГАМК играет роль в регуляции возбудимости нейронов в нервной системе и также непосредственно отвечает за регулирование мышечного тонуса у человека.
Glutamate receptors are synaptic and non synaptic receptors located primarily on the membranes of neuronal and glial cells. Glutamate (the conjugate base of glutamic acid) is abundant in the human body, but particularly in the nervous system and especially prominent in the human brain where it is the body's most prominent neurotransmitter, the brain's main excitatory neurotransmitter, and also the precursor for GABA, the brain's main inhibitory neurotransmitter. Glutamate was initially discovered to be a neurotransmitter in insect studies in the early 1960s. Glutamate is also used by the brain to synthesize GABA (γ Aminobutyric acid), the main inhibitory neurotransmitter of the mammalian central nervous system. GABA plays a role in regulating neuronal excitability throughout the nervous system and is also directly responsible for the regulation of muscle tone in humans.
Глютаматные рецепторы
Глютаматные рецепторы млекопитающих классифицируются в зависимости от их фармакологии. Однако рецепторы глутамата в других организмах имеют разную фармакологию, и поэтому эти классификации не подходят. Одной из основных функций глутаматовых рецепторов, по-видимому, является модуляция синаптической пластичности, свойства мозга, которое, как считается, жизненно важно для памяти и обучения. Как метаботропные, так и ионотропные глутаматные рецепторы оказывают влияние на синаптическую пластичность. Увеличение или уменьшение числа ионотропных глутаматных рецепторов на постсинаптической клетке может привести к долгосрочной потенции или долгосрочной депрессии этой клетки соответственно. Кроме того, метаботропные глутаматные рецепторы могут модулировать синаптическую пластичность, регулируя постсинаптический синтез белка через системы второго мессенджера. Исследования показывают, что глутаматные рецепторы присутствуют в глиальных клетках ЦНС, а также в нейронах. Предполагается, что эти глутаматные рецепторы играют роль в модуляции экспрессии генов в глиальных клетках как во время пролиферации и дифференцировки предшественников глиальных клеток в развитии мозга, так и в зрелых глиальных клетках. Глютаматные рецепторы способствуют воздействию нейромедиатора глутамата в центральной нервной системе. Эти рецепторы играют ключевую роль в возбуждающей синаптической передаче, синаптической пластичности и развитии нейронов. Они жизненно важны для таких функций, как обучение, память и нейронная связь. Различные подтипы глутаматных рецепторов, такие как NMDA (N-метил-D-аспартат), AMPA (α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовая кислота) и каинатовые рецепторы, играют различную роль в синаптической передаче и пластичности. 1. Второй. NMDA (N метил D аспартат) рецепторы: Эти рецепторы участвуют в синаптической пластичности, обучении и памяти. Они уникальны тем, что для активации им необходим как глутамат, так и коагонист глицин, а также они зависят от напряжения, то есть они открываются только при деполяризации постсинаптической мембраны. NMDA-рецепторы проницаемы для ионов кальция, которые могут запускать внутриклеточные сигнальные пути, приводящие к изменениям силы синаптических связей. Кроме того, Ca2+ токи через рецептор NMDA модулируют не только мембранный потенциал, но и действуют как важная вторая система мессенджеров. Особая динамика NMDAR позволяет ему функционировать как нейронный детектор совпадений, а потоки NMDAR Ca2+ имеют решающее значение для синаптической пластичности (LTP и LTD) и обучения и памяти в целом. Сохранение кадров чтения и сайтов сцепления генов GluR между шимпанзе и людьми завершено, что свидетельствует о том, что после того, как люди отклонились от общего предка шимпанзе, не произошло никаких грубых структурных изменений. Однако существует вероятность того, что две специфические для человека "фиксированные" аминокислотные замены, D71G в GRIN3A и R727H в GRIN3B, специфически связаны с функцией мозга человека.
