Segnalazione glutamatergica
La segnalazione glutammatergica costituisce il principale sistema di neurotrasmettitori eccitatori nel sistema nervoso centrale dei mammiferi, mediando la stragrande maggioranza della trasmissione sinaptica rapida e sostenendo processi fondamentali che vanno dalla percezione sensoriale e dalla coordinazione motoria all’apprendimento, alla memoria e alla flessibilità cognitiva. L-glutammato, l’aminoacido libero più abbondante nel cervello, funge non solo da intermediario metabolico chiave, ma anche da primario neurotrasmettitore eccitatorio, con una stima dell’80% di tutte le sinapsi centrali che utilizzano il glutammato come molecola di segnalazione (Meldrum, 2000; Danbolt, 2001). A differenza della segnalazione spazialmente ristretta e ormonalmente amplificata dell’asse ipotalamo-ipofisario o della consegna sistemica di ormoni peptidici, la trasmissione glutammatergica opera a livello nanoscopico delle singole sinapsi, raggiungendo una precisione al millisecondo attraverso un macchinario molecolare altamente specializzato che include il rilascio vescicolare, cluster di recettori postsinaptici e sistemi di ricaptazione straordinariamente efficienti.
La biosintesi e la compartimentazione del glutammato sono strettamente regolate per prevenire l’eccitotossicità e mantenere la rigorosa separazione tra i pool metabolici e i pool di neurotrasmettitori. Il glutammato non attraversa efficientemente la barriera emato-encefalica; invece, viene sintetizzato localmente nei terminali presinaptici a partire dalla glutammina tramite l’enzima glutaminasi, una reazione che rappresenta il passo finale del ciclo glutammato-glutammina (Hertz, 1979). Dopo il rilascio nella fessura sinaptica e la successiva ricaptazione negli astrociti, il glutammato viene riconvertito in glutammina dalla glutammina sintetasi, espressa esclusivamente negli astrociti; la glutammina viene quindi trasferita di nuovo ai neuroni, dove viene nuovamente convertita in glutammato, reintegrando così il pool di neurotrasmettitori senza esaurire i livelli sistemici di glutammato (Rose et al., 2013; Bak et al., 2006). Questo accoppiamento metabolico tra neuroni e astrociti è essenziale per sostenere la trasmissione glutammatergica, poiché i neuroni mancano di un’attività apprezzabile di glutammina sintetasi e dipendono dalla fornitura di glutammina astrocitaria per la sintesi sostenuta di neurotrasmettitori.
Il rilascio di glutammato dai terminali presinaptici segue il ciclo canonico delle vescicole sinaptiche. All’arrivo di un potenziale d’azione, i canali del calcio voltaggio-dipendenti (prevalentemente di tipo P/Q e N) si aprono, consentendo l’influsso di calcio che innesca la fusione mediata da SNARE delle vescicole sinaptiche contenenti glutammato con la membrana presinaptica (Südhof, 2013). Il glutammato viene impacchettato nelle vescicole sinaptiche da tre trasportatori vescicolari di glutammato (VGLUT1, VGLUT2 e VGLUT3), guidati dal gradiente elettrochimico protonico generato dalla H+-ATPasi vacuolare (Shigeri et al., 2004). Il glutammato rilasciato diffonde attraverso la fessura sinaptica, tipicamente larga 20-30 nm, e si lega a una vasta gamma di recettori postsinaptici che sono ampiamente classificati in famiglie ionotropiche e metabotropiche (Niswender & Conn, 2010).
