Рецепторы AMPA: структура, функции и регуляция.

Введение

Трансмембранное белковое семейство

α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовая кислота рецептор (также известный как AMPA-рецептор, AMPAR или квискулатный рецептор) — это ионотропный трансмембранный рецептор для глутамата (iGluR), преимущественно представляющий собой Na+-ионный канал, который опосредует быструю синаптическую передачу в центральной нервной системе (ЦНС). Традиционно он классифицируется как рецептор не-NMDA типа, наряду с каинатовым рецептором. Свое название он получил благодаря способности активироваться искусственным аналогом глутамата AMPA. Рецептор был впервые назван "квискулатным рецептором" Уоткинсом и его коллегами в честь природного агониста квискулата, а позже получил название "AMPA-рецептор" в честь селективного агониста, разработанного Таге Оноре и его коллегами в Королевской датской школе фармации в Копенгагене. Ядро связывания лиганда AMPA-рецептора (GluA2 LBD), кодируемое GRIA2, стало первым доменом ионного канала глутаматного рецептора, который был кристаллизован.

Состав подразделов

АМПАР состоят из четырех типов субъединиц, кодируемых разными генами, обозначенных как GRIA1 (также называемый GluA1 или GluR1), GRIA2 (также называемый GluA2 или GluR2), GRIA3 (также называемый GluA3 или GluR3) и GRIA4 (также называемый GluA4 или GluRA D2), которые объединяются, образуя тетрамеры. Большинство AMPAR являются гетеротетрамерными, состоящими из симметричных «димеров димеров» GluA2 и либо GluA1, GluA3, либо GluA4. Димеризация начинается в эндоплазматическом ретикулуме с взаимодействия N-концевых доменов LIVBP, затем «застегивается» через лиганд-связывающий домен в трансмембранную ионную пору. Когда четыре субъединицы тетрамера соединяются, этот второй мембранный домен формирует ионно-проницаемый канал рецептора. Субъединицы AMPAR наиболее сильно различаются по своей C-концевой последовательности, которая определяет их взаимодействие с белками-каркасами. Все AMPAR содержат PDZ-связывающие домены, но PDZ-домен, к которому они связываются, различается. Например, GluA1 связывается с SAP97 через PDZ-домен класса I SAP97, в то время как GluA2 связывается с PICK1 и GRIP/ABP. Важно отметить, что AMPAR не могут напрямую связываться с общим синаптическим белком PSD 95 из-за несовместимых PDZ-доменов, хотя они взаимодействуют с PSD 95 через старгазин (прототипичный представитель семейства TARP вспомогательных субъединиц AMPAR). Фосфорилирование AMPAR может регулировать локализацию канала, проводимость и вероятность открытия. GluA1 имеет четыре известных сайта фосфорилирования в серине 818 (S818), S831, треонине 840 и S845 (другие субъединицы имеют аналогичные сайты фосфорилирования, но GluR1 был наиболее тщательно изучен). S818 фосфорилируется протеинкиназой C и необходим для долговременной потенциации (LTP; роль GluA1 в LTP см. ниже). S831 фосфорилируется CaMKII и PKC во время LTP, что способствует доставке AMPAR, содержащих GluA1, к синапсу и увеличивает их одноканальную проводимость. Сайт T840 был обнаружен относительно недавно и связан с LTD. Наконец, S845 фосфорилируется PKA, что регулирует его вероятность открытия.

Функция ионного канала

Каждый AMPAR имеет четыре сайта, к которым может присоединяться агонист (например, глутамат), по одному для каждой субъединицы. Когда агонист связывается, эти две петли сближаются, открывая пору. Канал открывается при занятии двух сайтов и увеличивает свой ток по мере занятия большего числа связывающих сайтов. После открытия канал может подвергнуться быстрой десенсибилизации, прекращая ток. Механизм десенсибилизации, как полагают, связан с небольшим изменением угла одной из частей связывающего сайта, что приводит к закрытию поры. AMPAR открываются и закрываются быстро (1 мс) и, таким образом, отвечают за большую часть быстрой возбуждающей синаптической передачи в центральной нервной системе. Состав субъединиц AMPAR также важен для модуляции этого рецептора. Если AMPAR лишен субъединиц GluA2, он становится восприимчивым к блокированию в зависимости от напряжения классом молекул, называемых полиаминами. Таким образом, когда нейрон находится в деполяризованном мембранном потенциале, полиамины будут сильнее блокировать канал AMPAR, препятствуя потоку ионов калия через пору канала. AMPAR, лишенные GluA2, таким образом, имеют выпрямляющую внутрь I/V-кривую, что означает, что они пропускают меньше наружного тока, чем внутренний, на одинаковом расстоянии от потенциала разворота. Кальций-проницаемые AMPAR обычно обнаруживаются на ранних стадиях постнатального развития на неокортикальных пирамидальных нейронах.

