AMPA-reseptori

AMPA-reseptorit (AMPAR) ovat tetrameerisiä ionikanaviin kuuluvia eli ionotrooppisia glutamaattireseptoreita (iGluR), jotka läpäisevät yhdenarvoisia kationeja kuten K⁺ ja Na⁺, ja jotkin myös Ca²⁺-kationeja. AMPAR:ien luonnollinen aktivoiva eli agonistinen välittäjäaine on L-glutamaatti. iGluR-ryhmään kuuluvat NMDAR:ät, kainaattireseptorit,^[1][2] ja delta-reseptorit.^[3]

Rotan homotetrameerinen GluA2-AMPAR (PDBID: 3KG2), todellinen rakenne.

Ampakiinit ovat AMPAR:ien toimintaa tehostavia positiivisia allosteerisia säätelijöitä.

AMPA.

1970-luvun lopulla löydettyjä AMPAR:iä kutsuttiin aluksi kviskualaattireseptoreiksi, sillä ne havaittiin omaksi iGluR-ryhmäkseen kviskuaalihapon (eng. quisqualic acid) avulla. Happo on valikoiva AMPAR-agonisti,^[4] ja sen hermostovaikutukset havaittiin ensi kerran 1974.^[5] 1980-luvulla reseptorit nimettiin jälleen happoakin valikoivamman AMPA:n mukaan,^[4] jonka aktiivinen enantiomeeri on (S)-AMPA.^[6] Aine kehitettiin rasemaattina ensi kerran 1981 iboteenihaposta. AMPA:n lyhenne tulee sen englanninkielisestä nimestä: α-Amino-3-hydroxy-5-Methyl-4-isoxazolePropionic Acid^[7] – suomeksi tämä on α-amino-3-hydroksi-5-metyyli-isoksatsoli-4-propionihappo.

Rakenne

AMPAR:ät ovat tetrameerejä eli ne koostuvat 4:stä proteiinialayksiköstä. Yksiköt yhtyvät solulimakalvostossa ensin dimeereiksi ja sitten tetrameereiksi. AMPAR:ien alayksikköjä on nisäkkäillä 4 (vanhentuneet nimet suluissa):^[8]

• GluA1 (GluR1, GluRA)
• GluA2 (GluR2, GluRB)
• GluA3 (GluR3, GluRC)
• GluA4 (GluR4, GluRD)

Näitä koodaavat vastaavasti ihmisillä geenit GRIA1, GRIA2, GRIA3 ja GRIA4, jotka ovat vastaavasti kromosomien kohdissa 5q31.1, 4q32-q33, Xq25-q26 ja 11q22.^[8]

Tetrameerinen AMPAR. Kuvassa (ylhäältä alas): ATD, LBD, TMD ja CTD (merkitsemätön).

Kukin AMPAR:än muodostava alayksikkö jaetaan 4:ään osaan:^[8]

1. Solun ulkoinen aminoterminaalidomeeni eli ATD (eng. amino terminal domain). Simpukkamainen LBD jaetaan vielä R1- ja R2-puolikkaisiin.
2. Solun ulkoinen ligandia sitova domeeni eli LBD (eng. ligand binding domain). Simpukkamainen LBD jaetaan vielä S1- ja S2-puolikkaisiin, joiden väliin L-glutamaatti (tai jokin muu ligandi) kiinnittyy. Myös nimiä D1 ja D2 käytetään.
3. Solukalvon läpäisevä domeeni eli TMD (eng. transmembrane domain). TMD jaetaan vielä osiin M1, M2, M3 ja M4. M2:t ovat kääntyneet kanavan sisään ja voivat vuorovaikuttaa sen läpi kulkevien ionien kanssa.
4. Solun sisäinen karboksiterminaalidomeeni eli CTD (eng. carboxy terminal domain).

