Глициновый рецептор

Глицин

Глициновый рецептор — один из наиболее распространенных тормозных рецепторов в центральной нервной системе, белок-рецептор с четвертичной структурой, находящийся на постсинаптической мембране многих нейронов, чьим лигандом является глицин. Глициновый рецептор играет важную роль в передаче тормозного сигнала в ЦНС

Глицин — одна из 20 основных аминокислот — используется в нервной системе млекопитающих как тормозной нейромедиатор. Его функция — активация чувствительного к стрихнину глицинового рецептора (ГлиР), находящегося на постсинаптической мембране. ГлиР входит в суперсемейство никотинового ацетилхолинового рецептора. Все рецепторы данной группы — это ионные каналы, состоящие обычно из 5 субъединиц. При связывании с лигандом сквозь канал начинают проходить ионы, в зависимости от типа рецептора и градиента мембраны, тем самым, изменяя мембранный потенциал. После связывания с глицином ГлиР повышает уровень ионов хлора в клетке-мишени, тем самым гиперполяризуя мембрану. Связыванию глицина с ГлиР препятствует стрихнин, вызывающий судороги алкалоид. Уровень глицина в нервной ткани, а, следовательно, и распространенность ГлиР, выше всего в продолговатом мозге, варолиевом мосту и спинном мозге. Например, с помощью глицина интернейроны спинного мозга контролируют мышцу-разгибатель при болевом рефлексе, заставляя ее расслабляться. Также существуют внесинаптические ГлиР, выполняющие ряд других функций.

Структура ГлиР

Благодаря возможности прочного связывания со стрихнином ГлиР был первым белком-рецептором нейромедиатора, который был выделен из ЦНС млекопитающих. Это белок с четвертичной структурой, состоящий из 5 субъединиц двух типов, α и β (вначале было установлено соотношение 3α:2β, но затем пересмотрено как 2α:3β). Они гомологичны (схожи по последовательности аминокислот) друг другу, и, в меньшей степени, субъединицам других ионотропных каналов. Субъединицы соединены друг с другом при помощи дисульфидных мостиков, образуя длинную молекулу, несколько раз проходящую сквозь мембрану клетки. Каждая субъединица ГлиР состоит из достаточно большого глобулярного внеклеточного — находящегося в синаптической щели — домена (ВКД), являющегося N-концом белка, 4 трансмембранных частей, внутриклеточной петли и короткого внеклеточного С-конца. Между субъединицами (внутри одной из трансмембранных частей) находится ионный канал, который обладает избирательной проницаемостью по отношению к анионам — ионам Cl ¯, Br ¯, I¯ и иногда к бикарбонату (в клетке это, в основном, Cl ¯)

Гены и их экспрессия

К сегодняшнему дню было обнаружено 4 гена, кодирующие различные α субъединицы. Дополнительные различия в структуре возникают благодаря альтернативному сплайсингу экзонов, кодирующих участки N-конца и внутриклеточной петли. Большинство полипептидных цепей закодированы в нескольких участках гена, так называемых экзонах. Экзоны могут образовывать различные комбинации, что приводит к созданию мРНК для множественных изоформ субъединиц. Во время транскрипции определяется, какие из частей мРНК будут использованы для трансляции. Часть экзонов вырезается, и оставшиеся части мРНК соединяются. Также был зафиксирован случай редактирования мРНК одной из субъединиц. Последовательность различных α субъединиц совпадает более чем на 80 %. Считается, что именно их различающиеся части ответственны за связывание ГлиР с глицином и стрихнином. Пока что у млекопитающих найден всего 1 ген, кодирующий β субъединицы. Их функция — закрепление ГлиР в мембране благодаря своей гидрофобной части. Видоизменение β субъединиц (в пределах нормы) не влияет на активацию ГлиР и его ответную реакцию. Механизмы, отвечающие за закрепление рецептора в мембране и его посттрансляционные модификации, изучены плохо. Считается, что присоединение углеводородов к N-концу субъединиц необходимо для сборки рецептора и его встраивания в мембрану.

Соединение с глицином

Так как последовательности субъединиц рецепторов гомологичны у всех рецепторов, принадлежащих к 1 группе лигандзависимых ионных каналов, то, видимо, они имеют общую структурную организацию. На основе этого можно установить, что глицин присоединяется к ВКД рецептора, между (+) и (-) границами соседних субъединиц, и связывается с участками на обеих. Недавние исследования показали, что в соединении с глицином играют роль и α, и β субъединицы, причем участки на их (-) концах связываются с карбоксигруппой глицина, а на (+) концах — с аминогруппой. У гетеромерных (состоящих и из α, и из β субъединиц) рецепторов существует несколько видов границ (интерфейсов) — βα, αβ и ββ, и у них разная способность связывания с глицином и стрихнином. Так как у алкалоида похожий, но не идентичный способ связывания с ГлиР, он предпочитает βα интерфейсы, тогда как глицин связывается и с αβ интерфейсом. Про ββ интерфейс нет достоверных сведений.