Наряду с редактированием РНК альтернативный сплайсинг позволяет создавать широкий спектр функциональных субъединиц AMPA-рецепторов, превышающий закодированный в геноме. Другими словами, хотя для каждой субъединицы (GluA1–GluA4) кодируется один ген (GRIA1–GRIA4), сплайсинг после транскрипции из ДНК позволяет некоторым экзонам транслироваться взаимозаменяемо, что приводит к образованию нескольких функционально различных субъединиц из каждого гена. Последовательность «flip/flop» является одним из таких взаимозаменяемых экзонов. Это 38-аминокислотная последовательность, расположенная перед (то есть до N-конца) четвертого мембранного домена во всех четырех субъединицах AMPAR, которая определяет скорость десенсибилизации рецептора, а также скорость восстановления рецептора и скорость закрытия канала. «Flip»-форма присутствует в пренатальных AMPA-рецепторах и обеспечивает устойчивый ток в ответ на активацию глутаматом.

Синаптическая пластичность

AMPA-рецепторы (AMPAR) являются глутаматными рецепторами и катионными каналами, играющими ключевую роль в пластичности и синаптической передаче на многих постсинаптических мембранах. Одной из наиболее широко и тщательно изученных форм пластичности в нервной системе является долговременная потенциация, или LTP. Для возникновения LTP необходимы два компонента: пресинаптическое высвобождение глутамата и постсинаптическая деполяризация. Таким образом, LTP можно экспериментально индуцировать при парной электрофизиологической регистрации, когда пресинаптическая клетка стимулируется к высвобождению глутамата на постсинаптическую клетку, находящуюся в состоянии деполяризации. Типичный протокол индукции LTP включает стимуляцию "тетанусом" – серию импульсов с частотой 100 Гц в течение 1 секунды. При применении этого протокола к паре клеток наблюдается устойчивое увеличение амплитуды возбуждающего постсинаптического потенциала (EPSP) после тетанической стимуляции. Этот ответ представляет интерес, поскольку считается физиологическим коррелятом обучения и памяти на клеточном уровне. Фактически, было показано, что после единичного теста на избегание у мышей LTP можно зарегистрировать в некоторых синапсах гиппокампа in vivo. Молекулярные механизмы LTP были всесторонне изучены, и было показано, что AMPAR играют важную роль в этом процессе. GluR1 и GluR2 играют значимую роль в синаптической пластичности. В настоящее время известно, что физиологическим коррелятом увеличения размера EPSP является постсинаптическая регуляция AMPAR на мембране, осуществляемая посредством взаимодействия AMPAR с различными клеточными белками. Наиболее простое объяснение LTP выглядит следующим образом (подробное описание см. в статье о долговременной потенциации). Глутамат связывается с постсинаптическими AMPAR и другим глутаматным рецептором – NMDA-рецептором (NMDAR). Связывание лиганда вызывает открытие AMPAR, и ионы Na+ поступают в постсинаптическую клетку, что приводит к деполяризации. NMDAR, напротив, не открываются напрямую, поскольку их поры блокированы ионами Mg2+ при потенциале покоя мембраны. NMDAR могут открываться только тогда, когда деполяризация, вызванная активацией AMPAR, приводит к вытеснению ионов Mg2+ во внеклеточное пространство, позволяя ионам проходить через пору. Однако, в отличие от AMPAR, NMDAR проницаемы как для Na+, так и для Ca2+. Поступающие в клетку ионы Ca2+ запускают регуляцию AMPAR на мембране, что приводит к длительному увеличению размера EPSP, лежащему в основе LTP. Вход кальция также фосфорилирует CaMKII, который, в свою очередь, фосфорилирует AMPAR, увеличивая их одноканальную проводимость.

