مروری برگیرنده های یونوتروپیک گلوتامات و نقش آنها در بیماری های دستگاه عصبی

بخشی از مقاله

مروري برگيرنده هاي يونوتروپيک گلوتامات و نقش آنها در بيماري هاي دستگاه عصبي
خلاصه
گلوتامات نسبتاً به طور يکنواخت و به مقدار زياد در دستگاه عصبي مرکزي توزيع شده و اثرات آن از طريق گيرنده هاي موجود در غشا به نام گيرنده هاي يونوتروپيک و گيرنده هاي متابوتروپيک اعمال ميشود. غلظت گلوتامات در دستگاه عصبي به مراتب بيشتراز ساير بافت هاي بدن بوده و در انتقال سيناپسي ، ايجاد تغييرات طولاني مدت در تحريک پذيري سلول هاي عصبي و تکامل سلول هاي عصبي دخالت دارد. باوجود اثرات زياد گلوتامات در عملکرد فيزيولوژيک سلول هاي عصبي ، اين ترکيب يک نوروتوکسين قوي نيز ميباشد و در بسياري از اختلالات دستگاه عصبي مرکزي شامل اختلالات نورودژنراتيو، ايسکمي و ضربه دخالت دارد.
در حال حاضر داروهاي انتخابي گيرنده هايي گلوتامات باعث پيشرفت قابل ملاحظه اي در شناسايي نقش هاي فيزيولوژيک و پاتولوژيک آنها در دستگاه عصبي شده اند. به علاوه اثرات مطلوب گيرنده هاي مذکور در اختلالات عصبي و روان شناختي در مدل هاي حيواني باعث هدايت تحقيقات به سمت کاربرد ترکيبات مذکور درآزمايش هاي باليني گرديده است . از مهمترين اين ترکيبات ، آنتاگونيست هاي گيرنده هاي يونوتروپيک هستند که در مورد اختلالاتي نظير صرع ، سکته ايسکمي و نظاير آن درآزمايش هاي باليني مورد استفاده قرار گرفته اند.
هدف از اين مقاله مروري بررسي گيرنده هاي يونوتروپيک گلوتامات و نقش آنها در سميت تحريکي و اختلالات دستگاه عصبي ميباشد. همچنين تا حدودي انتقال دهنده هاي گلوتامات و دخالت آنها در شرايط پاتولوژيک بررسي شده و در پايان به نقش گيرنده هاي مذکور در بيماريهاي دستگاه عصبي شامل اسکيزوفرني ، آلزايمر و صرع پرداخته مي شود.
واژه هاي کليدي : گلوتامات ، گيرنده NMDA، گيرنده AMPA، گيرنده کينات ، سميت تحريکي، انتقال دهنده هاي گلوتامات

مقدمه
گلوتامات در دستگاه عصبي مرکزي عمدتاً از گلوکز، به وسيله چرخه کربس يا از گلوتامين به وسيله سلول هاي گليال ساخته ميشود و در اختيار سلول هاي عصبي قرار مي گيرد. مقادير کمي هم از بخش محيطي ميآيد (١). مانند ديگر انتقال دهنده هاي عصبي ، گلوتامات هم در وزيکول هاي سيناپسي ذخيره ميشود و به روش اگزوسيتوز به صورت وابسته به کلسيم آزاد ميگردد. پروتئين هاي انتقال دهنده اختصاصي گلوتامات را به سلول هاي عصبي يا سلول هاي مجاور برميگردانند. به دليل اين که گيرنده هاي گلوتامات در اکثر اجزاي سلول عصبي شامل دندريت ها، پايانه هاي عصبي، جسم سلولي و همچنين در سلول هاي گليال وجود دارند، و از طرفي فضاهاي سيناپسي هم با فضاي خارج سلولي عمومي در ارتباط هستند لذا ميبايستي گلوتامات از تمام فضاي خارج سلولي جمع آوري شود. اين جمع آوري يا خارج سازي فقط به وسيله پروتئين هاي انتقال دهنده گلوتامات صورت ميگيرد. البته انتشار ساده نيز در فضاهاي سيناپسي بسيار کوچک مکانيسم مهمي براي خارج سازي گلوتامات محسوب ميشود. وقتي که گلوتامات به وسيله آستروسيت ها گرفته ميشود تبديل به گلوتامين شده و پس از بازيافت مجدداً به وسيله انتقال دهنده هاي مخصوص خود به سلول هاي عصبي برگردانده ميشود و در آنجا گلوتامين به گلوتامات تبديل ميشود. گلوتامين فاقد اثرات فارماکولوژيکي گلوتامات است و به عنوان ذخيره غيرفعال گلوتامات تحت کنترل آستروسيت ها قرار دارد تا در مواقع لزوم مجدداً گلوتامات را براي سلول هاي عصبي فراهم کند. گرفتن گلوتامات با ورود يون +Na همراه است .
