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, ja delta-reseptorit.

Ampakiinit ovat AMPAR:ien toimintaa tehostavia positiivisia allosteerisia säätelijöitä.

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, ja sen hermostovaikutukset havaittiin ensi kerran 1974. 1980-luvulla reseptorit nimettiin jälleen happoakin valikoivamman AMPA:n mukaan, jonka aktiivinen enantiomeeri on (S)-AMPA. Aine kehitettiin rasemaattina ensi kerran 1981 iboteenihaposta. AMPA:n lyhenne tulee sen englanninkielisestä nimestä: α-Amino-3-hydroxy-5-Methyl-4-isoxazolePropionic Acid – 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):
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.

Kukin AMPAR:än muodostava alayksikkö jaetaan 4:ään osaan:
Solun ulkoinen aminoterminaalidomeeni eli ATD (eng. amino terminal domain). Simpukkamainen LBD jaetaan vielä R1- ja R2-puolikkaisiin.
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.
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.
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.

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.

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.

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. 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.

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. G-alayksikköiset AMPAR:ät turtuvat ärsykkeille herkemmin, mutta myös palaavat nopeammin ärsykeherkiksi.

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. 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.

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.

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. Kanavat läpäisevät muitakin yksiarvoisia kationeja. Esim. GluA1:n läpäisyherkkyys on K+ ≈ Rb+ > Cs+ > Na+ ≈ Li+.

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. pH-arvon kasvu vähentää AMPAR:ien ärsykeherkkyyttä – vaikutus on suurin flop-GluA1-yksiköiden kohdalla.

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).

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.

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.

Ligandit
Kilpailevia agonisteja (vaikutuskohteet suluissa):
(S)-5-Fluorowillardiini (AMPAR/KAR)
(S)-AMPA (AMPAR/KAR)
Domoiinihappo (AMPAR/KAR)
L-glutamiinihappo (AMPAR/KAR/NMDAR)
Kaiinihappo (AMPAR/KAR)
L-Kviskuaalihappo (AMPAR/KAR)

Kilpailevia antagonisteja (vaikutuskohteet suluissa):
CNQX (AMPAR/KAR/NMDAR:n glysiiniä sitova alue)
DNQX (AMPAR/KAR/NMDAR:n glysiiniä sitova alue)
NBQX (AMPAR/KAR)

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)
Filantotoksiini (salpaa monia polyamiinien säätelemiä reseptoreja: AMPAR/KAR/α7-nACh ym., salpaa vain AMPAR:iä, joissa ei ole GluA2:ia)
GYKI53655 (AMPAR/KAR)
Jorotoksiini (salpaa monia polyamiinien säätelemiä reseptoreja: AMPAR/KAR/α7-nACh ym., salpaa vain AMPAR:iä, joissa ei ole GluA2:ia)
SYM2206 (AMPAR)

Positiivisia allosteerisia säätelijöitä ovat ampakiinit.

Lähteet

Viitteet

Reseptorit