AMPA receptors (AMPAR) are both glutamate receptors and cation channels that are integral to plasticity and synaptic transmission at many postsynaptic membranes. One of the most widely and thoroughly investigated forms of plasticity in the nervous system is known as long term potentiation, or LTP. There are two necessary components of LTP: presynaptic glutamate release and postsynaptic depolarization. Therefore, LTP can be induced experimentally in a paired electrophysiological recording when a presynaptic cell is stimulated to release glutamate on a postsynaptic cell that is depolarized. The typical LTP induction protocol involves a "tetanus" stimulation, which is a 100 Hz stimulation for 1 second. When one applies this protocol to a pair of cells, one will see a sustained increase of the amplitude of the excitatory postsynaptic potential (EPSP) following tetanus. This response is interesting since it is thought to be the physiological correlate for learning and memory in the cell. In fact, it has been shown that, following a single paired avoidance paradigm in mice, LTP can be recorded in some hippocampal synapses in vivo. The molecular basis for LTP has been extensively studied, and AMPARs have been shown to play an integral role in the process. Both GluR1 and GluR2 play an important role in synaptic plasticity. It is now known that the underlying physiological correlate for the increase in EPSP size is a postsynaptic upregulation of AMPARs at the membrane, which is accomplished through the interactions of AMPARs with many cellular proteins. The simplest explanation for LTP is as follows (see the long term potentiation article for a much more detailed account). Glutamate binds to postsynaptic AMPARs and another glutamate receptor, the NMDA receptor (NMDAR). Ligand binding causes the AMPARs to open, and Na+ flows into the postsynaptic cell, resulting in a depolarization. NMDARs, on the other hand, do not open directly because their pores are occluded at resting membrane potential by Mg2+ ions. NMDARs can open only when a depolarization from the AMPAR activation leads to repulsion of the Mg2+ cation out into the extracellular space, allowing the pore to pass current. Unlike AMPARs, however, NMDARs are permeable to both Na+ and Ca2+. The Ca2+ that enters the cell triggers the upregulation of AMPARs to the membrane, which results in a long lasting increase in EPSP size underlying LTP. The calcium entry also phosphorylates CaMKII, which phosphorylates AMPARs, increasing their single channel conductance.

Молекулярный и сигнальный ответ на стимулы, вызывающие ЛТП

Механизм LTP долгое время был предметом дискуссий, но в последнее время достигнут определенный консенсус в отношении механизмов, лежащих в его основе. AMPAR играют ключевую роль в этом процессе, поскольку одним из основных показателей индукции LTP является увеличение соотношения AMPAR к NMDAR после высокочастотной стимуляции. Предполагается, что AMPAR транспортируются из дендрита в синапс и включаются в состав синапса посредством ряда сигнальных каскадов. Регуляция AMPAR изначально осуществляется на транскрипционном уровне в их 5'-промоторных областях. Существуют веские доказательства, указывающие на транскрипционный контроль рецепторов AMPA в процессах долговременной памяти посредством белка, связывающего cAMP-ответный элемент (CREB), и митоген-активированных протеинкиназ (MAPK). Синтез белков происходит на шероховатом эндоплазматическом ретикулуме (шероховатом ЭР), где они подвергаются модификации. Состав субъединиц определяется в момент модификации на шероховатом ЭР. Блокирование этого притока или активации CaMKII предотвращает развитие LTP, что свидетельствует о необходимости этих механизмов для LTP. Кроме того, введение CaMKII в синапс вызывает LTP, что показывает его причинно-следственную и достаточную роль. CaMKII имеет несколько путей активации, приводящих к включению AMPA-рецепторов в перисинаптическую мембрану. Фермент CaMKII в конечном итоге отвечает за развитие актинового цитоскелета нейронов и, в конечном счете, за развитие дендритов и аксонов (синаптическую пластичность). Первый путь – прямое фосфорилирование синаптически-ассоциированного белка 97 (SAP97). Сначала SAP97 и миозин VI, моторный белок, образуют комплекс, связанный с C-концевым доменом AMPAR. После фосфорилирования CaMKII этот комплекс перемещается в перисинаптическую мембрану. Второй путь активации – через MAPK-каскад. CaMKII активирует Ras-белки, которые, в свою очередь, активируют p42/44 MAPK, что приводит к непосредственной интеграции AMPAR в перисинаптическую мембрану.