انتقال دهنده هاي متعددي براي گلوتامات کلون شده اند و جزئيات بيشتري درباره آنها مشخص شده است (١،٢).

تصوير ١. تصوير شماتيک يک گيرنده اينوتروپيک گلوتاميک ترمينال N گيرنده در خارج سلول قرار دارد و به دنبال آن چهار قطعه در عرض غشا قرار دارد که قطعه اول از عرض غشا عبور ميکند اما قطعه دوم از عرض غشا عبور نميکند و تشکيل حلقه اي را مي دهد که در طرف سيتوپلاسم غشاي سلول قرار ميگيرد. قطعه سوم و چهارم از عرض غشا عبور ميکنند و به يک حلقه بزرگ خارج سلول متصل هستند و در نهايت بعد از قطعه چهارم ترمينال C گيرنده در داخل سلول قرار دارد (اقتباس از رفرنس شماره ٣).
گيرنده هاي گلوتامات
بر اساس مطالعات انجام شده به وسيله آگونيست ها و آنتاگونيست هاي اختصاصي چهار زير گونه عمده از گيرنده هاي گلوتامات قابل تشخيص است که شامل ان - متيل - دي- آسپارتات (NMDA)، آلفا- آمينو-٣- هيدروکسي - ٥- هيدروکسي - ٥- متيل -٤ ايزوکسازول پروپيونات (AMPA)، کينات (Kainate) و گيرنده هاي متابوتروپيک ميباشند. سه گيرنده اول ، گيرنده هاي يونوتروپيک هستند که بر اساس آگونيست اختصاصي خودشان نام گذاري شده اند و ساختمان آنها در تصوير ١ توضيح داده شده است . تاکنون هفت زير واحد از گيرنده هاي NMDA شناسايي شده است که هر کدامشان محصول ژن هاي جداگانه اي هستند. اين زير واحدها عبارتند از: يک زيرواحد NR1، چهار زيرواحد NR2 (شامل NR2A-D) و دو زير واحد NR3 (شامل A,B NR3). هر کدام از اين زيرواحدها مي توانند به صورت اتصالات متعدد در مغز وجود داشته باشند که ويژگيهاي آنها هنوز به طور کامل شناخته نشده است (١،٤). آزمايشات نشان داده است که زير واحد NR2B در هيپوکامب اثر مهاري روي زيرواحد NR2A دارد و اين اثر هم از طريق فسفاتاز ٢ وابسته به کلسيم .کا لمودولين (کلسينيورين ) اعمال ميشود (٥،٦).