Взаимосвязь между связыванием с лигандом и открытием ионного канала ГлиР

Так как расстояние между участками связывания ГлиР с лигандом и той его частью, где находится ионный канал, невелико, то изменения конформации белка при соединении с глицином должны влиять на открытие канала. Точный механизм этого неизвестен, несмотря на то, что ВКД гомологичных рецепторов изучен хорошо. Однако существуют предположения, что изменения конформации молекулы ведут к взаимодействию интерфейсов ВКД и петель, соединяющих трансмембранные участки, благодаря чему и открывается канал. После этого ионы Cl¯ проникают в клетку, мембрана гиперполяризуется, и потребуется большее количество сигналов от возбуждающего нейрона, чтобы в нейроне возник импульс.

Количество ГлиР в мембране

Изменения эффективности синапса в зависимости от активности клетки играют огромную роль в высшей нервной деятельности. Например, после серии частых сигналов от пресинаптической клетки возрастает уровень Ca 2+ в клетке-мишени и, видимо, из-за этого увеличивается число находящихся в мембране ГлиР. Это позволяет усилить торможение клетки. Количество ГлиР в мембране зависит от их экзоцитоза — встраивания в мембрану, заякоривания там с помощью белка гиферина и эндоцитоза в эндосомы. За это ответственны части белка, находящиеся в цитоплазме. Рецепторы на постсинаптической мембране не неподвижны, но находятся в неком динамическом равновесии, что позволяет им легче возвращаться в цитоплазму.

Функции различных типов ГлиР

Экспрессия генов в разных клетках

Экспрессия генов α субъединиц ГлиР зависит от местоположения нейрона, а также различается в разные периоды развития. Например, мРНК и белок α1 встречается у взрослых в спинном и головном мозге, а также в клетках-палочках, тогда как уровень α2 максимален при рождении, а у взрослых α2 встречается лишь в небольших количествах в гиппокампе, мозговой коре и таламусе. Β субъединицы широко распространены в ЦНС млекопитающих и до, и после рождения. Глицин в ЦНС взрослых — это, в основном, тормозной нейромедиатор, тогда как у эмбрионов он является возбуждающим. Это возможно благодаря тому, что у зародышей концентрация Cl¯ в клетке выше, чем во внешней среде, поэтому ГлиР при открытии канала вызывает деполяризацию мембраны. Эта возбуждающая функция ГлиР важна для генезиса синапсов. На первых стадиях после рождения благодаря работе K+/Cl¯ транспортера концентрация Cl ¯ в клетке падает, и ГлиР выполняет уже гиперполяризующую функцию.

Роль в эмбриогенезе

Кроме глицина, тормозную роль по отношению к нейронам играет также аминокислота таурин. Она выделяется внесинаптически клетками коры во время эмбриогенеза и, как выяснилось, влияет на ее развитие благодаря внесинаптическим ГлиР, содержащим α2 субъединицы. Оказалось, что с их помощью таурин регулирует число палочек в развивающейся сетчатке. Хотя в основном нервные клетки взаимодействуют друг с другом при помощи синапсов, существуют, как в данном случае, внесинаптические рецепторы. Видимо, их цель — восприятие относительно слабого, не нацеленного сигнала в ситуации, когда медиатор высвобождается не везикулярно и/или при диффузии нейромедиатора из соседних синапсов. Так что, возможно, наличие ГлиР, состоящих из α2 субъединиц, в таламусе и гиппокампе может быть нужно для слабого (тонического) торможения нейронов таурином.

Сетчатка млекопитающих

Хотя в целом различия между изоформами ГлиР невелики, они играют разную роль в организме млекопитающих, как показали исследования сетчатки. Глициновые синапсы играют важную роль в восприятии света сетчаткой. В различных клетках сетчатки присутствуют ГлиР из различных α субъединиц (α1, α2, α3), и хотя они могут встречаться в одном слое, доказано, что вероятность их нахождения в одном и том же синапсе менее 10 %. Так что в одном синапсе присутствует 1 тип ГлиР, и, видимо, они выполняют разные функции в сетчатке.

Восприятие боли

Физиологические симптомы отравления стрихнином — постоянное возбуждение мотонейронов, сенсорных нейронов, а также общее ощущение боли. В дорзальном роге спинного мозга сенсорные нейроны образуют синапсы с интернейронами — первичным центром обработки болевой информации, где сеть тормозных нейронов регулирует передачу сигнала дальше, в головной мозг. Так что стрихнин, блокируя ГлиР, многократно усиливает болевые ощущения. Стимуляция ГлиР может ослабить боль, и это тема для дальнейших исследований в области обезболивания и анестезии.

