- •Научные консультанты:
- •Сокращения и глоссарий
- •Введение
- •Обзор литературы
- •1.1 Торможение в гиппокампе
- •1.1.1 ГамКергическая синаптическая передача
- •1.1.2 ГамКергические рецепторы
- •1.1.3 Разнообразие форм торможения
- •1.1.4 Механизмы и функциональное значение тонического торможения
- •1.2 Взаимодействие между глутамат и гамКергической системами
- •1.2.1 Гетеросинаптические взаимодействия
- •1.2.2 Критерии гетеросинаптической депрессии
- •1.2.3 Метаботропные рецепторы группы III в гиппокампе
- •1.2.4 Каинатные рецепторы в гиппокампе
- •1.3 Механизмы фокального эпилептогенеза
- •1.3.1 Исследования эпилептогенеза
- •1.3.2 Критерии развития эпилептиформной активности
- •1.3.3 Возбуждающие механизмы в эпилептогенезе
- •1.3.4 Тормозные механизмы в эпилептогенезе
- •1.4 Постановка цели и задач исследования
- •2. Материалы и методы
- •2.1 Срезы гиппокампа
- •2.1.1 Приготовление и растворы
- •2.1.2 Рабочая установка для поддержания срезов и манипуляторы
- •2.1.3 Идентификация клеток с помощью световой микроскопии
- •2.2 Регистрация и анализ полевых потенциалов
- •2.3 Записи и анализ токов (потенциалов) в режиме фиксации потенциала (тока) с одиночных нейронов
- •2.3.1 Электроды и внутриклеточные растворы
- •2.3.2 Проведение регистраций и сохранение данных
- •2.3.2 Анализ спонтанных и вызванных ответов в режиме фиксации потенциала
- •2.4 Записи и анализ ответов на ионтофоретические аппликации
- •2.5 Записи и анализ токов с outside-out patch
- •2.5.1 Приготовление outside-out patch
- •2.5.2 Система быстрой аппликации веществ
- •2.5.3 Определение биофизических свойств рецепторов с использованием анализа токов, полученных с outside-out пейчей
- •2.6 Модели эпилептогенеза in vivo
- •2.6.1 Электрический киндлинг
- •2.6.2 Модель аудиогенной судорожной активности. Аудиогенный киндлинг
- •2.7 Использованные вещества
- •2.8 Статистический анализ
- •3 Результаты исследованИй и их обсуждение
- •3.1 Нетипичные фармакологические свойства гамКергических рецепторов в гиппокампальных интернейронах
- •3.1.1 Различная чувствительность ионотропных гамКергических рецепторов к пикротоксину в интернейронах и пирамидных клетках
- •3.1.2 Ионные каналы ионотропных гамКергических рецепторов в интернейронах и пирамидных клетках имеют различную проводимость
- •3.1.3 Ионотропные гамКергические рецепторы как в интернейронах, так и пирамидных клетках чувствительны к агонисту гамкс рецепторов
- •3.1.4 Пентобарбитал по-разному модулирует гамКергические токи, вызываемые аппликацией caca (50 м)
- •3.1.5 Тпст в интернейронах, регистрируемые в присутствии 100 м пикротоксина, обладают повышенной чувствительностью к антагонисту гамкс рецепторов
- •3.1.6 Токи, опосредованные гамКергическими рецепторами, в присутствии 100 м пикротоксина возникают за счет характерной Cl-/hco3- ионой проводимости
- •3.1.7 Эффект аллостерических модуляторов гамка рецепторов на устойчивые к пикротоксину токи, опосредованные гамКергическими рецепторами
- •3.1.8 Сравнение эффективности антагонистов гамка и гамкс рецепторов на устойчивые к пикротоксину токи, опосредованные гамКергическими рецепторами
- •3.1.9 Интернейроны содержат рецепторы, обладающие нетипичными фармакологическими свойствами
- •3.1.10 Нетипичные гамКергические рецепторы и традиционные типы рецепторов (гамка и гамкс)
- •3.1.11 Возможная субъединичная композиция нетипичных гамКергических рецепторов в интернейронах
- •Заключение
- •3.2 Регуляция возбудимости нейронов гиппокампа за счет гамКергического тонического торможения
- •3.2.1 Базовый тонический гамКергический ток специфичен для интернейронов, но не пирамидных клеток
- •3.2.2 Увеличение внеклеточной концентрации гамк ведет к возникновению тонического тока в пирамидных клетках и повышению в интернейронах
- •3.2.3 Температурная зависимость тонического гамКергического тока и фазических спонтанных тпст
- •3.2.4 Возможная роль тонического торможения в эпилептогенезе
- •3.2.5 Заключение
- •3.3 Модуляция гамКергической передачи в гиппокампе метаботропными рецепторами
- •3.3.1 L-ap4 подавляет и тормозные, и возбуждающие синаптические токи в интернейронах
- •Демонстрирующих отсутствие метаботропных рецепторов группы III на терминалях коллатералей Шаффера, оканчивающихся на пирамидных клетках са1.
