Glutamaterge signaaloverdracht
Glutamaterge signalering vormt het belangrijkste excitatoire neurotransmittersysteem in het centrale zenuwstelsel van zoogdieren. Het bemiddelt de overgrote meerderheid van de snelle synaptische transmissie en ondersteunt fundamentele processen die variëren van sensorische waarneming en motorische coördinatie tot leren, geheugen en cognitieve flexibiliteit. L-glutamaat, het meest voorkomende vrije aminozuur in de hersenen, fungeert niet alleen als een belangrijke metabole intermediair, maar ook als de primaire excitatoire neurotransmitter, waarbij naar schatting 80% van alle centrale synapsen glutamaat als signaalmolecuul gebruikt (Meldrum, 2000; Danbolt, 2001). In tegenstelling tot de ruimtelijk beperkte en hormonaal versterkte signalering van de hypothalamus-hypofyse-as of de systemische afgifte van peptidehormonen, werkt glutamaterge transmissie op de nanoschaal van individuele synapsen en bereikt millisecondenprecisie door middel van een hooggespecialiseerde moleculaire machinerie die vesiculaire afgifte, postsynaptische receptorclusters en buitengewoon efficiënte heropnamesystemen omvat.
De biosynthese en compartimentering van glutamaat zijn strikt gereguleerd om excitotoxiciteit te voorkomen en de strikte scheiding tussen metabole pools en neurotransmitterpools te handhaven. Glutamaat passeert de bloed-hersenbarrière niet efficiënt; in plaats daarvan wordt het lokaal in presynaptische terminalen gesynthetiseerd uit glutamine via het enzym glutaminase, een reactie die de laatste stap van de glutamaat-glutaminecyclus vertegenwoordigt (Hertz, 1979). Na afgifte in de synaptische spleet en daaropvolgende heropname in astrocyten wordt glutamaat weer omgezet in glutamine door glutaminesynthetase, dat uitsluitend in astrocyten tot expressie komt; glutamine wordt vervolgens teruggevoerd naar neuronen, waar het opnieuw wordt omgezet in glutamaat, waardoor de neurotransmitterpool wordt aangevuld zonder de systemische glutamaatniveaus uit te putten (Rose et al., 2013; Bak et al., 2006). Deze metabole koppeling tussen neuronen en astrocyten is essentieel voor het in stand houden van glutamaterge transmissie, omdat neuronen geen noemenswaardige glutaminesynthetase-activiteit bezitten en afhankelijk zijn van de astrocytaire glutaminevoorziening voor aanhoudende neurotransmittersynthese.
De afgifte van glutamaat uit presynaptische terminalen volgt de canonieke synaptische vesikelcyclus. Bij aankomst van een actiepotentiaal openen spanningsafhankelijke calciumkanalen (voornamelijk P/Q- en N-type), waardoor calciuminstroom plaatsvindt die de SNARE-gemedieerde fusie van glutamaatbevattende synaptische vesikels met de presynaptische membraan triggert (Südhof, 2013). Glutamaat wordt in synaptische vesikels verpakt door drie vesiculaire glutamaattransporters (VGLUT1, VGLUT2 en VGLUT3), die worden aangedreven door de protonelektrochemische gradiënt gegenereerd door de vacuolaire H+-ATPase (Shigeri et al., 2004). Het vrijgekomen glutamaat diffundeert over de synaptische spleet, die typisch 20-30 nm breed is, en bindt aan een diverse reeks postsynaptische receptoren die grofweg worden ingedeeld in ionotrope en metabotrope families (Niswender & Conn, 2010).
