Receptor AMPA - AMPA receptor
El receptor del ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónico (también conocido como receptor AMPA , AMPAR o receptor quiscualato ) es un receptor transmembrana ionotrópico para glutamato ( iGluR ) que media la transmisión sináptica rápida en el sistema nervioso central. sistema (SNC). Tradicionalmente se ha clasificado como un receptor de tipo no NMDA , junto con el receptor de kainato . Su nombre se deriva de su capacidad para ser activado por el análogo de glutamato artificial AMPA . El receptor fue nombrado por primera vez "receptor de quiscualato" por Watkins y sus colegas después de un quiscualato agonista natural y solo más tarde se le dio la etiqueta "receptor de AMPA" después del agonista selectivo desarrollado por Tage Honore y sus colegas en la Royal Danish School of Pharmacy en Copenhague. . El núcleo de unión al ligando del receptor AMPA codificado por GRIA2 (GluA2 LBD) fue el primer dominio del canal iónico del receptor de glutamato en cristalizarse .
Estructura y función
Composición de subunidades
Los AMPAR se componen de cuatro tipos de subunidades codificadas por diferentes genes, designados como GRIA1 (también llamado GluA1 o GluR1), GRIA2 (también llamado GluA2 o GluR2), GRIA3 (también llamado GluA3 o GluR3) y GRIA4 (también llamado GluA4 o GluRA -D2), que se combinan para formar tetrámeros . La mayoría de los AMPAR son heterotetraméricos y consisten en un "dímero de dímeros" simétrico de GluA2 y GluA1, GluA3 o GluA4. La dimerización comienza en el retículo endoplásmico con la interacción de los dominios LIVBP N-terminales, luego se "cierra" a través del dominio de unión al ligando en el poro del ión transmembrana.
La conformación de la subunidad proteica en la membrana plasmática causó controversia durante algún tiempo. Si bien la secuencia de aminoácidos de la subunidad indicó que parecía haber cuatro dominios transmembrana (partes de la proteína que pasan a través de la membrana plasmática), las proteínas que interactúan con la subunidad indicaron que el extremo N parecía ser extracelular, mientras que el C- terminal parecía ser intracelular. Sin embargo, si cada uno de los cuatro dominios transmembrana fueron todo el camino a través de la membrana plasmática, a continuación, los dos extremos terminales tendrían que estar en el mismo lado de la membrana. Finalmente se descubrió que el segundo dominio "transmembrana" no cruza la membrana en absoluto, sino que se retuerce sobre sí mismo dentro de la membrana y regresa al lado intracelular. Cuando las cuatro subunidades del tetrámero se juntan, este segundo dominio membranoso forma el poro permeable a los iones del receptor.
Las subunidades AMPAR difieren más en su secuencia C-terminal, que determina sus interacciones con proteínas de andamiaje. Todos los AMPAR contienen dominios de unión a PDZ, pero difiere a qué dominio de PDZ se unen. Por ejemplo, GluA1 se une a SAP97 a través del dominio PDZ de clase I de SAP97, mientras que GluA2 se une a PICK1 y GRIP / ABP . Es de destacar que los AMPAR no pueden unirse directamente a la proteína sináptica común PSD-95 debido a dominios PDZ incompatibles, aunque interactúan con PSD-95 a través de stargazin (el miembro prototípico de la familia TARP de subunidades auxiliares AMPAR).
La fosforilación de AMPAR puede regular la localización del canal, la conductancia y la probabilidad de apertura. GluA1 tiene cuatro sitios de fosforilación conocidos en la serina 818 (S818), S831, treonina 840 y S845 (otras subunidades tienen sitios de fosforilación similares, pero GluR1 ha sido el más estudiado). S818 está fosforilado por la proteína quinasa C y es necesario para la potenciación a largo plazo (LTP; para el papel de GluA1 en LTP, véase más adelante). S831 es fosforilado por CaMKII y PKC durante la LTP, lo que ayuda a administrar AMPAR que contiene GluA1 a la sinapsis y aumenta su conductancia de canal único. El sitio T840 se descubrió más recientemente y ha estado implicado en LTD. Finalmente, S845 es fosforilado por PKA que regula su probabilidad abierta.