گيرنده AMPA شامل زير واحدهاي ٧-١ GluR وگيرنده کينات شامل زير واحدهاي 2-KA ,1-KA ميباشد که به مقدار زيادي به هم وابسته هستند ولي کاملاً با زيرواحدهاي NR متفاوت هستند. گيرنده هاي متابوتروپيک با پيک هاي ثانويه داخل سلولي ارتباط دارند، که از ٨ زيرگونه تشکيل شده اند و کل اين ٨ زيرگونه در سه گروه رده بندي ميشوند. اين گيرنده ها داراي ترمينال N بسيار بزرگي هستند که داراي محل اتصال گلوتامات ميباشد، برخلاف ، اکثر گيرنده هاي آميني که محل اتصال آگونيست در قطعات عبوري از عرض غشاء نهفته شده است . مطالعات نشان ميدهد که بيشترين تعداد گيرنده هاي گلوتامات در کورتکس ، عقده هاي قاعده اي و مسيرهاي حسي قرار دارد.
گيرنده هاي NMDA و AMPA عمدتاً به همراه هم قرار گرفته اند ولي گيرنده هاي کينات داراي توزيع بسيار اختصاصي تري هستند (٤،٧).
گيرنده هاي NMDA در سال هاي اخير مورد توجه زيادي قرار گرفته اند. اين گيرنده ها نقش مهمي در انعطاف پذيري سيناپسي داشته و به نظر ميرسد برخي اشکال يادگيري و حافظه را ايجاد ميکنند. در ادامه ، فعاليت بيش از حد گيرنده هاي يونوتروپيک گلوتامات و نقش آن را در آسيب سلول هاي عصبي بررسي مي شود.
فعاليت بيش از حد گيرنده هاي يونوتروپيک گلوتامات (سميت تحريکي: Excitotoxicity)
سميت تحريکي يکي از پروسه هاي عمده مرگ سلول هاي عصبي است و نقش عمده اي را در بسياري از بيماريهاي دستگاه عصبي نظير ايسکمي، ضربه و اختلالات نورودژنرايتو بازي ميکند. اولين بار مطالعات لوکاس و نيوهاوس (١٩٥٧) نشان داد که گلوتامات ممکن است يک نوروتوکسين قوي باشد. آنها متوجه شدند که تزريق عمومي ال - گلوتامات در موش هاي نابالغ ، لايه هاي عصبي داخلي شبکيه را تخريب ميکند (٨). ده سال بعد در مطالعات اولني (Olney) اين اثرات سمي روي شبکيه تأييد شد و نشان داده شد که ترکيب کينات که از نظر ساختماني وابسته به گلوتامات ميباشد باعث جراحات مغزي در حيوانات نابالغي که هنوز سد خوني - مغزي در آنها تکميل نشده است مي شود و همين مشاهدات باعث به کاربردن عبارت سميت تحريکي در موارديکه اسيدهاي آمينه تحريکي باعث تخريب اعصاب ميشدند، گرديد (٩،١٠).
آزادسازي بيش از حد گلوتامات به نوبه خود گيرنده هاي پس سيناپسي گلوتامات را فعال ميکند. هر کدام از گيرنده هاي گلوتامات ميتوانند در روند سميت تحريکي و مرگ سلول هاي عصبي دخالت داشته باشند ولي مشخص شده است که گيرنده هاي NMDA نقش اصلي را به عهده داشته و از طريق نفوذپذيري بالا نسبت به يون هاي +Ca2 باعث مرگ سلولي ميشوند. به هر حال ، ساير گيرنده هاي گلوتامات نظير گيرنده هاي AMPA و کينات (Kainate) نيز در مرگ سلول هاي عصبي از طريق روند اکسيتوتوکسي يتيس مهم ميباشند. اساس مولکولي اين سميت سلولي گلوتامات به خوبي مشخص نشده است ولي اين توافق کلي وجود دارد که بخش عمده اين سميت سلولي ناشي از يون هاي کلسيم ميباشد. علاوه بر اين مطالعات اخير تا حدودي ورود يون هايي مثل سديم و منگنز و خروج يون هاي پتاسيم را هم در اين سميت سلولي مرتبط ميدانند (١٣-١١).