Alayksikköyhdistelmät

GluA2 on aikuisilla ihmisillä yleisin yksikkö. Valtaosa AMPAR:istä on heteromeerisiä eli niissä on keskenään erilaisia alayksikkötyyppejä. Hermoston yleisin heteromeeri on GluA1/2-AMPAR, jossa on 2 kpl GluA1-yksikköjä ja 2 kpl GluA2-yksikköjä. Eri yksikköyhdistelmien ilmeneminen vaihtelee riippuen solutyypistä ja eliön elämänvaiheesta.^[9]

mRNA

Ihmisillä kaikkien AMPAR-alayksikköjen mRNA:n vaihtoehtoinen silmukointi voi tuottaa kustakin flip- tai flop-muodon. Näissä on eriävä 38. aminohapon pätkä TMD:n M4-osan jälkeen solun ulkopuolella. Suurin toiminnallinen ero on se, että flip-yksiköt reagoivat glutamaattiin hitaammin ja heikommin kuin flopit.^[10]

Vaihtoehtoinen silmukointi CTD:n sekvenssialueelta mRNA:ssa voi ihmisillä tuottaa GluA2- ja GluA4-yksiköistä pitkän (eng. long) tai lyhyen (eng. short) muodon. Lyhyitä muotoja kutsutaan vastaavasti nimin GluA2C ja GluA4C.^[10]

GluA2:ien mRNA:t voivat ihmisillä läpikäydä tumassa ADAR2-entsyymin toimesta Q/R-muutoksen, joka ilmenee TMD:n M2-osassa. Adenosiini muuntuu entsyymillä oksidatiivisella deaminaatiolla inosiiniksi, joka lukeutuu translaatiossa väärin guanosiinina.^[11] Muutos riippuu vain GluA2-mRNA:issa olevasta 10 komplementaarisesta nukleotidisekvenssistä, jonka geneettinen puutos on kuolettavaa. Muutoksessa koodattu glutamiini (Q) muuntuu arginiiniksi (R). Q/R-muutos on mm. aikuisten ihmisten aivosoluissa hyvin yleinen.^[10]

Ihmisillä on flip/flop-pätkän lähellä R/G-kohta. ADAR2 voi muuntaa mRNA:ta siten että muodostuvan proteiiniyksikön 764. argiiniini (R) onkin glysiini (G). Muutos voi tapahtua kaikille paitsi GluA1-yksiköille. Mekanismi on sama kuin Q/R-muutoksessa.^[11] G-alayksikköiset AMPAR:ät turtuvat ärsykkeille herkemmin, mutta myös palaavat nopeammin ärsykeherkiksi.^[10]

Post-translaatio

Translaation jälkeen alayksikköproteiinit voivat läpikäydä väliaikaisempia rakennemuutoksia. Yksikköjen C-terminaalialueiden tietyt seriini-, treoniini- ja tyrosiinitähteet voivat fosforyloitua. GluA1:n S831 voi fosforyloitua proteiinikinaasi C- ja CaMKII-välitteisesti. S845 voi fosforyloitua proteiinikinaasi A:n toimesta. Fosforylaation vaikutukset vaihtelevat.^[9] Esimerkiksi NMDAR:ät pystyvät tehostamaan tai heikentämään AMPAR:ien toimintaa pitkäaikaisesti. Viime kädessä ionivirran lisäys tapahtuu mm. GluA1:n S831 fosforylaation kautta, ja heikennys reseptorin solun sisään ottoon johtavan GluA1:n S845 defosfosrylaation kautta.^[2]

Kaikkien ihmisten alayksiköiden M2- ja M4-osien solunsisäisillä alueilla on konservoituneet kysteiinitähteet, joihin voi liittyä palmitaatti. M2:n palmitylaation saa aikaan GODZ-entsyymi (eng. Golgi-associated palmitoyl transferase). Kaikissa alayksiköissä on 4–6 solun ulkoista aluetta, joissa olevat aminohapot voivat N-glykosyloitua. Alueet ovat solun ulkopuolella LBD:n S1-alueella ja ATD:ssä.^[9]

Aktivointi ja säätely

AMPAR:ien luonnollinen agonisti on L-glutamaatti, jonka sitoutumisherkkyys näihin on pienempi kuin esimerkiksi NMDAR:iin. AMPAR:ät aktivoivat ja turtuvat nopeasti agonistien ärsykkeille suhteessa muihin iGluR:iin. Aktivoituessaan AMPAR päästää lävitseen Na⁺- ja K⁺-ioneita aiheuttaen depolarisaation. Usein nämä ionit virtaavat vastaavasti sisään ja ulos solusta. Synapsien depolarisaatio kasvaa huippuunsa muutamassa mikrosekunnissa, ja palaa perustilaan millisekunneissa.^[2] Kanavat läpäisevät muitakin yksiarvoisia kationeja. Esim. GluA1:n läpäisyherkkyys on K⁺ ≈ Rb⁺ > Cs⁺ > Na⁺ ≈ Li⁺.^[8]