Función de canal de iones
Cada AMPAR tiene cuatro sitios a los que puede unirse un agonista (como el glutamato), uno para cada subunidad. Se cree que el sitio de unión está formado por la cola N-terminal y el bucle extracelular entre los dominios transmembrana tres y cuatro. Cuando un agonista se une, estos dos bucles se mueven uno hacia el otro, abriendo el poro. El canal se abre cuando dos sitios están ocupados y aumenta su corriente a medida que se ocupan más sitios de unión. Una vez abierto, el canal puede sufrir una rápida desensibilización, deteniendo la corriente. Se cree que el mecanismo de desensibilización se debe a un pequeño cambio en el ángulo de una de las partes del sitio de unión, que cierra el poro. Los AMPAR se abren y cierran rápidamente (1 ms) y, por lo tanto, son responsables de la mayor parte de la transmisión sináptica excitadora rápida en el sistema nervioso central. La permeabilidad del AMPAR al calcio y otros cationes , como el sodio y el potasio , se rige por la subunidad GluA2. Si un AMPAR carece de una subunidad GluA2, será permeable al sodio, potasio y calcio. La presencia de una subunidad GluA2 casi siempre hará que el canal sea impermeable al calcio. Esto se determina por post- transcripcional modificación - RNA de edición - de la Q -a-- R sitio de edición de la GluA2 mRNA . Aquí, la edición A → I altera el aminoácido no cargado glutamina (Q) a la arginina cargada positivamente (R) en el canal iónico del receptor. El aminoácido cargado positivamente en el punto crítico hace que sea energéticamente desfavorable para que el calcio ingrese a la célula a través del poro. Casi todas las subunidades de GluA2 en el SNC se editan en la forma GluA2 (R). Esto significa que los principales iones activados por los AMPAR son sodio y potasio, lo que distingue los AMPAR de los receptores NMDA (los otros receptores ionotrópicos principales de glutamato en el cerebro), que también permiten la entrada de calcio. Sin embargo, tanto los receptores AMPA como los NMDA tienen un potencial de equilibrio cercano a 0 mV. Se propone la prevención de la entrada de calcio en la célula mediante la activación de AMPAR que contienen GluA2 para proteger contra la excitotoxicidad .
La composición de subunidades del AMPAR también es importante para la forma en que se modula este receptor. Si un AMPAR carece de subunidades GluA2, entonces es susceptible de ser bloqueado de manera dependiente del voltaje por una clase de moléculas llamadas poliaminas . Por lo tanto, cuando la neurona está en un potencial de membrana despolarizado , las poliaminas bloquearán el canal AMPAR con más fuerza, evitando el flujo de iones de potasio a través del poro del canal. Por lo tanto, se dice que los AMPAR que carecen de GluA2 tienen una curva I / V rectificadora hacia adentro , lo que significa que pasan menos corriente hacia afuera que hacia adentro a una distancia equivalente del potencial de inversión. Los AMPAR permeables al calcio se encuentran típicamente temprano durante el desarrollo posnatal, en algunas interneuronas o en las neuronas de dopamina del área tegmental ventral después de la exposición a una droga adictiva.
Junto con la edición de ARN , el empalme alternativo permite una variedad de subunidades funcionales del receptor AMPA más allá de lo que está codificado en el genoma . En otras palabras, aunque un gen ( GRIA1 - GRIA4 ) está codificado para cada subunidad (GluA1-GluA4), el corte y empalme después de la transcripción del ADN permite que algunos exones se traduzcan indistintamente, dando lugar a varias subunidades funcionalmente diferentes de cada gen.
La secuencia flip / flop es uno de esos exones intercambiables. Una secuencia de 38 aminoácidos que se encuentra antes (es decir, antes del extremo N ) del cuarto dominio membranoso en las cuatro subunidades de AMPAR, determina la velocidad de desensibilización del receptor y también la velocidad a la que el receptor se vuelve a sensibilizar y la tasa de cierre del canal. La forma flip está presente en los receptores AMPA prenatales y proporciona una corriente sostenida en respuesta a la activación del glutamato.