- •3.3.2 Синаптически высвобождаемый глутамат снижает тпст
- •3.3.3 Глутамат опосредует гетеросинаптическую депрессию тпст
- •3.3.4 Изменения в эффективности обратного захвата глутамата влияет на гетеросинаптическую депрессию
- •3.3.5 Метаботропные рецепторы группы III опосредуют гетеросинаптическую депрессию по двум различным механизмам
- •3.3.6 Метаботропные рецепторы группы III модулируют частоту спонтанных тпст
- •3.3.7 Возможные молекулярные механизмы депрессии тпст при активации mGluR группы III
- •3.3.8 Последствия активации mGluR группы III для общей возбудимости нейрональной сети поля са1
- •3.3.9 Гетеросинаптическая депрессия, опосредованная метаботропными гамкb рецепторами
- •3.3.10 Заключение
- •3.4 Каинатные рецепторы модулируют гамКергическое торможение в гиппокампальных интернейронах
- •3.4.1 Каинат увеличивает частоту и амплитуду спонтанных тпст в интернейронах
- •3.4.2 Каинат увеличивает вероятность генерации антидромных потенциалов действия в интернейронах
- •3.4.3 Каинат вызывает спонтанные аксональные потенциалы действия
- •3.4.4 Спилловер глутамата активирует аксональные каинатные рецепторы
- •3.4.5 Последствия аксональной деполяризации, вызываемой каинатными рецепторами, для гамКергической передачи
- •3.4.6 Каинат усиливает вызванные тпст в интернейронах
- •3.4.7 Каинат приводит к увеличению гамКергического тонического тока
- •3.4.8 Последствия усиления гамКергической передачи в интернейронах, вызываемой каинатными рецепторами, для возбудимости нейрональной сети
- •3.4.9 Заключение
- •3.5 Оказывают ли метаботропные рецепторы группы III и каинатные рецепторы противоположное действие на гамКергическую передачу?
- •3.6 Механизмы развития пачечной активности в гиппокампе
- •3.6.1 Кратковременные увеличения внеклеточной концентрации калия создают долговременное снижение порога развития пачечных разрядов в поле са1 гиппокампа
- •3.6.2 Развитие пачечных разрядов в поле са1 гиппокампа не зависит от активности нейронов поля са3
- •3.6.3 Окклюзия развития пачечных разрядов в поле са1 в ответ на кратковременные увеличения внеклеточной концентрации калия в моделях эпилептогенеза in vivo
- •3.6.4 Является ли пачечная активность в поле са1 гиппокампа эпилептиформной?
- •3.6.5 Способность пирамидных нейронов поля са1 генерировать пачечные разряды сопровождается повышением возбудимости этих клеток
- •3.6.6 Роль nmda рецепторов и l-типа кальциевых каналов в повышение возбудимости пирамидных клеток и генерации пачечных разрядов
- •3.6.7 Заключение
- •Заключение
- •Клеткоспецифичность гамКергического торможения в гиппокампе
- •Клеткоспецифичность модуляции гамКергического торможения в гиппокампе
- •Возбудимость и торможение в эпилептогенезе
- •Эффектов веществ влияющих на гамКергические механизмы, описанные в данной диссертационной работе, представлена втаблице 4.1 (см также Рис. 4.1). Выводы
- •Список рисунков
- •Список литературы
1.1.2 ГамКергические рецепторы
ГАМК действует на две основные группы рецепторов - ионотропные ГАМКА/ГАМКС(Рис.1.1) и метаботропные ГАМКВрецепторы (Bormann 2000a). В настоящее время правомерность деления ионотропных рецепторов на два типа А и С активно дискутируется. В данном обзоре литературы для сохранения объективности рассмотрение типов ГАМКергических рецепторов проводится в алфавитном порядке “ABC”.