Структура, механизм и функция
Глютаматные рецепторы существуют в основном в центральной нервной системе. Эти рецепторы могут быть найдены на дендритах постсинаптических клеток и связываются с глутаматом, выделяемым в синаптическую щель пресинаптическими клетками. Они также присутствуют как на астроцитах, так и на олигодендроцитах. Поскольку блокировка должна быть удалена при помощи внешнего тока, NMDA-рецепторы полагаются на EPSC, вырабатываемый AMPA-рецепторами, чтобы открыться. NMDA-рецепторы проницаемы для Ca2+, который является важным катионом в нервной системе и связан с регуляцией генов. Считается, что поток Ca2+ через рецепторы NMDA вызывает как долгосрочную потенцию (LTP, эффективность синапсов), так и долгосрочную депрессию (LTD) путем преобразования сигнальных каскадов и регулирования экспрессии генов.
Метаботропные
Метаботропные глутаматные рецепторы, которые относятся к подсемейству C рецепторов, связанных с белком G, делятся на три группы, в общей сложности восемь подтипов (у млекопитающих; это не обязательно так для большинства организмов). mGluR состоят из трех отдельных областей: внеклеточной области, трансмембранной области и внутриклеточной области. Внеклеточная область состоит из модуля VFT, который связывает глутамат, и богатого цистеином домена, который, как полагают, играет роль в передаче конформационного изменения, вызванного связыванием лигандов из модуля VFT в трансмембранную область. Из-за этого mGluRs могут как увеличивать, так и уменьшать возбудимость постсинаптической клетки, вызывая тем самым широкий спектр физиологических эффектов.
За пределами центральной нервной системы
Считается, что глутаматные рецепторы отвечают за прием и трандукцию вкусовых стимулов умми. При этом задействованы вкусовые рецепторы семейства T1R, принадлежащие к тому же классу GPCR, что и метаботропные глутаматные рецепторы. Кроме того, mGluRs, а также ионотропные глутаматные рецепторы в нервных клетках были обнаружены в вкусовых рецепторах и могут способствовать вкусу умми. Многочисленные ионотропные подединицы глутаматовых рецепторов экспрессируются сердечной тканью, но их специфическая функция до сих пор неизвестна. Западные и северные участки подтвердили наличие iGluR в сердечной ткани. Иммуногистохимия локализовала iGluRs в сердечных нервных окончаниях, ганглиях, проводящих волокнах и некоторых миокардиоцитах. Глютаматные рецепторы (как упоминалось выше) также экспрессируются в клетках островков поджелудочной железы. AMPA iGluRs модулируют секрецию инсулина и глюкагона в поджелудочной железе, открывая возможность лечения диабета с помощью антагонистов глутаматных рецепторов. Небольшие немиелинизированные сенсорные нервные окончания в коже также экспрессируют NMDA и не-NMDA рецепторы. Подкожные инъекции блокаторов рецепторов у крыс успешно обезболивают кожу от воспаления, вызванного формалином, повышая возможности нацеливания на периферические рецепторы глутамата в коже для лечения боли.
Общие клинические последствия
Ниже приведены конкретные медицинские состояния и симптомы.