Торговля AMPA-рецепторами в PSD в ответ на LTP

После того, как AMPA-рецепторы транспортируются в перисинаптическую область посредством фосфорилирования PKA или SAP97, они затем направляются в постсинаптическую плотность (PSD). Однако этот процесс доставки в PSD до сих пор остается предметом дискуссий. Одна из возможностей заключается в том, что во время долговременной потенциации (ЛТП) происходит латеральное перемещение AMPA-рецепторов из перисинаптических участков непосредственно в PSD. Недавние данные свидетельствуют о том, что оба этих процесса происходят после стимуляции ЛТП; однако только латеральное перемещение AMPA-рецепторов из перисинаптической области увеличивает их количество в PSD. Точный механизм, ответственный за латеральное перемещение AMPA-рецепторов к PSD, еще предстоит выяснить, однако исследования выявили несколько ключевых белков, участвующих в транспорте AMPA-рецепторов. Например, сверхэкспрессия SAP97 приводит к увеличению трафика AMPA-рецепторов к синапсам. Помимо влияния на синаптическую локализацию, SAP97 также влияет на проводимость AMPA-рецепторов в ответ на глутамат. Миозиновые белки – это кальций-чувствительные моторные белки, которые также оказались необходимыми для транспорта AMPA-рецепторов. Нарушение взаимодействия миозина Vb с Rab11 и Rab11 FIP2 блокирует рост дендритных шипиков и транспорт AMPA-рецепторов. Следовательно, возможно, что миозин обеспечивает латеральное перемещение AMPA-рецепторов из перисинаптической области в PSD. Трансмембранные регуляторные белки AMPA-рецепторов (TARP) – это семейство белков, которые связываются с AMPA-рецепторами и контролируют их транспорт и проводимость. CACNG2 (Stargazin) – один из таких белков, который связывается с AMPA-рецепторами в перисинаптической и постсинаптической областях. Роль старгазина в транспорте между перисинаптической и постсинаптической областями остается неясной; однако старгазин необходим для иммобилизации AMPA-рецепторов в PSD посредством взаимодействия с PSD 95. PSD 95 стабилизирует AMPA-рецепторы в синапсе, и нарушение взаимодействия старгазина с PSD 95 подавляет синаптическую передачу. Эти явления могут быть результатом локальной организации PSD, иногда называемой фазовым разделением.

Once AMPA receptors are transported to the perisynaptic region through PKA or SAP97 phosphorylation, receptors are then trafficked to the postsynaptic density (PSD). However, this process of trafficking to the PSD still remains controversial. One possibility is that, during LTP, there is lateral movement of AMPA receptors from perisynaptic sites directly to the PSD. Recent evidence suggests that both of these processes are happening after an LTP stimulus; however, only the lateral movement of AMPA receptors from the perisynaptic region enhances the number of AMPA receptors at the PSD. The exact mechanism responsible for lateral movement of AMPA receptors to the PSD remains to be discovered; however, research has discovered several essential proteins for AMPA receptor trafficking. For example, overexpression of SAP97 leads to increased AMPA receptor trafficking to synapses. In addition to influencing synaptic localization, SAP97 has also been found to influence AMPA receptor conductance in response to glutamate. Myosin proteins are calcium sensitive motor proteins that have also been found to be essential for AMPA receptor trafficking. Disruption of myosin Vb interaction with Rab11 and Rab11 FIP2 blocks spine growth and AMPA receptor trafficking. Therefore, it is possible that myosin may drive the lateral movement of AMPA receptors in the perisynaptic region to the PSD. Transmembrane AMPA receptor regulatory proteins (TARPs) are a family proteins that associate with AMPA receptors and control their trafficking and conductance. CACNG2 (Stargazin) is one such protein and is found to bind AMPA receptors in the perisynaptic and postsynaptic regions. The role of stargazin in trafficking between the perisynaptic and postsynaptic regions remains unclear; however, stargazin is essential for immobilizing AMPA receptors in the PSD by interacting with PSD 95. PSD 95 stabilizes AMPA receptors to the synapse and disruption of the stargazin PSD 95 interaction suppressed synaptic transmission. These forces may results from the PSD local organization, sometimes refer to as phase separation.

Торговля сформировавшимися лицами и изменения в составе подразделений

AMPA-рецепторы непрерывно транспортируются (эндоцитируются, рециркулируют и повторно внедряются) в плазматическую мембрану и из нее. Рециклирующие эндосомы в дендритном шипике содержат пулы AMPA-рецепторов для последующей синаптической реинсерции. Существуют два различных пути транспорта AMPA-рецепторов: регулируемый и конститутивный. В регулируемом пути AMPA-рецепторы, содержащие GluA1, транспортируются к синапсу в зависимости от активности, стимулируемой активацией NMDA-рецепторов. В конститутивном пути AMPA-рецепторы, не содержащие GluA1, обычно гетеромерные рецепторы GluR2/GluR3, заменяют содержащие GluA1 рецепторы в соотношении один к одному, независимо от активности, сохраняя общее количество AMPA-рецепторов в синапсе. C-терминальный домен GluA2 взаимодействует и связывается с N-этилмалеимид-чувствительным белком, способствующим слиянию, что обеспечивает быстрое внедрение AMPA-рецепторов, содержащих GluR2, в синапс. Кроме того, субъединицы GluR2/3 более стабильно закреплены в синапсе, чем субъединицы GluR1.