به نظر ميرسد که زير واحد NR1 گيرنده هاي NMDA در ورود زياد کلسيم به داخل سلول و مرگ سلول هاي عصبي دخالت داشته باشد. به طوريکه موش هاي فاقد زير واحد NR1 حتي در شرايطي که حداقل تغييرات در ساختار و عملکرد سلول هاي عصبي مشاهده شده است نتوانسته اند بيش از دو الي سه روز بعد از تولد زنده بمانند (١٤). در حاليکه موش هاي فاقد زير واحد NR2A به حيات خود ادامه داده اند و از رشد طبيعي برخوردار بوده اند. همچنين سلول هاي عصبي کشت شده از موش هاي جهش يافته فاقد زير واحدNR1 در برابر مرگ ايجاد شده در اثر گيرنده NMDA و گلوتامات مقاومت کردند (١٥).
مطالعات نشان داده است که سميت عصبي وابسته به ورود کلسيم ، به طور مؤثري به هنگام ورود يون هاي کلسيم از طريق گيرنده هاي NMDA رخ ميدهد و نميتوان اين سميت را با مواجهه ساختن سلول هاي عصبي با مقادير مشابهي از کلسيم از طريق گيرنده هاي غير NMDA يا کانال هاي کلسيمي وابسته به ولتاژ ايجاد کرد. بنابراين ، نتيجه يگري ميشود که سيگنال کشنده کلسيم به وسيله گيرنده هاي NMDA از طريق واکنش اين گيرنده ها با مولکول هاي داخل سلولي اتفاق ميافتد. مطالعات نشان داده است که پايانه آميني گيرنده NR١ نقش بسيار اندکي در سميت سلولي دارد، در حاليکه پايانه C آن سميت گيرنده
NMDA را افزايش ميدهد. طي سال هاي گذشته پايانه C گيرنده NR١ به دليل واکنش با پروتئين هاي سيتوپلاسمي متعددي مورد توجه زيادي بوده است (٧،١٦).
با اين حال درباره پروتئين هاي داخل سلولي واکنش دهنده گيرنده NR١ که منجر به سميت سلولي از طريق گيرنده هاي NMDA ميگردند، اطلاعات ناچيزي در اختيار داريم . گيرنده هاي NMDA هم در سيناپس و هم خارج سيناپس وجود دارند. يکي از پروتئين هايي که گيرنده NR١ در داخل سلول با آن وارد واکنش ميشود، پروتئين آلفا اکتينين است (١٧). ارتباط آلفا اکتينين با گيرنده NMDA مستقيماً به وسيله کلسيم . کالمودولين مهار ميشود که مدت زمان باز بودن کانال گيرنده NMDA را کاهش ميدهد (١٨). بنابراين يکي از مکانيسم هايي که ممکن است در ورود کلسيم از طريق گيرنده NMDA و اثرات سمي آن روي سلول هاي عصبي دخالت داشته باشد، ارتباط آن با آلفااکتينين است . با اين حال مطالعات نشان داده است که فعال شدن گيرنده هاي NMDA هم در سيناپس و هم خارج سيناپس به طور يکساني باعث ايجاد سميت تحريکي مي شود (١٦). پايانه C زير واحدهاي NR١ با دو پروتئين ديگر يعني يوتياو (Yotiao) و نوروفيلامنت L نيز واکنش ميدهد (١٩،٢٠). نقش اين پروتئين ها در عملکرد گيرنده NMDA هنوز شناخته نشده است . يوتياو هم به پروتئين کيناز A و نيز به پروتئين فسفاتاز١ متصل ميشود، ولي هنوز مشخص نشده است که آيا اين پروتئين ها در نوروتوکسيس يتي ايجاد شده به گيرنده NMDA دخالت دارند يا خير (٢١).