GluA2-yksiköt määräävät pitkälti AMPAR:än ominaisuudet. Niitä sisältävät AMPAR:ät eivät mm. läpäise Ca²⁺-ioneita ja niiden kanavavirtaus on suoraan verrannollinen solukalvon jännitteeseen. Taas GluA2-yksikköjä sisältämätön AMPAR läpäisee Ca²⁺-ioneita – tällaisen kanavan ionivirtaus heikkenee ylitettäessä tietty kalvojännite, sillä tietyt sisäsyntyiset polyamiinit salpaavat kanavaa jänniteriippuvaisesti.^[2] pH-arvon kasvu vähentää AMPAR:ien ärsykeherkkyyttä – vaikutus on suurin flop-GluA1-yksiköiden kohdalla.^[8]

AMPAR:ien kanssa vuorovaikuttavat eri proteiinit, mutta eivät välttämättä suoraan aktivaatiossa. AMPAR:ien säätelyyn osallistuvat monet PDZ-motiivin sisältävät proteiinit kuten GRIP (glutamate receptor interacting protein) ja PICK1 (protein interacting with C-kinase-1). Muita proteiineja ovat mm. NSF (N-ethylamide-sensitive fusion protein), AP2 (adaptor protein 2), SAP97 (synapse-associated protein 97), NARP (neuronal activity-regulated pentraxin) ja TARP:it (transmembrane AMPA receptor regulatory proteins).^[12]

Sijainti ja roolit

AMPAR:ät ovat mm. nisäkkäiden aivoissa välttämättömiä ja pääasiallisia nopeiden solutoimintaa kiihdyttävien hermoviestien välittäjiä. AMPAR:iä löytyy kaikista tunnetuista hermosoluista ja hermotukisoluista, joista ensiksi mainituissa AMPAR:illä on monia postsynaptisia rooleja. Taas presynaptisesti AMPAR:ät mm. säätelevät GABA:n vapautumista korisolujen terminaaleista pikkuaivojen Purkinjen soluille. Hermotukisoluissa AMPAR:ät osallistuvat mm. astrosyyttien glutamaatin välityksen säätelyyn, solun sisäisten kalsiumpitoisuuserojen luomiseen, hermotukisolujen muotoutuvuuteen ja solun ulkoisten ionikoostumuksien säätelyyn.^[13]

GluA1:n poisto poistogeenisillä (knockout) hiirillä johtaa niiden työmuistin ja oppimiskyvyn heikkenemiseen, muttei vaikuta niiden elinikään. GLuA2:n poisto aiheuttaa homotsygooteilla hiirillä mm. vajaakasvuisuutta, fyysistä heikkoutta, koordinaatiokyvyn heikkoutta ja varhaisen kuoleman. GluA3:ien poiston vaikutukset ovat vähäiset. GluA2:ien Q/R-muutoskyvyn poistavat mutaatiot aiheuttavat hiirillä epilepsiaa ja kuoleman alle 3:ssa viikossa.^[14]

Ligandit

Kilpailevia agonisteja (vaikutuskohteet suluissa):

• (S)-5-Fluorowillardiini (AMPAR/KAR)^[8]
• (S)-AMPA (AMPAR/KAR)^[15]
• Domoiinihappo (AMPAR/KAR)^[16]
• L-glutamiinihappo (AMPAR/KAR/NMDAR)^[8]
• Kaiinihappo (AMPAR/KAR)^[8]
• L-Kviskuaalihappo (AMPAR/KAR)^[15]

Kilpailevia antagonisteja (vaikutuskohteet suluissa):

• CNQX (AMPAR/KAR/NMDAR:n glysiiniä sitova alue)^[17]
• DNQX (AMPAR/KAR/NMDAR:n glysiiniä sitova alue)^[17]
• NBQX (AMPAR/KAR)^[17]

Ei-kilpailevia antagonisteja (vaikutuskohteet suluissa):

• Argiotoksiinit (salpaavat monia polyamiinien säätelemiä reseptoreja: AMPAR/KAR/α7-nACh ym., salpaavat vain AMPAR:iä, joissa ei ole GluA2:ia)^[18]
• Filantotoksiini (salpaa monia polyamiinien säätelemiä reseptoreja: AMPAR/KAR/α7-nACh ym., salpaa vain AMPAR:iä, joissa ei ole GluA2:ia)^[15][19]
• GYKI53655 (AMPAR/KAR)^[20]
• Jorotoksiini (salpaa monia polyamiinien säätelemiä reseptoreja: AMPAR/KAR/α7-nACh ym., salpaa vain AMPAR:iä, joissa ei ole GluA2:ia)^[15]
• SYM2206 (AMPAR)^[15]

Positiivisia allosteerisia säätelijöitä ovat ampakiinit.