I recettori ionotropici del glutammato (iGluRs) mediano correnti postsinaptiche eccitatorie rapide su scala di millisecondi e sono canali ionici ligando-dipendenti che consentono l’influsso di sodio e calcio al legame del glutammato. Sono suddivisi in tre famiglie principali in base alla selettività dell’agonista: recettori AMPA (AMPARs), recettori NMDA (NMDARs) e recettori del kainato (KARs) (Traynelis et al., 2010). I recettori AMPA sono responsabili della componente rapida dei potenziali postsinaptici eccitatori (EPSP) e sono assemblaggi tetramerici tipicamente composti da subunità GluA1-4; sono permeabili al sodio e al potassio, con la permeabilità al calcio largamente limitata a quelli privi della subunità GluA2 (Sommer et al., 1991). I recettori NMDA, al contrario, sono caratterizzati dal blocco voltaggio-dipendente del magnesio, dalla cinetica lenta e dall’alta permeabilità al calcio. Ai potenziali di membrana a riposo, il poro del recettore NMDA è bloccato da ioni magnesio extracellulari; questo blocco viene rimosso dalla depolarizzazione, conferendo ai recettori NMDA la proprietà di rivelatore di coincidenza, che richiede sia il rilascio presinaptico di glutammato sia la depolarizzazione postsinaptica per l’attivazione (Mayer & Westbrook, 1987; Nowak et al., 1984). I recettori NMDA sono eterotetrameri obbligati costituiti da subunità GluN1 e subunità GluN2 (A-D) o GluN3 (A-B), con la subunità GluN2B particolarmente abbondante durante lo sviluppo e nelle strutture del prosencefalo (Paoletti et al., 2013). I recettori del kainato, composti da subunità GluK1-5, sono meno ben compresi ma contribuiscono sia all’eccitazione postsinaptica sia alla modulazione presinaptica del rilascio di neurotrasmettitori (Lerma & Marques, 2013). Questi recettori ionotropici sono regolati dinamicamente attraverso fosforilazione, traffico di subunità e interazioni con proteine ausiliarie come le TARP (proteine regolatrici transmembrana dei recettori AMPA), che influenzano profondamente l’apertura del recettore e il targeting sinaptico (Coombs & Cull-Candy, 2009).
Oltre ai recettori ionotropici, il glutammato attiva i recettori metabotropici del glutammato (mGluRs), che sono recettori accoppiati a proteine G che modulano la trasmissione sinaptica su scale temporali più lente attraverso cascate di secondi messaggeri. Gli otto sottotipi di mGluR sono classificati in tre gruppi: Gruppo I (mGluR1 e mGluR5), che si accoppiano a Gαq e attivano la fosfolipasi C, portando al rilascio di calcio intracellulare mediato da IP3 e all’attivazione della proteina chinasi C; Gruppo II (mGluR2 e mGluR3) e Gruppo III (mGluR4, mGluR6, mGluR7 e mGluR8), che si accoppiano a Gαi/o e inibiscono l’adenilato ciclasi, riducendo i livelli di cAMP (Niswender & Conn, 2010). I recettori metabotropici sono localizzati prevalentemente in modo perisinaptico e modulano l’eccitabilità neuronale, il rilascio di trasmettitori e la plasticità a lungo termine regolando l’attività dei canali ionici e l’espressione genica. In particolare, i mGluR presinaptici funzionano come autorecettori che riducono l’ulteriore rilascio di glutammato, fornendo un meccanismo di feedback negativo che protegge dall’eccitazione eccessiva (Cartmell & Schoepp, 2000).
La terminazione della segnalazione glutammatergica dipende in modo unico dai trasportatori di aminoacidi eccitatori (EAAT) ad alta affinità dipendenti dal sodio, poiché non esiste degradazione enzimatica del glutammato nella fessura sinaptica paragonabile all’acetilcolinesterasi per l’acetilcolina. Sono stati identificati cinque sottotipi di EAAT (EAAT1-5), con EAAT1 (GLAST) e EAAT2 (GLT-1) prevalentemente espressi sugli astrociti, mentre EAAT3 (EAAC1) e EAAT4 sono principalmente neuronali (Danbolt, 2001). EAAT2 rappresenta oltre il 90% della captazione totale di glutammato nel prosencefalo ed è responsabile del mantenimento delle concentrazioni extracellulari di glutammato a livelli micromolari bassi, preservando il rapporto segnale-rumore e prevenendo il danno eccitotossico (Rothstein et al., 1996). Questa captazione mediata da trasportatori è elettrogenica, accoppiando il trasporto verso l’interno di una molecola di glutammato al cotrasporto di tre ioni sodio e un protone, con il controtrasporto di uno ione potassio, ed è pertanto energeticamente costosa (Zerangue & Kavanaugh, 1996). L’extraordinaria efficienza della clearance del glutammato — con tempi di clearance dell’ordine di 1-2 millisecondi — è essenziale per la fedeltà temporale della trasmissione sinaptica e per prevenire lo spillover verso sinapsi vicine (Tong & Jahr, 1994).
