Glycinový receptor je jedním z nejhojnějších inhibičních receptorů v centrálním nervovém systému , kvartérní receptorový protein nacházející se na postsynaptické membráně mnoha neuronů , jehož ligandem je glycin . Glycinový receptor hraje důležitou roli v inhibičním přenosu signálu do CNS .
Glycin , jedna z 20 esenciálních aminokyselin , se používá v nervovém systému savců jako inhibiční neurotransmiter . Jeho funkcí je aktivovat strychnin -senzitivní glycinový receptor ( GlyR ) umístěný na postsynaptické membráně. GlyR je členem superrodiny nikotinových acetylcholinových receptorů . Všechny receptory v této skupině jsou iontové kanály , obvykle sestávající z 5 podjednotek. Při vazbě na ligand začnou ionty procházet kanálem v závislosti na typu receptoru a membránovém gradientu, čímž se mění membránový potenciál. Po navázání na glycin zvyšuje GlyR hladinu chloridových iontů v cílové buňce, čímž dochází k hyperpolarizaci membrány. Vazbě glycinu na GlyR brání strychnin, konvulzivní alkaloid . Hladina glycinu v nervové tkáni a následně prevalence GlyR je nejvyšší v prodloužené míše, pons a míše. Například s pomocí glycinu interneurony míchy ovládají extenzorový sval během reflexu bolesti a způsobují jeho relaxaci. Existují také extrasynaptické GlyR, které plní řadu dalších funkcí.
Díky své schopnosti vázat se silně na strychnin byl GlyR prvním neurotransmiterovým receptorovým proteinem, který byl izolován z CNS savců . Je to protein s kvartérní strukturou, skládající se z 5 podjednotek dvou typů, α a β (původně byl poměr 3α:2β, ale poté byl upraven na 2α:3β). Jsou homologní (podobné aminokyselinové sekvenci) navzájem a v menší míře s podjednotkami jiných ionotropních kanálů. Podjednotky jsou navzájem propojeny disulfidovými můstky , které tvoří dlouhou molekulu, která několikrát prochází buněčnou membránou. Každá podjednotka GlyR se skládá z velké globulární extracelulární domény (ECD) umístěné v synaptické štěrbině, což je N-konec proteinu, 4 transmembránové části, intracelulární smyčka a krátký extracelulární C-konec. Mezi podjednotkami (uvnitř jedné z transmembránových částí) je iontový kanál, který má selektivní permeabilitu vůči aniontům - iontům Cl¯, Br¯, I¯ a někdy i bikarbonátu (v buňce je to především Cl¯)
Byly nalezeny 4 geny kódující různé a-podjednotky. Další rozdíly ve struktuře vznikají z alternativního sestřihu exonů kódujících části N-konce a intracelulární smyčky. Většina polypeptidových řetězců je kódována v několika oblastech genu, takzvaných exonech. Exony mohou tvořit různé kombinace, což vede k vytvoření mRNA pro více izoforem podjednotek. Při transkripci se určí, které části mRNA budou použity pro translaci. Část exonů je vyříznuta a zbývající části mRNA jsou spojeny. Byl také zaznamenán případ úpravy mRNA jedné z podjednotek. Sekvence různých α-podjednotek se shoduje z více než 80 %. Předpokládá se, že jsou to jejich odlišné části, které jsou zodpovědné za vazbu GlyR na glycin a strychnin. Dosud byl u savců nalezen pouze 1 gen kódující β-podjednotky. Jejich funkcí je fixovat GlyR v membráně díky jejich hydrofobní části. Modifikace β-podjednotek (v normálním rozmezí) neovlivňuje aktivaci GlyR a její odpověď. Mechanismy odpovědné za fixaci receptoru v membráně a jeho post-translační modifikace jsou špatně pochopeny. Předpokládá se, že připojení uhlovodíků k N-konci podjednotek je nezbytné pro sestavení receptoru a jeho začlenění do membrány.
Protože sekvence receptorových podjednotek jsou homologní ve všech receptorech patřících do skupiny 1 ligandem řízených iontových kanálů, mají zjevně společnou strukturní organizaci. Na základě toho lze stanovit, že glycin se váže na ECD receptoru mezi (+)- a (-)-hranicemi sousedních podjednotek a váže se na místa na obou. Nedávné studie ukázaly, že jak α-, tak β-podjednotky hrají roli ve spojení s glycinem a místa na jejich (-)-koncích se vážou na karboxylovou skupinu glycinu a na (+)-koncích - na aminoskupina. Heteromerní (skládající se z α- i β-podjednotek) receptory mají několik typů hranic (rozhraní) - βα, αβ a ββ a mají různou schopnost vázat se na glycin a strychnin. Protože alkaloid má podobný, ale ne identický vazebný vzor jako GlyR, preferuje rozhraní βα, zatímco glycin se také váže na rozhraní αβ. Neexistují žádné spolehlivé informace o rozhraní ββ.