Plasticidad sinaptica
Los receptores AMPA (AMPAR) son receptores de glutamato y canales de cationes que son parte integral de la plasticidad y la transmisión sináptica en muchas membranas postsinápticas. Una de las formas de plasticidad más ampliamente investigadas en el sistema nervioso se conoce como potenciación a largo plazo o LTP. Hay dos componentes necesarios de LTP: liberación de glutamato presináptico y despolarización postsináptica. Por lo tanto, la LTP se puede inducir experimentalmente en un registro electrofisiológico emparejado cuando se estimula una célula presináptica para que libere glutamato en una célula postsináptica que está despolarizada. El protocolo de inducción de LTP típico implica una estimulación de "tétanos", que es una estimulación de 100 Hz durante 1 segundo. Cuando se aplica este protocolo a un par de células, se verá un aumento sostenido de la amplitud del potencial postsináptico excitador (EPSP) después del tétanos. Esta respuesta es interesante ya que se cree que es el correlato fisiológico del aprendizaje y la memoria en la célula. De hecho, se ha demostrado que, siguiendo un único paradigma de evitación emparejada en ratones, la LTP se puede registrar en algunas sinapsis del hipocampo in vivo .
La base molecular de la LTP se ha estudiado ampliamente y se ha demostrado que los AMPAR desempeñan un papel integral en el proceso. Tanto GluR1 como GluR2 juegan un papel importante en la plasticidad sináptica. Ahora se sabe que el correlato fisiológico subyacente para el aumento en el tamaño de EPSP es una regulación positiva postsináptica de AMPAR en la membrana, que se logra a través de las interacciones de AMPAR con muchas proteínas celulares.
La explicación más simple para LTP es la siguiente (consulte el artículo sobre potenciación a largo plazo para obtener una descripción mucho más detallada). El glutamato se une a los AMPAR postsinápticos y a otro receptor de glutamato, el receptor NMDA (NMDAR). La unión del ligando hace que los AMPAR se abran y el Na + fluya hacia la célula postsináptica, lo que da como resultado una despolarización. Los NMDAR, por otro lado, no se abren directamente porque sus poros están ocluidos en el potencial de membrana en reposo por iones Mg 2+ . Los NMDAR pueden abrirse solo cuando una despolarización de la activación de AMPAR conduce a la repulsión del catión Mg 2+ hacia el espacio extracelular, lo que permite que el poro pase la corriente. Sin embargo, a diferencia de los AMPAR, los NMDAR son permeables tanto al Na + como al Ca 2+ . El Ca 2+ que ingresa a la célula desencadena la regulación ascendente de AMPAR a la membrana, lo que da como resultado un aumento duradero en el tamaño de EPSP subyacente a la LTP. La entrada de calcio también fosforila CaMKII , que fosforila los AMPAR, aumentando su conductancia monocanal.
Tráfico de receptores AMPA
Respuesta molecular y de señalización a estímulos inductores de LTP
El mecanismo para LTP ha sido un tema de debate durante mucho tiempo, pero, recientemente, los mecanismos han llegado a cierto consenso. Los AMPAR juegan un papel clave en este proceso, ya que uno de los indicadores clave de la inducción de LTP es el aumento en la proporción de AMPAR a NMDAR después de la estimulación de alta frecuencia. La idea es que los AMPAR se trafican desde la dendrita a la sinapsis y se incorporan a través de una serie de cascadas de señalización.
Los AMPAR se regulan inicialmente a nivel transcripcional en sus regiones promotoras 5 '. Existe evidencia significativa que apunta hacia el control transcripcional de los receptores AMPA en la memoria a largo plazo a través de la proteína de unión al elemento de respuesta al cAMP ( CREB ) y las proteínas quinasas activadas por mitógenos (MAPK). Los mensajes se traducen en el retículo endoplásmico rugoso (RE rugoso) y se modifican allí. Las composiciones de subunidades se determinan en el momento de la modificación en el RE aproximado. Después del procesamiento posterior al ER en el aparato de Golgi, los AMPAR se liberan en la membrana perisináptica como reserva a la espera de que se inicie el proceso LTP.