Ionotrope glutamaatreceptoren (iGluRs) bemiddelen snelle, milliseconden-schaal excitatoire postsynaptische stromen en zijn ligand-gestuurde ionkanalen die natrium- en calciuminstroom toestaan bij binding van glutamaat. Ze worden onderverdeeld in drie belangrijke families op basis van hun agonistenselectiviteit: AMPA-receptoren (AMPARs), NMDA-receptoren (NMDARs) en kainaatreceptoren (KARs) (Traynelis et al., 2010). AMPA-receptoren zijn verantwoordelijk voor de snelle component van excitatoire postsynaptische potentialen (EPSPs) en zijn tetramere assemblages die typisch bestaan uit GluA1-4-subeenheden; ze zijn permeabel voor natrium en kalium, waarbij de calciumpermeabiliteit grotendeels beperkt is tot die welke de GluA2-subeenheid missen (Sommer et al., 1991). NMDA-receptoren daarentegen worden gekenmerkt door hun spanningsafhankelijke magnesiumblokkade, trage kinetiek en hoge calciumpermeabiliteit. Bij rustmembraanpotentialen is de porie van de NMDA-receptor geblokkeerd door extracellulaire magnesiumionen; deze blokkade wordt opgeheven door depolarisatie, waardoor NMDA-receptoren de eigenschap van een coincidentiedetector krijgen, die zowel presynaptische glutamaat-afgifte als postsynaptische depolarisatie vereist voor activering (Mayer & Westbrook, 1987; Nowak et al., 1984). NMDA-receptoren zijn obligate heterotetrameren bestaande uit GluN1-subeenheden en GluN2 (A-D) of GluN3 (A-B)-subeenheden, waarbij de GluN2B-subeenheid bijzonder abundant is tijdens de ontwikkeling en in voorhersenenstructuren (Paoletti et al., 2013). Kainaatreceptoren, samengesteld uit GluK1-5-subeenheden, zijn minder goed begrepen maar dragen bij aan zowel postsynaptische excitatie als presynaptische modulatie van neurotransmitterafgifte (Lerma & Marques, 2013). Deze ionotrope receptoren worden dynamisch gereguleerd door fosforylering, subeenheidtrafficking en interacties met hulpproteïnen zoals TARPs (transmembrane AMPA receptor regulatory proteins), die de receptor-gating en synaptische targeting sterk beïnvloeden (Coombs & Cull-Candy, 2009).
Naast ionotrope receptoren activeert glutamaat metabotrope glutamaatreceptoren (mGluRs), die G-eiwit-gekoppelde receptoren zijn die de synaptische transmissie over langzamere tijdschalen moduleren via second messenger-cascades. De acht mGluR-subtypen worden ingedeeld in drie groepen: Groep I (mGluR1 en mGluR5), die koppelen aan Gαq en fosfolipase C activeren, wat leidt tot IP3-gemedieerde intracellulaire calciumafgifte en activering van proteïnekinase C; Groep II (mGluR2 en mGluR3) en Groep III (mGluR4, mGluR6, mGluR7 en mGluR8), die koppelen aan Gαi/o en adenylaatcyclase remmen, waardoor de cAMP-niveaus dalen (Niswender & Conn, 2010). Metabotrope receptoren zijn overwegend perisynaptisch gelegen en moduleren de neuronale excitabiliteit, transmitterafgifte en langetermijnplasticiteit door regulatie van ionkanaalactiviteit en genexpressie. Opvallend is dat presynaptische mGluRs fungeren als autoreceptoren die verdere glutamaat-afgifte verminderen, waardoor een negatief feedbackmechanisme wordt geboden dat beschermt tegen overmatige excitatie (Cartmell & Schoepp, 2000).