نقش زير واحد NR٢ گيرنده هاي NMDA درسميت تحريکي مطالعات محدودي ارتباط مستقيم بين بيان تکاملي زير واحد NR٢ و سميت نوروني ايجاد شده به وسيله گيرنده NMDA را مطرح کرده اند. در مطالعه اي در سال ١٩٩٨ کشت نورون هاي قشري در کشت هاي روز هفتم تا نهم به وسيله گلوتامات تحت تأثير قرار نگرفته ، اما در روز يازدهم اين سلول ها حساسيت بالايي را نسبت به گلوتامات نشان دادند. با استفاده از آناليز وسترن - بلات ، پژوهشگران متوجه شدند که زير واحدهاي NR1 و NR2B هم در روز هشتم و هم در روز يازدهم وجود داشته در حاليکه پروتئين هاي NR2A هم در روز هشتم و هم در روز يازدهم به سختي قابل شناسايي بودند. بنابراين به نظر ميرسد که نوروتوکسيستيي گلوتامات عمدتاً به وسيله گيرنده هترومريک NR2B.NR1 ايجاد ميشود (٢٢).
يکي از پروتئين هاي داخلي سلولي که به زير واحد NR2
مرتبط است زير خانواده SAP90.95-PSD است که جزء پروتئين هاي خانواده بزرگ PSD ميباشد، اين پروتئين ها وابسته به خانواده بزرگ تر پروتئين هاي گوانيلات کيناز وابسته به غشاي سلولي ميباشند (٢٣). زير خانواده SAP90.95-PSD، مهم ترين پروتئين شناخته شده اين خانواده است که به پايانه C زير واحدهاي NR2A و NR2B متصل ميشود. اين پروتئين که بعد از اين به اختصار 95-PSD خوانده ميشود با ساير مولکول هاي سيگنالي داخل سلولي نظير نيتريک اکسيدسينتاز عصبي واکنش ميدهد.
نيتريک اکسيدسينتاز عصبي در مسيرهاي اکسيد ينتريک وابسته به گيرنده NMDA دخالت دارد. گيرنده ي NMDA
به واسطه توليد اکسيدنيتريک و سوپراکسيد فعاليت بعضي نوروترانسميترهاي ديگر مثل آدنوزين را کاهش ميدهند.
از آنجا که آدنوزين نقش مهمي در تنظيم تحريک پذيري نورون ها و انتقال سيناپسي دارد و در شرايط پاتولوژيک به عنوان محافظ سلول هاي عصبي ميباشد، يکي از مکانيسم هاي آسيب رساننده سوپر اکسيد و راديکال هاي آزاد نظير اکسيد نيتريک به سلول هاي عصبي ميتواند کاهش اثرات آدنوزين به وسيله ترکيبات مذکور که در اثر فعاليت زياد گيرنده هاي NMDA توليد ميشوند، باشد(٢٧-٢٤).
همچنين مطالعات نويسنده نشان داد که گيرنده هاي متابوتروپيک گلوتامات نيز در هيپوکامب آزادسازي آدنوزين را کاهش ميدهند. با استفاده از ترکيب LY٣٦٧٣٨٥ که آنتاگونيست mGlua١ ميباشد، مشخص گرديد زير واحد مذکور که مربوط به گروه I،mGluR است ، مسؤول کاهش اثر آدنوزين از طريق گيرنده هاي A١ آن است . از طرفي واکنش بين آدنوزين وگلوتامات براي حداقل ٦٠ دقيقه ادامه داشت که حاکي از آن است که حتي افزايش کوتاه و گذراي گلوتامات خارج سلولي ميتواند تغييرات طولاني مدتي را روي گيرنده هاي آدنوزين ايجاد کند (٢٨). با توجه به اينکه فعال شدن گيرنده هاي گروه I، mGluR مي تواند فعاليت گيرنده هاي NMDA را از طريق پروتئين کيناز C تسهيل کند (٢٩،٣٠)، به نظر ميرسد که کاهش اثر آدنوزين به وسيله اگونيست هاي گروه I،mGluR به صورت غير مستقيم ناشي از تسهيل فعاليت گيرنده هاي NMDA باشد. از طرفي واکنش بين آدنوزين و گروه I ، mGluR به وسيله آنتاگونيست گيرنده NMDA يعني ترکيب AP٢٥ مهار ميشود (٢٨). لازم به ذکر است که تقريباً براي ٢٠ سال است که آدنوزين به عنوان يک ترکيب محافظ اعصاب شناخته شده است . اين اثرآن به دليل هيپرپلاريزاسيون مستقيم سلول هاي عصبي، کاهش آزادسازي گلوتامات و کاهش مقاديرکلسيم داخل سلولي ميباشد (٣١).
