Введение
Глютаматные транспортеры – это семейство нейротрансмиттерных транспортных белков, которые перемещают глутамат – основной возбуждающий нейротрансмиттер – через мембрану. Семейство глютаматных транспортеров состоит из двух основных подклассов: семейство транспортеров возбуждающих аминокислот (EAAT) и семейство везикулярных транспортеров глутамата (VGLUT). В мозге EAAT удаляют глутамат из синаптической щели и экстрасинаптических участков посредством обратного захвата глутамата в глиальные клетки и нейроны, в то время как VGLUT перемещают глутамат из цитоплазмы клеток в синаптические везикулы. Глютаматные транспортеры также транспортируют аспартат и присутствуют практически во всех периферических тканях, включая сердце, печень, яички и кости. Они проявляют стереоселективность к L-глутамату, но транспортируют как L-аспартат, так и D-аспартат. EAAT являются мембранными вторичными транспортерами, которые внешне похожи на ионные каналы. Эти транспортеры играют важную роль в регулировании концентрации глутамата во внеклеточном пространстве, транспортируя его вместе с другими ионами через клеточные мембраны. После высвобождения глутамата в результате потенциала действия, транспортеры глутамата быстро удаляют его из внеклеточного пространства, поддерживая его низкий уровень и тем самым прекращая синаптическую передачу. Без активности транспортеров глутамата, глутамат накапливался бы и убивал клетки в процессе, называемом экзитотоксичностью, при котором избыточное количество глутамата действует как токсин для нейронов, запуская ряд биохимических каскадов. Активность транспортеров глутамата также позволяет рециркулировать глутамат для повторного высвобождения.
Glutamate transporters are a family of neurotransmitter transporter proteins that move glutamate – the principal excitatory neurotransmitter – across a membrane. The family of glutamate transporters is composed of two primary subclasses: the excitatory amino acid transporter (EAAT) family and vesicular glutamate transporter (VGLUT) family. In the brain, EAATs remove glutamate from the synaptic cleft and extrasynaptic sites via glutamate reuptake into glial cells and neurons, while VGLUTs move glutamate from the cell cytoplasm into synaptic vesicles. Glutamate transporters also transport aspartate and are present in virtually all peripheral tissues, including the heart, liver, testes, and bone. They exhibit stereoselectivity for L glutamate but transport both L aspartate and D aspartate. The EAATs are membrane bound secondary transporters that superficially resemble ion channels. These transporters play the important role of regulating concentrations of glutamate in the extracellular space by transporting it along with other ions across cellular membranes. After glutamate is released as the result of an action potential, glutamate transporters quickly remove it from the extracellular space to keep its levels low, thereby terminating the synaptic transmission. Without the activity of glutamate transporters, glutamate would build up and kill cells in a process called excitotoxicity, in which excessive amounts of glutamate acts as a toxin to neurons by triggering a number of biochemical cascades. The activity of glutamate transporters also allows glutamate to be recycled for repeated release.
VGLUTs
Известно три типа везикулярных глутаматных транспортеров, VGLUT1–3 (SLC17A7, SLC17A6 и SLC17A8 соответственно). Эти транспортеры упаковывают нейротрансмиттер в синаптические везикулы для последующего высвобождения в синапс. VGLUT зависят от протонного градиента, существующего в секреторной системе (внутри везикул более кислая среда, чем в цитозоле). Аффинность VGLUT к глутамату в сто-тысячу раз ниже, чем у EAAT. Роль этого необычного транспортера (VGluT3) до сих пор не ясна, однако установлено, что в слуховой системе VGluT3 участвует в быстрой возбуждающей глутаматергической передаче, аналогичной той, что обеспечивается двумя другими везикулярными глутаматными транспортерами, VGluT1 и VGluT2. Удаление VGluT3 влечет за собой поведенческие и физиологические последствия, поскольку он модулирует широкий спектр нейронных и физиологических процессов, таких как тревожность, регуляция настроения, импульсивность, агрессивное поведение, восприятие боли, цикл сон-бодрствование, аппетит, температура тела и сексуальное поведение. Значительных изменений в агрессии и депрессивном поведении выявлено не было, но потеря VGluT3, напротив, привела к специфическому фенотипу, связанному с повышенной тревожностью. Сенсорные нервные волокна по-разному обнаруживают болевую гиперчувствительность в зависимости от их сенсорных модальностей и скорости проведения, однако пока неизвестно, какие типы сенсорных волокон связаны с различными формами воспалительной и нейропатической болевой гиперчувствительности. В данном случае, везикулярный глутаматный транспортер 3 (VGluT3) был вовлечен в развитие механической гиперчувствительности после воспаления, но его роль в нейропатической боли остается предметом дискуссий. VGluT3 проявляет обширную соматическую активность в процессе развития, что может быть связано с несинаптической модуляцией глутаматом в развивающейся сетчатке и влиять на трофическую и экстрасинаптическую нейронную сигнализацию глутаматом во внутренней сетчатке.
Молекулярная структура EAAT
Как и все глутаматные транспортеры, EAAT являются тримерами, при этом каждый протомер состоит из двух доменов: центрального каркасного домена (рисунок 1A, пшеничный цвет) и периферического транспортного домена (рисунок 1A, синий). Транспортный конформационный путь следующий. Сначала происходит конформация, обращенная наружу (OF, открытая), что позволяет глутамату связываться. Затем область HP2 закрывается после захвата (OF, закрыто), и движение, подобное подъему в лифте, переносит субстрат на внутриклеточную сторону мембраны. Важно отметить, что это движение, подобное подъему в лифте, состоит из нескольких еще не классифицированных/идентифицированных конформационных изменений. После того, как движение, подобное подъему в лифте, доставляет субстрат к внутренней стороне мембраны (IC), EAAT принимает конформацию, обращенную внутрь (IF, закрытая), в которой транспортный домен опускается, но ворота HP2 остаются закрытыми, а глутамат все еще связан с транспортером. Наконец, ворота HP2 открываются, и глутамат диффундирует в цитоплазму клетки.
Патология
Избыточная активность глутаматных транспортеров может приводить к недостаточному содержанию глутамата в синапсах и может играть роль в развитии шизофрении и других психических расстройств. Потеря Na+-зависимого глутаматного транспортера EAAT2 предположительно связана с нейродегенеративными заболеваниями, такими как болезнь Альцгеймера, болезнь Хантингтона и комплекс ALS-паркинсонизма. Также, дегенерация мотонейронов при боковом амиотрофическом склерозе связана с уменьшением количества EAAT2 в мозге и спинном мозге пациентов.