Рис. 1.1 Фармакологические характеристики ионотропных ГАМКергических рецепторов
а, Схема ГАМКАрецептора, на которой показаны агонисты: ГАМК, изогувазин; конкурентный антагонист бикукуллин, действующий на сайт связывания агонистов. Показаны сайты аллостерических модуляторов: бензодиазепинов и барбитуратов. Неконкурентный антагонист пикротоксин действует на участок внутри канала ГАМКАрецепторов.б, схема ГАМКСрецептора, на которой показаны агонисты: ГАМК, CACA; конкурентный антагонист TPMPA, действующий на сайт связывания агонистов. Сайты аллостерических модуляторов отсутствуют. Пикротоксин также является неконкурентным антагонистом ГАМКСрецепторов, хотя и менее эффективным, чем ГАМКА.
ГАМКА
ГАМКАрецепторы у млекопитающих состоят из, как минимум, 16 субъединиц, которые сгруппированы в семь классов: α, β, γ, δ, ε, π и σ (Costa 1998; Mehta and Ticku 1999). Комбинации этих субъединиц дают множество изоформ рецепторов. Причем композиция субъединиц определяет специфичность эффектов аллостерических модуляторов ГАМКАрецепторов, таких как нейростероиды, цинк, бензодиазепины и барбитураты (Mehta and Ticku 1999). Композиция субъединиц также определяет кинетику активации рецепторов и может оказывать влияние на их десенситизацию (Bianchi et al. 2001). Интересно, что наличие тех или иных субъединиц в ГАМКергическом рецепторе зависит и от его локализации. Так, например, α2субъединица находится исключительно в сомато-дендритных синапсах, но не в тормозных синапсах на начальном сегменте аксона (Nusser et al. 1996). Наконец, композиция субъединиц ГАМКАрецепторов может меняться в нейронах во время эпилептогенеза и эти изменения отражаются в фармакодинамике лекарственных препаратов (Brooks-Kayal et al. 1998).
Из 16 субъединиц ГАМКАрецепторов только 10 экспрессируются в достаточном количестве гиппокампе (Sperk et al. 1997). Этого вполне хватает, чтобы создать значительную гетерогенность ГАМКергических рецепторов в различных участках данной структуры. Считается, что типичные гиппокампальные рецепторы содержат одну-две α субъединицы и одну-две β. Поскольку рецептор состоит из 5 субъединиц, то в дополнение к ним присоединяются одна-две либо γ, либо δ субъединицы (предполагается, что вместе γ и δ субъединицы не входят в состав одного рецептора). Наличие γ субъединицы влияет на разные параметры ГАМКергического рецептора. В частности, γ субъединица взаимодействует с гефирином, цитоскелетным белком, играющим важную роль в "заякоривании" ГАМКергических рецепторов в синаптической щели (Essrich et al. 1998). ГАМКергические рецепторы, содержащие δ субъединицу, преимущественно располагаются вне синапса. Значение синаптических и внесинаптических рецепторов ГАМК будет обсуждено далее (см. раздел 1.1.4 Механизмы и функциональное значение тонического торможения).
В синаптическом ответе ГАМКАрецепторы определяют быстрый компонент тока. Канал ГАМКАрецептора проницаем для ионов хлора и, в некоторой степени, для бикарбоната. Поэтому эффект активации данных рецепторов будет зависеть от электрохимического градиента для вышеуказанных ионов на постсинаптической мембране (Macdonald and Olsen 1994). В нервной системе взрослых животных внеклеточная концентрация ионов хлора выше внутриклеточной, что приводит к более негативному потенциалу реверсии для хлорного тока, чем потенциал покоя клеток. Таким образом, активация ГАМКАрецепторов приводит к входу ионов Сl-в нейрон и к гиперполяризации клетки. Необходимый градиент ионов хлора поддерживается калий/хлор котранспортером KCC2 (Rivera et al. 1999), который начинает выкачивать Сl-наружу после синаптического события. Отсутствие данного транспортера в незрелых гиппокампальных нейронах определяет относительно высокую внутриклеточную концентрацию ионов хлора, что ведет к более позитивному потенциалу реверсии для этого аниона, чем потенциал покоя клеток. В этом случае, активация ГАМКАрецепторов приводит к деполяризации нейронов (Ben-Ari et al. 1994; Ganguly et al. 2001; Rivera et al. 1999). Однако, и во взрослом мозге, в котором ГАМКАрецепторы являются гиперполяризующими, продолжительная активация ГАМКергических терминалей может привести к длительному деполяризующему потенциалу (Jackson et al. 1999a). Этот потенциал частично опосредуется внеклеточным накоплением калия, высвобожденного при активации KCC2 (Smirnov et al. 1999).