De beëindiging van glutamaterge signalering is uniek afhankelijk van hoog-affiniteit natriumafhankelijke excitatoire aminozuurtransporters (EAATs), omdat er geen enzymatische afbraak van glutamaat in de synaptische spleet bestaat die vergelijkbaar is met acetylcholinesterase voor acetylcholine. Vijf EAAT-subtypen zijn geïdentificeerd (EAAT1-5), waarbij EAAT1 (GLAST) en EAAT2 (GLT-1) overwegend tot expressie komen op astrocyten, terwijl EAAT3 (EAAC1) en EAAT4 voornamelijk neuronale zijn (Danbolt, 2001). EAAT2 is verantwoordelijk voor meer dan 90% van de totale glutamaat-opname in de voorhersenen en handhaaft de extracellulaire glutamaatconcentraties op lage micromolaire niveaus, waardoor de signaal-ruisverhouding behouden blijft en excitotoxisch letsel wordt voorkomen (Rothstein et al., 1996). Deze transporter-gemedieerde opname is elektrogen, waarbij het inwaartse transport van één glutamaat-molecuul wordt gekoppeld aan het cotransport van drie natriumionen en één proton, met het tegentransport van één kaliumion, en is daarom energetisch kostbaar (Zerangue & Kavanaugh, 1996). De buitengewone efficiëntie van de glutamaat-klaring — met klaringstijden in de orde van 1-2 milliseconden — is essentieel voor de temporele getrouwheid van synaptische transmissie en voor het voorkomen van spillover naar naburige synapsen (Tong & Jahr, 1994).
Glutamaterge signalering is het primaire substraat voor synaptische plasticiteit, de activiteitsafhankelijke modificatie van de synaptische sterkte die algemeen wordt beschouwd als het cellulaire correlaat van leren en geheugen. Langetermijnpotentiatie (LTP) en langetermijndepressie (LTD) zijn de twee best gekarakteriseerde vormen van plasticiteit bij glutamaterge synapsen. In de hippocampale CA1-regio induceert hoogfrequente stimulatie LTP via een reeks gebeurtenissen die begint met calciuminstroom via postsynaptische NMDA-receptoren, die vervolgens calcium-calmoduline-afhankelijke proteïnekinase II (CaMKII) en proteïnekinase C activeert, wat leidt tot de fosforylering van AMPA-receptoren en de insertie van extra AMPA-receptoren in de postsynaptische membraan via SNARE-afhankelijke exocytose (Bliss & Collingridge, 1993; Lisman et al., 2012). Deze verhoogde AMPA-receptor-aantallen en -geleiding resulteren in een verhoogde synaptische efficiëntie die uren tot dagen kan aanhouden. Omgekeerd induceert laagfrequente stimulatie LTD, die calciumafhankelijke activering van proteïnefosfatasen (bijv. calcineurine), defosforylering van AMPA-receptoren en hun daaropvolgende clathrine-gemedieerde internalisatie omvat, wat een aanhoudende afname van de synaptische sterkte produceert (Malenka & Bear, 2004). Deze hebbiaanse vormen van plasticiteit worden aangevuld door spike-timing-afhankelijke plasticiteit (STDP), waarbij de precieze temporele volgorde van pre- en postsynaptische spikes bepaalt of LTP of LTD wordt geïnduceerd, wat een mechanisme biedt voor ervaringsafhankelijke verfijning van neurale circuits (Markram et al., 1997; Dan & Poo, 2004).
De pathologische gevolgen van ontregelde glutamaterge signalering zijn diepgaand en wijdverspreid. Overmatige glutamaat-accumulatie in de synaptische spleet leidt tot excitotoxiciteit, een proces dat wordt gekenmerkt door pathologische calciumoverbelasting via NMDA-receptoren, mitochondriale disfunctie, generatie van reactieve zuurstofsoorten en uiteindelijk neuronale dood. Excitotoxiciteit is een gemeenschappelijke eindroute bij acute neurologische insulten, waaronder ischemische beroerte, traumatisch hersenletsel en status epilepticus, evenals bij chronische neurodegeneratieve ziekten zoals amyotrofische laterale sclerose (ALS) en de ziekte van Huntington (Mehta et al., 2013; Lau & Tymianski, 2010). Bij de ziekte van Alzheimer manifesteert glutamaterge disfunctie zich zowel als synaptisch verlies als aberrante extrasynaptische NMDA-receptor-signalering, wat bijdraagt aan cognitieve achteruitgang; de NMDA-receptorantagonist memantine is goedgekeurd voor matig tot ernstige ziekte van Alzheimer, hoewel de werkzaamheid bescheiden is (Parsons et al., 2007). Bij schizofrenie wordt hypofunctie van NMDA-receptoren, met name op corticale GABAerge interneuronen, verondersteld het excitatoire-inhibitoire evenwicht te verstoren, wat bijdraagt aan positieve symptomen, cognitieve tekorten en de karakteristieke hyperglutamaterge toestand in bepaalde hersenregio’s (Moghaddam & Javitt, 2012). De glutamaat-hypothese van schizofrenie heeft de ontwikkeling gestimuleerd van modulatoren van de glycine-bindingsplaats op NMDA-receptoren en mGluR2/3-agonisten, hoewel klinische translatie uitdagend is gebleken (Javitt et al., 2011).