Protože vzdálenost mezi místy vazby GlyR k ligandu a tou jeho částí, kde se nachází iontový kanál, je malá, změny v konformaci proteinu po navázání na glycin by měly ovlivnit otevření kanálu. Přesný mechanismus toho není znám, ačkoli EAP homologních receptorů je dobře znám. Existují však návrhy, že změny v konformaci molekuly vedou k interakci ECD rozhraní a smyček spojujících transmembránové oblasti, díky čemuž se kanál otevře. Poté ionty Cl vstoupí do buňky, membrána se hyperpolarizuje a je zapotřebí více signálů z excitačního neuronu, aby měl neuron impuls.
Obrovskou roli ve vyšší nervové aktivitě hrají změny účinnosti synapse v závislosti na aktivitě buňky. Například po sérii častých signálů z presynaptické buňky se hladina Ca 2+ v cílové buňce zvyšuje a zřejmě kvůli tomu se zvyšuje počet GlyR umístěných v membráně. To umožňuje zvýšit inhibici buňky. Množství GlyR v membráně závisí na jejich exocytóze - inkorporaci do membrány, ukotvení tam pomocí proteinu hyferinu a endocytóze do endozomů . Jsou za to zodpovědné části proteinu umístěné v cytoplazmě . Receptory na postsynaptické membráně nejsou nehybné, ale jsou v jakési dynamické rovnováze, která jim umožňuje snadnější návrat do cytoplazmy.
Exprese genů α-podjednotky GlyR závisí na umístění neuronu a liší se také v různých obdobích vývoje. Například α1 mRNA a protein se nacházejí u dospělých v míše, mozku a buňkách tyčinek, zatímco hladiny α2 jsou nejvyšší při narození a u dospělých se α2 nachází pouze v malých množstvích v hippocampu, mozkové kůře a thalamu. . β-podjednotky jsou široce distribuovány v CNS savců před i po narození. Glycin v CNS dospělých je primárně inhibiční neurotransmiter, zatímco u embryí je excitační. To je možné díky skutečnosti, že u embryí je koncentrace Cl¯ v buňce vyšší než ve vnějším prostředí, a proto GlyR způsobuje depolarizaci membrány při otevření kanálu. Tato excitační funkce GlyR je důležitá pro genezi synapsí. V prvních fázích po porodu se vlivem činnosti K+/Cl¯-transportéru koncentrace Cl¯ v buňce snižuje a GlyR již plní hyperpolarizační funkci.
Kromě glycinu hraje inhibiční roli ve vztahu k neuronům také aminokyselina taurin . Je vylučován extrasynapticky kortikálními buňkami během embryogeneze a bylo prokázáno, že ovlivňuje jeho vývoj prostřednictvím extrasynaptických GlyR obsahujících a2 podjednotky. Ukázalo se, že s jejich pomocí taurin reguluje počet tyčinek ve vyvíjející se sítnici . Přestože většina nervových buněk spolu komunikuje prostřednictvím synapsí, existují, jako v tomto případě, extrasynaptické receptory. Jejich cílem je zřejmě vnímání relativně slabého, necíleného signálu v situaci, kdy je neurotransmiter uvolňován nevezikulárně a/nebo během difúze neurotransmiteru ze sousedních synapsí . Je tedy možné, že přítomnost GlyR, sestávajícího z a2 podjednotek, v thalamu a hippocampu může být nezbytná pro slabou (tonickou) inhibici neuronů taurinem.
I když jsou obecně rozdíly mezi izoformami GlyR malé, hrají v těle savců různé role, jak ukázaly studie sítnice . Glycinové synapse hrají důležitou roli ve vnímání světla sítnicí. GlyR z různých α-podjednotek (α1, α2, α3) jsou přítomny v různých buňkách sítnice, a přestože se mohou vyskytovat ve stejné vrstvě, bylo prokázáno, že pravděpodobnost jejich přítomnosti ve stejné synapsi je menší než 10 %. Takže v jedné synapsi je 1 typ GlyR a zjevně plní různé funkce v sítnici.