Другие вещества, влияющие на ГлиР

Антагонисты

Несмотря на то, что разные ГлиР являются частями разных систем и выполняют различные функции, пока что сложно установить физиологические последствия различных схем их распределения из-за недостатка специфических антагонистов (веществ, блокирующих рецептор). Некоторые влияют сильнее на один подтип, чем на другой, однако их совсем нельзя назвать специфичными.

Каннабиноиды

Недавно было обнаружено, что существуют совпадения между определенными участками субъединиц ГлиР и взаимодействующими с лигандом участками каннабиноидных рецепторов. Действительно, некоторые типы каннабиноидов тормозят синаптические токи, вызываемые глицином при его высокой концентрации. Что интересно, при низкой концентрации глицина каннабиноиды, наоборот, усиливают ток. Возможно, в дальнейшем каннабиноиды будут использоваться как анестетик (сейчас они используются в связи с каннабиноидными рецепторами).

Другие пути анестезирования

Возможность анестезии благодаря усилению токов, создаваемых ГлиР — важная цель современной медицины. Существует несколько анестетиков, влияющих на этот рецептор, и хотя точный механизм их действия неясен, существует гипотеза, что они присоединяются к двум соседним трансмембранным частям. Возможно, на них может влиять и алкоголь.

Усиление реакции ГлиР

Открытые в последние годы черты строения и функционирования ГлиР позволили значительно продвинуться в лечении связанных с ним болезней. Например, проводился эксперимент на мышах, несущих мутацию гена одной из субъединиц ГлиР, вызывающую гиперекплексию. Симптомы этой болезни — постоянная дрожь тела и усиленный рефлекторный ответ на внешние раздражители (звук, прикосновение и др.). Они могут быть убраны при лечении небольшой дозой позитивного модулятора пропофола, который, видимо, может использоваться и для лечения болеющих гиперекплексией людей.

Возможность усиления ответной реакции ГлиР еще больше усилилась после изучения влияния на него катиона Zn2+. Небольшие его концентрации вызывают усиление тока Cl¯ , тогда как большие концентрации создают конкурентное ингибирование. Так как Zn2+ уже используется в некоторых синапсах как усилитель сигнала, выделяющийся вместе с медиатором, важно исследовать возможность его применения в медицине. Интересно, что из всей данной семьи ионотропных рецепторов ГлиР единственный, кто не имеет метаботропного аналога. Также можно отметить, что несмотря на отсутствие связи ГлиР и G-белка, рецептор может быть модулирован при помощи βγ субъединицы G-белка. При этом увеличится сила тока ионов через этот канал и время, пока ионный канал открыт. Этот факт в дальнейшем также может быть использован для усиления реакции ГлиР на сигнал.

Патологии в работе ГлиР

Как уже было сказано, стрихнин в дозе, меньшей чем летальная, вызывает проблемы с движением, дрожание мышц, стимуляцию органов чувств, в том числе и болевых рецепторов, зрительные и слуховые галлюцинации, в больших дозах — сильные судороги. Мутации в генах полипептидных цепей также ведут к нарушению моторики и слишком сильной реакции на новый сигнал (гиперокплексия). Кроме того, с нарушением функционирования ГлиР могут быть связаны такие патологии, как аутизм, вызываемое вирусами слабоумие (dementia), эпилепсия.

Выводы и перспективы

ГлиР — важный рецептор, задействованный в разных частях ЦНС млекопитающих, обладающий многими особенностями группы ионотропных рецепторов, к которой принадлежит, и одновременно своими специфическими отличиями в структуре и функциях. Несмотря на то, что его изоформы не так разнообразны, как у других тормозных рецепторов, различия в структуре и положении его подтипов позволяют им выполнять разные функции. Они не только передают сигнал от сенсорных нейронов к моторным, но и участвуют в восприятии боли, передаче фотосигналов и развитии нервной системы. В целом к настоящему моменту он в достаточной степени исследован, однако многое остается неизученным. Исследование свойств ГлиР очень важно для физиологии млекопитающих и медицины. Уже прослеживаются методы, с помощью которых можно установить различные функции в ЦНС изоформ ГлиР и механизмы регуляции его активности.

Источники

• Glycine receptors: recent insights into their structural organization and functional diversity
• Glycine receptors: recent insights into their structural organization and functional diversity.
• Structure and Function of the Glycine Receptor and Related Nicotinicoid Receptors
• Crosslinking of al|Jl GABA^ receptor subunits via cysteines introduced into the transmembrane domain