Therapeutische targeting van glutamaterge signalering wordt beperkt door de alomtegenwoordige rol van glutamaat in de normale hersenfunctie, waardoor globale modulatie problematisch is. Er zijn echter specifieke strategieën ontstaan: NMDA-receptor open-kanaalblokkers zoals ketamine hebben snelle antidepressieve effecten getoond bij subanesthetische doses, via een complex mechanisme dat aanhoudende activering van AMPA-receptoren en verhoogde BDNF-signalering omvat, leidend tot synaptogenese (Duman et al., 2019). AMPA-receptorpotentiatoren (ampakines) worden onderzocht voor cognitieve verbetering bij neurologische en psychiatrische aandoeningen (Lynch et al., 2014). Remmers van glutamaatafgifte, zoals riluzol (gebruikt bij ALS), en EAAT2-opreguleerders worden eveneens onderzocht. De toekomst van glutamaterge therapeutica ligt in de ontwikkeling van subtypeselectieve modulatoren die specifieke receptorsubeenheden of receptorcomplexen met gedefinieerde synaptische locaties targeten, off-target-effecten minimaliseren en de fysiologische glutamaatfunctie behouden.
Referenties
Bak, L. K., Schousboe, A., & Waagepetersen, H. S. (2006). The glutamate/GABA-glutamine cycle: Aspects of transport, neurotransmitter homeostasis and ammonia transfer. Journal of Neurochemistry, 98(3), 641–653.
Bliss, T. V. P., & Collingridge, G. L. (1993). A synaptic model of memory: Long-term potentiation in the hippocampus. Nature, 361(6407), 31–39.
Cartmell, J., & Schoepp, D. D. (2000). Regulation of neurotransmitter release by metabotropic glutamate receptors. Journal of Neurochemistry, 75(3), 889–907.
Coombs, I. D., & Cull-Candy, S. G. (2009). TARPs and the trafficking and gating of AMPA receptors. Journal of Physiology, 587(11), 2471–2485.
Dan, Y., & Poo, M. M. (2004). Spike timing-dependent plasticity of neural circuits. Neuron, 44(1), 23–30.
Danbolt, N. C. (2001). Glutamate uptake. Progress in Neurobiology, 65(1), 1–105.
Duman, R. S., Sanacora, G., & Krystal, J. H. (2019). Altered connectivity in depression: GABA and glutamate neurotransmitter deficits and reversal by novel treatments. Neuron, 102(1), 75–90.
Hertz, L. (1979). Functional interactions between neurons and astrocytes I. Turnover and metabolism of putative amino acid transmitters. Progress in Neurobiology, 13(3), 277–323.
Javitt, D. C., Schoepp, D., Kalivas, P. W., et al. (2011). Translating glutamate: From pathophysiology to treatment. Biological Psychiatry, 69(12), 1149–1155.
Lau, A., & Tymianski, M. (2010). Glutamate receptors, neurotoxicity and neurodegeneration. Pflügers Archiv, 460(2), 525–542.