ЛТД-индуцированный эндоцитоз AMPA-рецепторов

Долгосрочная депрессия запускает механизмы, снижающие плотность AMPA-рецепторов в отобранных дендритных шипиках, зависящие от клатрина и кальцинеурина и отличные от конститутивного трафика AMPAR. Начальным сигналом для эндоцитоза AMPAR является зависимый от NMDAR приток кальция, вызванный низкочастотной стимуляцией, который, в свою очередь, активирует белковые фосфатазы PP1 и кальцинеурин. Однако эндоцитоз AMPAR также активируется вольтаж-зависимыми кальциевыми каналами, агонизмом AMPA-рецепторов и введением инсулина, что указывает на общий приток кальция как причину эндоцитоза AMPAR. Блокировка PP1 не предотвратила эндоцитоз AMPAR, но применение антагонистов кальцинеурина привело к значительному ингибированию этого процесса. Кальцинеурин взаимодействует с эндоцитотическим комплексом в постсинаптической зоне, что объясняет его влияние на LTD. Комплекс, состоящий из клатриновой ямки под участком плазменной мембраны, содержащим AMPAR, и взаимодействующих с ней белков, является прямым механизмом снижения количества AMPAR, в частности рецепторов, содержащих субъединицы GluR2/GluR3, в синапсе. Взаимодействие с кальцинеурином активирует GTP-азу динамин, позволяя клатриновой ямке отпочковываться от клеточной мембраны и превращаться в цитоплазматическую везикулу. После отсоединения клатринного покрытия другие белки могут напрямую взаимодействовать с AMPAR посредством PDZ карбоксильных концевых доменов; например, белок, взаимодействующий с глутаматными рецепторами 1 (GRIP1), участвует во внутриклеточной секвестрации AMPAR. Внутриклеточные AMPAR затем сортируются для деградации лизосомами или рециркуляции к клеточной мембране. Для последнего PICK1 и PKC могут вытеснять GRIP1, возвращая AMPAR на поверхность и обращая эффекты эндоцитоза и LTD, когда это уместно. Тем не менее, описанный выше кальций-зависимый, опосредованный динамином механизм был признан ключевым компонентом LTD и, следовательно, может найти применение в дальнейших поведенческих исследованиях.

Роль при припадках

Рецепторы АМФА играют ключевую роль в генерации и распространении эпилептических припадков. Каиновая кислота, конвульсант, широко используемый в исследованиях эпилепсии, вызывает приступы, отчасти посредством активации AMPA-рецепторов.

Молекулярная мишень для терапии эпилепсии

Было показано, что неконкурентные антагонисты AMPA-рецепторов талапанел и перампанел обладают активностью в лечении взрослых с парциальными припадками, что указывает на то, что антагонисты AMPA-рецепторов представляют собой потенциальную мишень для лечения эпилепсии. 27 июля 2012 года Европейская комиссия одобрила использование перампанела (торговое название: Fycompa) для лечения парциальной эпилепсии. Препарат был одобрен в Соединенных Штатах Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA) 22 октября 2012 года. Как и в случае с большинством недавно разработанных противоэпилептических препаратов, включая прегабалин, лакозамид и эзогабин, FDA рекомендовало, чтобы Управлением по борьбе с наркотиками (DEA) перампанел был классифицирован как контролируемое вещество. Ему был присвоен 3-й класс контролируемых веществ. Декановая кислота действует как неконкурентный антагонист AMPA-рецептора в терапевтически значимых концентрациях, зависящим от напряжения и субъединицы, и этого достаточно для объяснения ее противосудорожного действия. Это прямое ингибирование возбуждающей нейротрансмиссии декановой кислотой в мозге способствует противосудорожному эффекту среднецепочечной триглицеридной кетогенной диеты. Доклинические исследования показывают, что несколько производных ароматических аминокислот с антиглутаматергическими свойствами, включая антагонизм AMPA-рецепторов и ингибирование высвобождения глутамата, такие как 3,5-дибромо-D-тирозин и 3,5-дибромо-L-фенилаланин, проявляют выраженный противосудорожный эффект в моделях на животных, что позволяет предположить возможность использования этих соединений в качестве нового класса противоэпилептических препаратов.