El primer paso clave en el proceso que sigue a la unión del glutamato a los NMDAR es la entrada de calcio a través de los receptores NMDA y la activación resultante de la proteína quinasa dependiente de Ca 2+ / calmodulina (CaMKII). El bloqueo de este influjo o la activación de CaMKII previene la LTP, lo que demuestra que estos son mecanismos necesarios para la LTP. Además, la profusión de CaMKII en una sinapsis causa LTP, lo que demuestra que es un mecanismo causal y suficiente.
CaMKII tiene múltiples modos de activación para provocar la incorporación de receptores AMPA en la membrana perisináptica. La enzima CAMKII es finalmente responsable del desarrollo del citoesqueleto de actina de las células neuronales y, finalmente, del desarrollo de las dendritas y los axones (plasticidad sináptica). El primero es la fosforilación directa de la proteína asociada sináptica 97 ( SAP97 ). Primero, SAP-97 y Myosin-VI, una proteína motora, se unen como un complejo al extremo C-terminal de los AMPAR. Después de la fosforilación por CaMKII, el complejo se mueve hacia la membrana perisináptica. El segundo modo de activación es a través de la vía MAPK. CaMKII activa las proteínas Ras, que continúan activando p42 / 44 MAPK, que impulsa la inserción de AMPAR directamente en la membrana perisináptica.
Tráfico del receptor AMPA al PSD en respuesta a LTP
Una vez que los receptores AMPA se transportan a la región perisináptica a través de la fosforilación PKA o SAP97, los receptores se transportan a la densidad postsináptica (PSD). Sin embargo, este proceso de tráfico hacia el PSD sigue siendo controvertido. Una posibilidad es que, durante la LTP, haya un movimiento lateral de los receptores AMPA desde los sitios perisinpáticos directamente hacia la PSD. Otra posibilidad es que la exocitosis de las vesículas intracelulares sea responsable del tráfico de AMPA hacia la PSD directamente. La evidencia reciente sugiere que ambos procesos ocurren después de un estímulo LTP; sin embargo, solo el movimiento lateral de los receptores AMPA de la región perisináptica aumenta el número de receptores AMPA en la PSD. El mecanismo exacto responsable del movimiento lateral de los receptores AMPA a la PSD queda por descubrir; sin embargo, la investigación ha descubierto varias proteínas esenciales para el tráfico de receptores AMPA. Por ejemplo, la sobreexpresión de SAP97 conduce a un mayor tráfico de receptores AMPA a las sinapsis . Además de influir en la localización sináptica, también se ha encontrado que SAP97 influye en la conductancia del receptor AMPA en respuesta al glutamato . Las proteínas de miosina son proteínas motoras sensibles al calcio que también se han encontrado esenciales para el tráfico del receptor AMPA. La interrupción de la interacción de la miosina Vb con Rab11 y Rab11-FIP2 bloquea el crecimiento de la columna y el tráfico del receptor AMPA. Por tanto, es posible que la miosina pueda impulsar el movimiento lateral de los receptores AMPA en la región perisinpática hacia la PSD. Las proteínas reguladoras del receptor de AMPA transmembrana (TARP) son una familia de proteínas que se asocian con los receptores de AMPA y controlan su tráfico y conductancia. CACNG2 (Stargazin) es una de esas proteínas y se encuentra que se une a los receptores AMPA en las regiones perisinápticas y postsinápticas. El papel de la observación de estrellas en el tráfico entre las regiones perisináptica y postsináptica sigue sin estar claro; sin embargo, la observación de estrellas es esencial para inmovilizar los receptores AMPA en el PSD al interactuar con PSD-95. PSD-95 estabiliza los receptores AMPA a la sinapsis y la interrupción de la interacción stargazin-PSD-95 suprimió la transmisión sináptica.
Tráfico constitutivo y cambios en la composición de subunidades
Los receptores AMPA se trafican continuamente (se endocitosan, reciclan y reinsertan) dentro y fuera de la membrana plasmática . Los endosomas de reciclaje dentro de la columna dendrítica contienen grupos de receptores AMPA para dicha reinserción sináptica. Existen dos vías distintas para el tráfico de receptores AMPA: una vía regulada y una vía constitutiva.