Автоиммунитет и взаимодействие антител с глутаматными рецепторами и их подгруппами генов
Различные неврологические нарушения сопровождаются активностью антител или аутоантигенов, связанных с глутаматными рецепторами или их генами подединиц (например, GluR3 при энцефалите Расмуссена и GluR2 при несемейной оливпопонтоцеребелярной дегенерации). В 1994 году было показано, что GluR3 действует как автоантиген при энцефалите Расмуссена, что привело к предположению, что аутоиммунная активность может лежать в основе этого состояния. Такие результаты "предполагают" возможную связь между глутаматными рецепторами и аутоиммунными взаимодействиями, которые могут быть значительными при некоторых дегенеративных заболеваниях,
Экситотоксичность
Переобучение глутаматных рецепторов вызывает нейродегенерацию и повреждение нейронов в процессе, называемом экзитотоксичностью. Избыточный глютамат или экситотоксины, действующие на одни и те же глютаматные рецепторы, переактивируют глютаматные рецепторы (в частности, NMDAR), вызывая приток высоких уровней ионов кальция (Ca2+) в постсинаптическую клетку. Высокие концентрации Ca2+ активируют каскад процессов деградации клеток, включающих протеазы, липазы, оксид азота синтеза и ряд ферментов, которые повреждают клеточные структуры, часто до точки гибели клеток. Прием внутрь или воздействие экзитотоксинов, действующих на глутаматные рецепторы, может вызвать экзитотоксичность и токсическое воздействие на центральную нервную систему. Это становится проблемой для клеток, поскольку вводит в цикл положительной обратной связи гибель клеток. Глютаматная экзитотоксичность, вызванная чрезмерной стимуляцией глютаматных рецепторов, также способствует внутриклеточному окислительному стрессу. Проксимальные глиальные клетки используют антипортер цистина/глутамата (xCT) для транспортировки цистина в клетку и вывода глутамата. Избыточные экстраклеточные концентрации глутамата обращают xCT вспять, поэтому глиальные клетки больше не имеют достаточного количества цистина для синтеза глутатиона (GSH), антиоксиданта. Недостаток ГСГ приводит к появлению более активных видов кислорода (РОС), которые повреждают и убивают глиальные клетки, которые затем не могут восстанавливать и обрабатывать внеклеточный глутамат. Это еще одна положительная обратная связь в экзитотоксичности глутамата. Кроме того, повышенные концентрации Ca2+ активируют оксид азота синтеза (NOS) и пересинтез оксида азота (NO). Высокая концентрация NO повреждает митохондрии, что приводит к большему истощению энергии, и добавляет окислительный стресс к нейрону, поскольку NO является ROS.
Нейродегенерация
В случае травматического повреждения головного мозга или ишемии головного мозга (например, инфаркта головного мозга или кровоизлияния) острая нейродегенерация, вызванная экзитотоксичностью, может распространяться на проксимальные нейроны в результате двух процессов. Гипоксия и гипогликемия вызывают биоэнергетическую недостаточность; митохондрии перестают производить энергию АТФ. На+/K+ АТФаза больше не может поддерживать градиенты концентрации ионов натрия/калия через плазменную мембрану. Транспортеры глутамата (EAAT), которые используют градиент Na+/K+, обращают транспорт глутамата (эффлюкс) в пораженных нейронах и астроцитах, а деполяризация увеличивает снижающуюся синаптическую высвобождение глутамата. Кроме того, гибель клеток через лизис или апоптоз высвобождает цитоплазматический глутамат за пределами разорванной клетки. Эти две формы высвобождения глутамата вызывают непрерывный каскад экзитотоксической гибели клеток и дальнейшее повышение внеклеточных концентраций глутамата. Значение глутаматных рецепторов в экзитотоксичности также связывает его со многими нейрогенеративными заболеваниями. Такие состояния, как воздействие экзитотоксинов, старость, врожденная предрасположенность и травма мозга, могут вызвать активацию глутаматных рецепторов и последующую экзитотоксическую нейродегенерацию. Это повреждение центральной нервной системы распространяет симптомы, связанные с рядом заболеваний.
Состояния с продемонстрированной связью с глутаматными рецепторами
Ряд заболеваний у людей имеют доказанную связь с генетическими мутациями генов рецепторов глутамата или взаимодействиями аутоантигена/антитела с рецепторами глутамата или их генами. Глутаматные рецепторы и нарушенная регуляция (в частности, в результате чрезмерного уровня глутамата) также являются одной из причин экзитотоксичности (описанной выше), которая сама по себе была связана или связана с рядом специфических нейродегенеративных состояний, когда со временем происходит гибель или деградация нейронных клеток в мозге. Было обнаружено, что рецепторы глутамата оказывают влияние на ишемию/инсульт, судороги, болезнь Паркинсона, болезнь Хантингтона, боли, зависимость и связь с СДВГ и аутизмом. В большинстве случаев это области, которые продолжают исследоваться.