La segnalazione glutammatergica è il substrato primario della plasticità sinaptica, la modificazione dipendente dall’attività della forza sinaptica che è ampiamente considerata il correlato cellulare dell’apprendimento e della memoria. La potenziamento a lungo termine (LTP) e la depressione a lungo termine (LTD) sono le due forme di plasticità meglio caratterizzate nelle sinapsi glutammatergiche. Nella regione CA1 dell’ippocampo, la stimolazione ad alta frequenza induce LTP attraverso una sequenza di eventi che inizia con l’influsso di calcio attraverso i recettori NMDA postsinaptici, che poi attiva la proteina chinasi II dipendente da calcio-calmodulina (CaMKII) e la proteina chinasi C, portando alla fosforilazione dei recettori AMPA e all’inserimento di ulteriori recettori AMPA nella membrana postsinaptica tramite esocitosi dipendente da SNARE (Bliss & Collingridge, 1993; Lisman et al., 2012). Questo aumento del numero e della conduttanza dei recettori AMPA determina un’efficacia sinaptica aumentata che può persistere per ore o giorni. Al contrario, la stimolazione a bassa frequenza induce LTD, che implica l’attivazione dipendente dal calcio di proteine fosfatasi (ad esempio calcineurina), la defosforilazione dei recettori AMPA e la loro successiva internalizzazione mediata da clatrina, producendo una diminuzione sostenuta della forza sinaptica (Malenka & Bear, 2004). Queste forme hebbiane di plasticità sono integrate dalla plasticità dipendente dal timing degli spike (STDP), in cui l’ordine temporale preciso degli spike pre- e postsinaptici determina se viene indotta LTP o LTD, fornendo un meccanismo per il raffinamento dipendente dall’esperienza dei circuiti neurali (Markram et al., 1997; Dan & Poo, 2004).
Le conseguenze patologiche della segnalazione glutammatergica disregolata sono profonde e diffuse. L’accumulo eccessivo di glutammato nella fessura sinaptica porta all’eccitotossicità, un processo caratterizzato da sovraccarico patologico di calcio attraverso i recettori NMDA, disfunzione mitocondriale, generazione di specie reattive dell’ossigeno e, infine, morte neuronale. L’eccitotossicità è una via finale comune in insulti neurologici acuti, tra cui ictus ischemico, trauma cranico e stato epilettico, nonché in malattie neurodegenerative croniche come la sclerosi laterale amiotrofica (SLA) e la malattia di Huntington (Mehta et al., 2013; Lau & Tymianski, 2010). Nella malattia di Alzheimer, la disfunzione glutammatergica si manifesta sia come perdita sinaptica sia come segnalazione aberrante di recettori NMDA extrasynaptici, contribuendo al declino cognitivo; l’antagonista del recettore NMDA memantina è approvato per la malattia di Alzheimer da moderata a grave, sebbene la sua efficacia sia modesta (Parsons et al., 2007). Nella schizofrenia, si ipotizza un’ipofunzione dei recettori NMDA, in particolare sugli interneuroni GABAergici corticali, che interrompe l’equilibrio eccitatorio-inibitorio, contribuendo ai sintomi positivi, ai deficit cognitivi e allo stato iperglutammatergico caratteristico in alcune regioni cerebrali (Moghaddam & Javitt, 2012). L’ipotesi del glutammato della schizofrenia ha stimolato lo sviluppo di modulatori del sito della glicina sui recettori NMDA e di agonisti mGluR2/3, sebbene la traduzione clinica si sia rivelata impegnativa (Javitt et al., 2011).
Il targeting terapeutico della segnalazione glutammatergica è limitato dal ruolo ubiquitario del glutammato nella normale funzione cerebrale, rendendo problematica la modulazione globale. Tuttavia, sono emerse strategie specifiche: i bloccanti del canale aperto dei recettori NMDA come la ketamina hanno mostrato effetti antidepressivi rapidi a dosi subanestetici, agendo attraverso un meccanismo complesso che coinvolge l’attivazione sostenuta dei recettori AMPA e l’aumento della segnalazione di BDNF, portando a sinaptogenesi (Duman et al., 2019). I potenziatori dei recettori AMPA (ampakine) sono in fase di studio per il potenziamento cognitivo nei disturbi neurologici e psichiatrici (Lynch et al., 2014). Inibitori del rilascio di glutammato, come il riluzolo (utilizzato nella SLA), e up-regolatori di EAAT2 sono anch’essi in esplorazione. Il futuro dei terapeutici glutammatergici risiede nello sviluppo di modulatori selettivi di sottotipo che mirino a subunità specifiche di recettori o a complessi recettoriali con localizzazioni sinaptiche definite, minimizzando gli effetti off-target e preservando la funzione fisiologica del glutammato.
Riferimenti
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