En la vía regulada, los receptores AMPA que contienen GluA1 se transportan a la sinapsis de una manera dependiente de la actividad, estimulados por la activación del receptor NMDA . En condiciones basales, la vía regulada es esencialmente inactiva, y se activa transitoriamente solo tras la inducción de potenciación a largo plazo . Esta vía es responsable del fortalecimiento sináptico y la formación inicial de nuevos recuerdos.
En la vía constitutiva, los receptores AMPA que carecen de GluA1, generalmente receptores heteroméricos GluR2-GluR3, reemplazan a los receptores que contienen GluA1 de una manera independiente de la actividad, uno por uno, preservando el número total de receptores AMPA en la sinapsis. Esta vía es responsable del mantenimiento de nuevos recuerdos, sustentando los cambios transitorios resultantes de la vía regulada. En condiciones basales, esta vía es rutinariamente activa, ya que es necesaria también para la sustitución de receptores dañados.
Las subunidades GluA1 y GluA4 consisten en una cola carboxi (C) larga, mientras que las subunidades GluA2 y GluA3 consisten en una cola carboxi corta. Las dos vías están gobernadas por interacciones entre los extremos C de las subunidades del receptor AMPA y los compuestos y proteínas sinápticos. Las colas C largas evitan que los receptores GluR1 / 4 se inserten directamente en la zona de densidad postsináptica (PSDZ) en ausencia de actividad, mientras que las colas C cortas de los receptores GluA2 / 3 permiten que se inserten directamente en la PSDZ. El terminal GluA2 C interactúa y se une a la proteína de fusión sensible a N-etilmaleimida , lo que permite la rápida inserción de receptores AMPA que contienen GluR2 en la sinapsis. Además, las subunidades GluR2 / 3 están unidas de forma más estable a la sinapsis que las subunidades GluR1.
Endocitosis de receptores AMPA inducida por LTD
La depresión a largo plazo promulga mecanismos para disminuir la densidad del receptor de AMPA en espinas dendríticas seleccionadas, dependientes de clatrina y calcineurina y distintas del tráfico constitutivo de AMPAR. La señal de inicio de la endocitosis de AMPAR es un influjo de calcio dependiente de NMDAR procedente de la estimulación de baja frecuencia, que a su vez activa las proteínas fosfatasas PP1 y la calcineurina. Sin embargo, la endocitosis de AMPAR también se ha activado por los canales de calcio dependientes de voltaje , el agonismo de los receptores de AMPA y la administración de insulina , lo que sugiere que la entrada general de calcio es la causa de la endocitosis de AMPAR. El bloqueo de PP1 no previno la endocitosis de AMPAR, pero la aplicación de antagonistas a la calcineurina condujo a una inhibición significativa de este proceso.
La calcineurina interactúa con un complejo endocitótico en la zona postsináptica, lo que explica sus efectos sobre la LTD. El complejo, que consiste en un pozo recubierto de clatrina debajo de una sección de membrana plasmática que contiene AMPAR y proteínas que interactúan, es el mecanismo directo para la reducción de AMPAR, en particular los receptores que contienen subunidades GluR2 / GluR3, en la sinapsis. Las interacciones de la calcineurina activan la actividad de la dinamina GTPasa, lo que permite que el pozo de clatrina se separe de la membrana celular y se convierta en una vesícula citoplasmática. Una vez que se desprende la capa de clatrina, otras proteínas pueden interactuar directamente con los AMPAR utilizando dominios de cola carboxilo PDZ ; por ejemplo, la proteína 1 que interactúa con el receptor de glutamato ( GRIP1 ) se ha implicado en el secuestro intracelular de AMPAR. Los AMPAR intracelulares se clasifican posteriormente para su degradación por lisosomas o su reciclaje a la membrana celular. Para este último, PICK1 y PKC pueden desplazar GRIP1 para devolver AMPAR a la superficie, revirtiendo los efectos de la endocitosis y LTD. cuando sea apropiado. Sin embargo, el mecanismo mediado por dinamina dependiente de calcio destacado anteriormente se ha implicado como un componente clave de LTD. y, como tal, puede tener aplicaciones para una mayor investigación del comportamiento.