Болит
Гипералгезия напрямую связана с спинальными рецепторами NMDA. Применение антагонистов NMDA в клинических условиях вызывает значительные побочные эффекты, хотя в области интратекального введения проводится больше исследований. Недостоверный источник: дата=август 2019
Слишком высокая концентрация внимания и гиперактивность (СДВГ)
В 2006 г. ген подединицы глютаматного рецептора GRIN2B (ответственный за ключевые функции памяти и обучения) был связан с СДВГ. Это было результатом более ранних исследований, показывающих связь между модуляцией глутамата и гиперактивностью (2001), а затем между геном-носителем растворенного вещества SLC1A3, кодирующим часть процесса транспортировки глутамата, который отображается на хромосоме 5 (5p12), отмеченной в нескольких сканированиях генома СДВГ. В исследовании, проведенном с участием 1013 детей с СДВГ по сравнению с 4105 контрольными группами без СДВГ, были выявлены дополнительные мутации в четырех различных генах метаботропных глютаматных рецепторов, которые были воспроизведены в последующем исследовании с участием еще 2500 пациентов. Удаления и дубликации затронули GRM1, GRM5, GRM7 и GRM8. Исследование показало, что "CNV, влияющие на гены метаботропных глютаматных рецепторов, обогащались во всех когортах (P = 2,1 × 10-9), "более 200 генов, взаимодействующих с глютаматными рецепторами [ ], были коллективно затронуты CNV", "крупные узлы сети (затронутых генов) включают TNIK50, GNAQ51 и CALM", и "факт, что у детей с СДВГ более вероятно, что изменения в этих генах усиливают предыдущие доказательства того, что путь GRM важен при СДВГ".
Аутизм
Этиология аутизма может включать в себя чрезмерные глутаматергические механизмы. В небольших исследованиях было показано, что мемантин значительно улучшает языковую функцию и социальное поведение у детей с аутизмом. Проводятся исследования эффекта мемантина у взрослых с расстройствами аутистического спектра. Связь между глутаматными рецепторами и аутизмом также была выявлена через структурный белок ProSAP1 SHANK2 и, возможно, ProSAP2 SHANK3. Авторы исследования пришли к выводу, что исследование "иллюстрирует значительную роль, которую играют глутаматергические системы в аутизме" и "Сравнивая данные о мутантах ProSAP1/Shank2−/− с мышами ProSAP2/Shank3αβ−/−, мы показываем, что различные аномалии в экспрессии синаптических глутаматовых рецепторов могут вызвать изменения в социальных взаимодействиях и коммуникации. Соответственно, мы предлагаем, чтобы соответствующие методы лечения расстройств аутистического спектра тщательно соответствовали основным синаптопатическим фенотипам". Проводятся исследования, чтобы рассмотреть возможность использования гипергликемии и инсулина для регулирования этих рецепторов и восстановления когнитивных функций. Панкреатические островки, регулирующие уровень инсулина и глюкагона, также экспрессируют глутаматные рецепторы. В дополнение к аналогичным механизмам, вызывающим болезнь Паркинсона в отношении NMDA или AMPA рецепторов, болезнь Хантингтона также проявляет метаболический и митохондриальный дефицит, который подвергает стриатовые нейроны чрезмерной активации NMDA рецепторов. Это может снизить влияние глутамата на рецепторы глутамата и снизить клеточную реакцию до более безопасного уровня, не достигая экзитотоксичности.