Аллостерические модуляторы ГАМКА рецепторов
В ГАМКАрецепторе (Рис.1.1) существует целый ряд модуляторных сайтов, отличных от сайта связывания агониста. Вещества, воздействующие на данные сайты, повышают или, наоборот, снижают эффективность активации ГАМКАрецепторов агонистом (Johnston 1996). Одним из таких сайтов аллостерических модуляторов является бензодиазепиновый сайт. Этот сайт представляет собой мишень для ряда препаратов, используемых в клинической практике: антиконвульсантов, седативных и гипнотических средств. Активация бензодиазепинового сайта ведет к увеличению аффинности к агонисту у определенной группы, но не всех, ГАМКАрецепторов. Было показано, что токи, опосредованные низкоаффинными ГАМКергическими рецепторами, в гиппокампе усиливаются бензодиазепинами в гораздо большей степени, чем опосредованные высокоаффинными рецепторами (Schonrock and Bormann 1993). Различия ГАМКергических рецепторов по их чувствительности к бензодиазепинам, могут быть объяснены также различным составом входящих в них субъединиц. Это подтверждается тем, что диазепам приводит к увеличению величины ГАМКергического тока лишь при наличии γ2субъединицы в ГАМКАрецепторах (Pritchett et al. 1989). Другим сайтом, аллостерической модуляции ГАМКАрецепторов является сайт барбитуратов (Рис. 1.1). ГАМКАрецепторы, чувствительные к барбитуратам более широко распространены в мозге, чем чувствительные к бензодиазепинам (Johnston 1996). В отличие от бензодиазепинов, увеличивающих аффинность ГАМКергического рецептора к агонисту, барбитураты увеличивают время открытого состояния и проводимость каналов ГАМКергического рецептора (Eghbali et al. 2000). Барбитураты также, как и бензодиазепины, используются в качестве антиэпилептических и седативных веществ. Сверхдозы пентобарбитала применяются для эфтаназии.
Кроме бензодиазепинов и барбитуратов специфичным модулирующим действием на ГАМКАрецепторы обладают нейростероиды и цинк (Mehta and Ticku 1999).
ГАМКВ
Метаботропные ГАМКВрецепторы представляют собой гетеродимеры (Mohler and Fritschy 1999), состоящие из двух субъединиц: GBR1и GBR2(Jones et al. 1998). Эти две субъединицы возникают благодаря альтернативному сплайсингу (Kuner et al. 1999). Определено, что ГАМКВрецепторы находятся как пре-, так и постсинаптически (Couve et al. 2000; Mott and Lewis 1994). Тем не менее, достаточно мало известно об их субклеточном распространении (Fritschy et al. 1999). Другими словами, не вполне понятно, группируются ли, например, постсинаптические ГАМКВрецепторы в синаптической щели напротив места выброса ГАМК или расположены на удалении от синапса. Постсинаптическим эффектом активации данных рецепторов является длительная гиперполяризация, следующая за быстрым ионотропным компонентом ГАМКергической передачи. В своем недавнем исследовании Scanziani (Scanziani 2000) приводит аргументы в пользу того, что ГАМКВрецепторы расположены далеко от места выброса медиатора и активируются ГАМК, покидающей синаптическую щель (спилловер ГАМК). При этом он считает, что для достижения достаточной для активации данных рецепторов внеклеточной концентрации ГАМК необходима одновременная активация нескольких ГАМКергических синапсов.
Не до конца понятно субклеточное распределение и пресинаптических ГАМКВрецепторов. Не ясно расположены ли эти рецепторы в перисинаптической области или они далеко от активной зоны. Пресинаптический эффект ГАМКВрецепторов заключается в том, что они снижают как высвобождение ГАМК в тормозных синапсах, так и высвобождение глутамата в возбуждающих (Mott and Lewis 1994).