Papel en las convulsiones
Los receptores AMPA juegan un papel clave en la generación y propagación de ataques epilépticos. El ácido kínico , un convulsivo que se usa ampliamente en la investigación de la epilepsia, induce convulsiones, en parte, a través de la activación de los receptores AMPA.
Objetivo molecular para el tratamiento de la epilepsia
Se ha demostrado que los antagonistas no competitivos del receptor de AMPA talampanel y perampanel tienen actividad en el tratamiento de adultos con convulsiones parciales, lo que indica que los antagonistas de los receptores de AMPA representan un objetivo potencial para el tratamiento de la epilepsia. Perampanel (nombre comercial: Fycompa) recibió la aprobación de la autorización de comercialización de la Comisión Europea para el tratamiento de la epilepsia parcial el 27 de julio de 2012. El fármaco fue aprobado en los Estados Unidos por la Administración de Alimentos y Medicamentos (FDA) el 22 de octubre de 2012. Como ha sido el caso de los FAE desarrollados más recientemente, que incluyen pregabalina , lacosamida y ezogabina , la FDA recomendó que el perampanel sea clasificado por la Administración de Control de Drogas (DEA) como un fármaco programado. Ha sido designada como sustancia controlada de la Lista 3.
El ácido decanoico actúa como un antagonista del receptor de AMPA no competitivo a concentraciones terapéuticamente relevantes, de una manera dependiente del voltaje y de la subunidad, y esto es suficiente para explicar sus efectos anticonvulsivos. Esta inhibición directa de la neurotransmisión excitadora por el ácido decanoico en el cerebro contribuye al efecto anticonvulsivo de la dieta cetogénica de triglicéridos de cadena media . El ácido decanoico y el fármaco antagonista del receptor de AMPA perampanel actúan en sitios separados en el receptor de AMPA, por lo que es posible que tengan un efecto cooperativo en el receptor de AMPA, lo que sugiere que el perampanel y la dieta cetogénica podrían ser sinérgicas.
La investigación preclínica sugiere que varios derivados de aminoácidos aromáticos con propiedades antiglutamatérgicas, incluido el antagonismo del receptor de AMPA y la inhibición de la liberación de glutamato, como la 3,5-dibromo-D-tirosina y la 3,5-dibromo-L-fenilalnina, exhiben un fuerte efecto anticonvulsivo en modelos animales. sugiriendo el uso de estos compuestos como una nueva clase de fármacos antiepilépticos.
Agonistas
- 5-Fluorowillardiine : una modificación sintética de willardiine
- AMPA : un agonista sintético que da nombre al receptor.
- Ácido domoico : un agonista natural que causa intoxicación amnésica por mariscos.
- Ácido glutámico (glutamato): el agonista endógeno
- Ácido iboténico : un agonista natural que se encuentra en Amanita muscaria.
- Ácido quiscálico : un agonista natural que se encuentra en ciertas especies.
- Willardiine : un agonista de origen natural
Moduladores alostéricos positivos
- Aniracetam
- Ciclotiazida
- CX-516
- CX-546
- CX-614
- CX-717
- Farampator (CX-691, ORG-24448)
- IDRA-21
- LY-404187
- LY-503430
- Mibampator (LY-451395)
- ORG-26576
- Oxiracetam
- PEPA
- PF-04958242
- Piracetam
- Pramiracetam
- Tulrampator (S-47445, CX-1632)
Antagonistas
- Becampanel
- CNQX
- Dasolampanel
- DNQX
- Fanapanel (MPQX)
- Kaitocefalina
- Ácido quinurénico - ligando endógeno
- L-teanina
- NBQX
- 3,5-dibromo-L-fenilalanina, un derivado halogenado natural de la L-fenilalanina
- Selurampanel
- Tezampanel
- Zonampanel
Moduladores alostéricos negativos
- Barbitúricos (p. Ej., Pentobarbital , tiopental sódico ): no selectivos
- Etanol - no selectivo
- Anestésicos inhalados (p. Ej., Ciclopropano , enflurano , halotano , isoflurano , sevoflurano ): no selectivos
- GYKI-52466
- Irampanel
- Perampanel
- Talampanel
- PEP1-TGL: análogo del péptido C-terminal de la subunidad GluA1 que inhibe la incorporación del receptor AMPA a la densidad postsináptica