Ишемия
Во время ишемии наблюдается неестественно высокая концентрация внеклеточного глутамата в мозге. Это связано с недостаточным поступлением АТФ, который стимулирует уровни транспорта глутамата, поддерживающие баланс концентрации глутамата. Это обычно приводит к чрезмерной активации глутаматных рецепторов, что может привести к повреждению нейронов. После этого переэкспозиции постсинаптические терминалы имеют тенденцию сохранять глутамат в течение длительного периода времени, что приводит к трудностям в деполяризации.
Рассеянный склероз
Индукция экспериментального аутоиммунного энцефаломиелита у животных в качестве модели рассеянного склероза (РС) нацелена на некоторые рецепторы глутамата в качестве пути для потенциальных терапевтических применений. В ходе исследования было обнаружено, что группа лекарств взаимодействует с NMDA, AMPA и каинатовым глутаматовым рецептором для контроля нейрососудистой проницаемости, синтеза воспалительных медиаторов и функций глиальных клеток, включая миелинизацию ЦНС. Олигодендроциты в ЦНС миелинообразуют аксоны; дисфункция миелинообразования при РС частично обусловлена экзитотоксичностью этих клеток. Регулируя лекарства, которые взаимодействуют с этими рецепторами глутамата, возможно регулирование связывания глутамата, и, таким образом, снижение уровня притока Ca2+. Эксперименты показали улучшение выживаемости олигодендроцитов и увеличение ремиелинирования. Кроме того, снижалось воспаление ЦНС, апоптоз и повреждение аксонов.
Энцефалит Расмуссена
В 1994 году было показано, что GluR3 действует как автоантиген при энцефалите Расмуссена, что привело к предположению, что аутоиммунная активность может лежать в основе этого состояния. Это связано с повышением регуляции ГАМК, ингибирующего нейротрансмиттера. При шизофрении экспрессия NR2A- подединицы NDMA- рецепторов в мРНК экспериментально не обнаруживалась в 49% случаев в GABA- нейронах, которые обычно ее экспрессируют. Они в основном находятся в клетках GABA, экспрессирующих буферный белок парвальбумин (PV), который обладает быстрого скачками и нацелен на перисоматические (кошечные клетки) и аксоаксонические (клетка-люстра) отсеки пирамидальных нейронов. и экспрессия мРНК для каинатового рецептора GluR5 в нейронах GABA также была обнаружена измененной у людей с шизофренией. В настоящее время в исследованиях рассматриваются антагонисты глутаматных рецепторов как потенциальные методы лечения шизофрении. В клинических испытаниях мемантин, слабый неселективный антагонист рецепторов NMDA, использовался в качестве дополнения к терапии клозапином. У пациентов с рефракторной шизофренией наблюдалось улучшение как негативных, так и положительных симптомов, что подчеркивает потенциальное применение антагонистов GluR в качестве антипсихотических препаратов. Кроме того, на крысах было проведено исследование на неконкурентных антагонистах рецепторов NMDA. Ученые предположили, что специфические антагонисты могут действовать на ГАМК-ергические интернейроны, усиливая корковую ингибицию и предотвращая чрезмерную глутаматергическую передачу, связанную с шизофренией. Эти и другие атипичные антипсихотические препараты могут использоваться вместе для ингибирования чрезмерной возбудимости пирамидальных клеток, уменьшая симптомы шизофрении.
Припадки
Было обнаружено, что глутаматные рецепторы играют роль в возникновении эпилепсии. Было обнаружено, что NMDA и метаботропные типы вызывают эпилептические судороги. Используя модели грызунов, лаборатории обнаружили, что введение антагонистов этих глютаматных рецепторов помогает противодействовать эпилептическим симптомам. Поскольку глутамат является лигандом для лигандовых ионных каналов, связывание этого нейротрансмиттера откроет ворота и увеличит проводимость натрия и кальция. Эти ионы играют важную роль в причинах приступов. Метаботропные глутаматовые рецепторы группы 1 (mGlu1 и mGlu5) являются основной причиной приступов, поэтому применение антагониста к этим рецепторам помогает предотвратить судороги.