Fyziologické příznaky otravy strychninem jsou neustálá excitace motorických neuronů , senzorických neuronů a celkový pocit bolesti . V dorzálním rohu míchy tvoří senzorické neurony synapse s interneurony, primárním centrem zpracování bolesti, kde síť inhibičních neuronů reguluje přenos signálu dále do mozku. Takže strychnin, blokující GlyR, výrazně zvyšuje bolest. Stimulace GlyR může zmírnit bolest, a to je téma pro další výzkum v oblasti zvládání bolesti a anestezie.
Navzdory skutečnosti, že různé GlyR jsou součástí různých systémů a plní různé funkce, je stále obtížné stanovit fyziologické důsledky různých vzorců jejich distribuce kvůli nedostatku specifických antagonistů (látek, které blokují receptor). Některé ovlivňují jeden podtyp více než jiný, ale nejsou vůbec specifické.
Nedávno bylo zjištěno, že existují překryvy mezi určitými oblastmi podjednotek GlyR a oblastmi kanabinoidních receptorů interagujících s ligandem. Některé typy kanabinoidů skutečně inhibují synaptické proudy indukované glycinem ve vysokých koncentracích. Zajímavé je, že při nízké koncentraci glycinu kanabinoidy naopak proud zvyšují. Možná se v budoucnu budou kanabinoidy používat jako anestetikum (nyní se používají ve spojení s kanabinoidními receptory).
Možnost anestezie díky zesílení proudů vytvářených GlyR je důležitým cílem moderní medicíny. Existuje několik anestetik, která působí na tento receptor, a přestože jejich přesný mechanismus účinku není jasný, předpokládá se, že se vážou na dvě sousední transmembránové skupiny. Mohou být také ovlivněni alkoholem .
Vlastnosti struktury a fungování GlyR objevené v posledních letech umožnily dosáhnout významného pokroku v léčbě onemocnění s ním spojených. Například byl proveden experiment na myších nesoucích genovou mutaci v jedné z podjednotek GlyR, která způsobuje hyperexplexii . Příznaky tohoto onemocnění jsou neustálé chvění těla a zvýšená reflexní reakce na vnější podněty (zvuk, dotyk atd.). Lze je odstranit ošetřením malou dávkou pozitivního modulátoru propofolu, který lze zřejmě použít i k léčbě lidí trpících hyperekplexií.
Možnost zesílení odpovědi GlyR byla dále posílena po studiu vlivu kationtu Zn2 + na něj . Malé koncentrace způsobují zvýšení proudu Cl, zatímco vysoké koncentrace vytvářejí konkurenční inhibici. Vzhledem k tomu, že se Zn 2+ již v některých synapsích používá jako zesilovač signálu uvolňovaný spolu s neurotransmiterem, je důležité prozkoumat možnosti jeho aplikace v medicíně. Je zajímavé, že z celé rodiny ionotropních receptorů je GlyR jediný, který nemá metabotropní analog. Přes nedostatek vazby GlyR a G proteinu může být receptor modulován βγ podjednotkou G proteinu. Tím se zvýší iontový proud tímto kanálem a doba, po kterou je iontový kanál otevřený. Tato skutečnost může být také dále využita pro posílení GlyR odezvy na signál.
Jak již bylo zmíněno, strychnin v dávce menší než smrtelné způsobuje problémy s pohybem, svalový třes, stimulaci smyslů včetně receptorů bolesti, zrakové a sluchové halucinace a ve velkých dávkách - silné křeče. Mutace v genech polypeptidových řetězců také vedou k dysmotilitě a nadměrné reakci na nový signál (hyperoplexii). Kromě toho mohou být se zhoršenou funkcí GlyR spojeny patologie, jako je autismus , virem indukovaná demence (demence) a epilepsie .
GlyR je důležitý receptor zapojený do různých částí CNS savců, který má mnoho znaků ze skupiny ionotropních receptorů, do které patří, a zároveň své specifické rozdíly ve struktuře a funkcích. Ačkoli jeho izoformy nejsou tak rozmanité jako u jiných inhibičních receptorů, rozdíly ve struktuře a poloze jeho podtypů jim umožňují vykonávat různé funkce. Přenášejí nejen signál ze senzorických do motorických neuronů, ale podílejí se i na vnímání bolesti, přenosu fotosignálů a vývoji nervového systému. Obecně je k dnešnímu dni dostatečně prozkoumána, ale mnoho zůstává neprozkoumáno. Studium vlastností GlyR je velmi důležité pro fyziologii a medicínu savců. Již se hledají metody, kterými je možné stanovit různé funkce v CNS izoforem GlyR a mechanismy regulace jeho aktivity.