نقش گيرنده هاي AMPA و KA در نوروتوکسيس تيي تا اين اواخر اعتقاد بر اين بود که گيرنده هاي AMPA نسبت به کلسيم نفوذپذير نيستند و در نتيجه نقش اين گيرنده ها درسميت تحريکي وابسته به گلوتامات در اثر دپلاريزاسيون غشاء به دليل ورود يون +Na بوده است . تا اينکه اولين گيرنده هايAMPA شبيه سازي شد و مشخص گرديد که گيرنده هاي AMPA.KA که نسبت به کلسيم نفوذپذير هستند هم وجود دارد (١١،٣٢).
مطالعات مختلف نشان داده است که زير واحد GluR2 گيرنده هاي AMPA گلوتامات به ميزان کم نسبت به يون هاي +Ca2 و ساير کاتيون هاي دو ظرفيتي نفوذپذير است (٣٣). اينکه آيا اين نفوذپذيري کم نسبت به کلسيم به تنهايي ميتواند مسئول مرگ سلولي ناشي از سميت تحريکي وابسته به گيرنده هاي AMPA باشد هنوز مشخص نشده است . البته بعضي از مطالعات نشان داده است که در موش هاي جهش يافته فاقد ژن فعال GluR2 ، عليرغم افزايش +Ca2 در نورون هاي ناحيه CA1 هيپوکامپ ، هيچ گونه جراحات نوروپاتولوژيکي که ناشي از سميت تحريکي باشد مشاهده نشده است (٣٤). کشت سلول هاي عصبي قشر مغز که متعلق به موش هاي فاقد زير واحد
GluR2 ميباشد نشان ميدهد افزايش نفوذپذيري کلسيم در اين نورون ها با سميت تحريکي ارتباطي نداشته است . اين نتايج بحث برانگيز درباره زير واحدGluR2 را ميتوان بدين گونه توجيه کرد که ممکن است وجود زير واحدGluR2 تشکيل کمپلکس گيرنده هاي AMPA با پروتئين هاي متراکم پس سيناپسي ويژه اي را افزايش دهد که اين کمپلکس ميتواند براي شروع واکنش هاي آبشاري ويژه اي که در اثر افزايش نفوذپذيري به کلسيم باعث مرگ سلولي ميشوند، داراي اهميت باشد (٣). ممکن است مقادير مختلف بيان زير واحدGluR2 تعيين کند که آيا يون هاي +Ca2 ورودي براي القاي سميت سلولي کافي هستند يا خير (٣،١٦). علاوه بر يون هاي کلسيم ، فرضيه جالب ديگري نيز بيان ميکند که ورود يون هاي +Zn2 از طريق گيرنده هاي KA.AMPA نفوذپذير به يون هاي +Ca2 ميتواند در آسيب هاي عصبي مشخصي دخالت داشته باشد، يا اينکه امکان دارد مرگ سلولي ايجاد شده به وسيله گيرنده هاي AMPA از طريق يک پروتئين داربستي مرتبط به اين گيرنده ها به نام 1-GRASP ايجاد شود (١٦،٣٥،٣٦). همانند گيرنده هاي AMPA، نقش گيرنده هاي کينات هم در سميت تحريکي تحت الشعاع فعال شدن گيرنده هاي NMDA قراردارد و اطلاعات ناچيزي درباره اثرات سميت عصبي مستقيم گيرنده هاي کينات در آسيب عصبي در دسترس است .