Lähteet

• RW Gereau, GT Swanson: The glutamate receptors. Humana Press, 2008. LCCN: 2007941658 ISBN 9781588297921

Viitteet

1. Gereau, s. 1–5
2. Gereau, s. 9–13
3. Gereau, s. 159
4. JC Watkins, DE Jane: The glutamate story. British Journal of Pharmacology, tammikuu 2006, 147. vsk, nro Suppl 1, s. S100–S108. PubMed:16402093 doi:10.1038/sj.bjp.0706444 ISSN 0007-1188 Artikkelin verkkoversio.
5. H Shinozaki, I Shibuya: A new potent excitant, quisqualic acid: effects on crayfish neuromuscular junction. Neuropharmacology, heinäkuu 1974, 13. vsk, nro 7, s. 665–672. PubMed:4437737 doi:10.1016/0028-3908(74)90056-2 ISSN 0028-3908 Artikkelin verkkoversio.
6. T Nishikawa et al: Modulation of extracellular d-serine content by calcium permeable AMPA receptors in rat medial prefrontal cortex as revealed by in vivo microdialysis. International Journal of Neuropsychopharmacology, 1.7.2013, 22. vsk, nro 6, s. 1395–1406. doi:10.1017/S1461145712001484 ISSN 1461-1457 Artikkelin verkkoversio.
7. T Honoré et al: Glutamate and aspartate agonists structurally related to ibotenic acid. Molecular and Cellular Biochemistry, 11.8.1981, 38. vsk, nro Pt 1, s. 123–128. PubMed:6270543 doi:10.1007/bf00235691 ISSN 0300-8177 Artikkelin verkkoversio.
8. SF Traynelis et al: Glutamate Receptor Ion Channels: Structure, Regulation, and Function. Pharmacological Reviews, syyskuu 2010, 62. vsk, nro 3, s. 405–496. PubMed:20716669 doi:10.1124/pr.109.002451 ISSN 0031-6997 Artikkelin verkkoversio.
9. Gereau, s. 7–9
10. Gereau, s. 5–8
11. S Pachernegg et al: GluA2 is rapidly edited at the Q/R site during neural differentiation in vitro. Frontiers in Cellular Neuroscience, 5.3.2015, 9. vsk, nro 69. PubMed:25798088 doi:10.3389/fncel.2015.00069 ISSN 1662-5102 Artikkelin verkkoversio.
12. Gereau, s. 19–22
13. Gereau, s. 12–14
14. Gereau, s. 25–27
15. Gereau, s. 22–23
16. LG Costa et al: Domoic acid as a developmental neurotoxin. Neurotoxicology, syyskuu 2010, 31. vsk, nro 5, s. 409–423. PubMed:20471419 doi:10.1016/j.neuro.2010.05.003 ISSN 0161-813X Artikkelin verkkoversio.
17. AM Larsen, L Bunch: Medicinal Chemistry of Competitive Kainate Receptor Antagonists. ACS Chemical Neuroscience, 10.12.2010, 2. vsk, nro 2, s. 60–74. PubMed:22778857 doi:10.1021/cn1001039 ISSN 1948-7193 Artikkelin verkkoversio.
18. O Meucci et al: Developmental Regulation of the Toxin Sensitivity of Ca2+ -Permeable AMPA Receptors in Cortical Glia. The Journal of neuroscience, 15.1.1996, 16. vsk, nro 2, s. 519–530. PubMed:8551336 doi:10.1016/0736-5748(96)80260-7 ISSN 0270-6474 Artikkelin verkkoversio.
19. CJ McBain: The Role of the GluR2 Subunit in AMPA Receptor Function and Synaptic Plasticity. Neuron, 21.6.2007, 54. vsk, nro 6, s. 859–871. PubMed:17582328 doi:10.1016/j.neuron.2007.06.001 ISSN 0896-6273 Artikkelin verkkoversio.
20. AV Paternain et al: Selective antagonism of AMPA receptors unmasks kainate receptor-mediated responses in hippocampal neurons. Neuron, tammikuu 1995, 14. vsk, nro 1, s. 185–189. PubMed:7826635 doi:10.1016/0896-6273(95)90253-8 ISSN 0896-6273 Artikkelin verkkoversio.