ГАМКВрецепторы связаны с тримерным G-белком (Hill et al. 1984). Одним из эффектов их активации является ингибирование аденилатциклазы (Nishikawa et al. 1997). Кроме того, данные рецепторы прямо связаны через G-белок с N и P/Q типами потенциал зависимых кальциевых каналов, которые участвуют в синаптическом высвобождении нейропередатчиков (Anwyl 1991; Mintz and Bean 1993). Таким образом, пресинаптические ГАМКВрецепторы снижают высвобождение нейропередатчиков уменьшая пресинаптический вход кальция. Наконец, на постсинаптическом участке ГАМКВрецепторы запускают каскад реакций, который ведет к открываниюG-белок связанных К+ каналов (GIRK – G protein-gated inward rectifying K+ channels) (Andrade et al. 1986; Misgeld et al. 1995). Благодаря активации этих каналов и возникает медленный ТПСТ, длящийся сотни миллисекунд (Scanziani 2000). По этой причине его легко отличить от ТПСТ, опосредованного ГАМКАрецепторами. Медленный ТПСТ, опосредованный ГАМКВрецепторами, будет характеризоваться длительной кинетикой и потенциалом реверсии отличным от ECl-.
ГАМКС
ГАМКСрецепторы могли бы считаться филогенетически самым старым типом ионотропных ГАМКергических рецепторов (Bormann and Feigenspan 1995). Этот тип объединяет гомомерные рецепторы, состоящие только из ρ-субъединиц, которые в свою очередь делятся на 3 класса: ρ1, ρ2и ρ3(Zhang et al. 2001). Данные субъединицы в наибольшем колличестве сосредоточены в ретине позвоночных, хотя обнаружены и в других структурах ЦНС, в частности, гиппокампе (Enz et al. 1995; Enz and Cutting 1999; Ogurusu et al. 1999; Wegelius et al. 1998). Считается, что ρ-субъединицы не образуют гетеромерных рецепторов с другими субъединицами (Hackam et al. 1998; Koulen et al. 1998). Тем не менее, недавно и была продемонстрирована возможность создания гетеромера из ρ и γ2субъединиц в ооцитахXenopus (Qian and Ripps 1999).
Поскольку композиция субъединиц играет ключевую роль в фармакологических свойствах ГАМКергических рецепторов, ГАМКСрецепторы имеют отличный от ГАМКАрецепторов фармакологический профиль. Они не чувствительны к бикукуллину, аллостерическим модуляторам и специфическим агонистам ГАМКАрецепторов. С другой стороны, существуют специфические агонисты и антагонисты этих рецепторов, неактивные для ГАМКА(основные различия типов рецепторов представлены на Рис.1.1) (Bormann 2000a). Тем не менее, комитет IUPHAR не рекомендовал вводить ГАМКСрецепторы в классификацию как отдельный тип (Barnard et al. 1998). Он предложил считать эти рецепторы специфическим классом ρ-содержащих ГАМКАрецепторов. Основные аргументы обходили тот факт, что эти рецепторы имеют отличную фармакологию, структуру, функцию и клеточную локализацию. Вместо этого они делали акцент на том, что выделение ГАМКСрецепторов как отдельного типа создает возможность для дальнейшего расширения классификации и разрушения удобной системы ГАМКА/ГАМКВ(ионотропные/метаботропные рецепторы). Поступило, например, предложение ввести новый ГАМКDтип рецепторов. В эмбриональной ткани цыплят были обнаружены ГАМКергические рецепторы, которые не были чувствительны к антагонистам ни ГАМКА, ни ГАМКВрецепторов, но активировались агонистами и ГАМКА, и ГАМКВ(Momose-Sato et al. 1997). Поступило также предложение “ГАМКD” рецептора с отличной ионной селективностью канала (Perkins and Wong 1996).
Надо отметить, что идея объединения ионотропных ГАМКергических рецепторов в один тип нашла как своих сторонников, так и своих противников (Bormann 2000a; Zhang et al. 2001). Таким образом, современная классификация ГАМКергических рецепторов еще не окончательно сформирована и требует дополнительных экспериментальных исследований, направленных на поиск сходств и различий между ГАМКАи ГАМКСрецепторами.
В заключение можно заметить, что если принять простое деление ГАМКергических рецепторов на ионотропные и метаботропные – ГАМКА/ГАМКВ, различные комбинации субъединиц ионотропных ГАМКергических рецепторов позволяют существовать целому ряду фармакологически и функционально различных типов торможения. Исходя из этого, одной из задач данной диссертационной работы было определение фармакологического и биофизического профиля гиппокампальных ГАМКергических рецепторов. Мы решили исследовать особенности ГАМКергических рецепторов, принимающих участие в торможении между двумя интернейронами и интернейроном и пирамидной клеткой, и оценить какую это может играть функциональную роль.