Lerma, J., & Marques, J. M. (2013). Kainate receptors in health and disease. Neuron, 80(2), 292–311.
Lisman, J., Yasuda, R., & Raghavachari, S. (2012). Mechanisms of CaMKII action in long-term potentiation. Nature Reviews Neuroscience, 13(3), 169–182.
Lynch, G., Gall, C. M., & Kramár, E. A. (2014). Ampakines and the memory-enhancing effects of ampakines. Current Opinion in Pharmacology, 19, 70–76.
Malenka, R. C., & Bear, M. F. (2004). LTP and LTD: An embarrassment of riches. Neuron, 44(1), 5–21.
Markram, H., Lübke, J., Frotscher, M., & Sakmann, B. (1997). Regulation of synaptic efficacy by coincidence of postsynaptic APs and EPSPs. Science, 275(5297), 213–215.
Mayer, M. L., & Westbrook, G. L. (1987). The physiology of excitatory amino acids in the vertebrate central nervous system. Progress in Neurobiology, 28(3), 197–276.
Mehta, A., Prabhakar, M., Kumar, P., et al. (2013). Excitotoxicity: Bridge to various triggers in neurodegenerative disorders. European Journal of Pharmacology, 698(1-3), 6–18.
Meldrum, B. S. (2000). Glutamate as a neurotransmitter in the brain: Review of physiology and pathology. Journal of Nutrition, 130(4S Suppl), 1007S–1015S.
Moghaddam, B., & Javitt, D. C. (2012). From revolution to evolution: The glutamate hypothesis of schizophrenia and its implication for treatment. Neuropsychopharmacology, 37(1), 4–15.
Niswender, C. M., & Conn, P. J. (2010). Metabotropic glutamate receptors: Physiology, pharmacology, and disease. Annual Review of Pharmacology and Toxicology, 50, 295–322.
Nowak, L., Bregestovski, P., Ascher, P., et al. (1984). Magnesium gates glutamate-activated channels in mouse central neurones. Nature, 307(5950), 462–465.
Paoletti, P., Bellone, C., & Zhou, Q. (2013). NMDA receptor subunit diversity: Impact on receptor properties, synaptic plasticity and disease. Nature Reviews Neuroscience, 14(6), 383–400.
Parsons, C. G., Stöffler, A., & Danysz, W. (2007). Memantine: A NMDA receptor antagonist that improves memory by restoration of homeostasis in the glutamatergic system—Too little activation is bad, too much is even worse. Neuropharmacology, 53(6), 699–723.
Rose, C. F., Verkhratsky, A., & Parpura, V. (2013). Astrocyte glutamine synthetase: A pivotal enzyme in the brain. Journal of Neurochemistry, 124(1), 4–15.
Rothstein, J. D., Dykes-Hoberg, M., Pardo, C. A., et al. (1996). Knockout of glutamate transporters reveals a major role for astroglial transport in excitotoxicity and clearance of glutamate. Neuron, 16(3), 675–686.
Shigeri, Y., Seal, R. P., & Shimamoto, K. (2004). Molecular pharmacology of glutamate transporters, EAATs and VGLUTs. Brain Research Reviews, 45(3), 250–265.
Sommer, B., Köhler, M., Sprengel, R., & Seeburg, P. H. (1991). RNA editing in brain controls a determinant of ion flow in glutamate-gated channels. Cell, 67(1), 11–19.
Südhof, T. C. (2013). Neurotransmitter release: The last millisecond in the life of a synaptic vesicle. Neuron, 80(3), 675–690.
Tong, G., & Jahr, C. E. (1994). Block of glutamate transporters potentiates postsynaptic excitation. Neuron, 13(5), 1195–1203.
Traynelis, S. F., Wollmuth, L. P., McBain, C. J., et al. (2010). Glutamate receptor ion channels: Structure, regulation, and function. Pharmacological Reviews, 62(3), 405–496.
Zerangue, N., & Kavanaugh, M. P. (1996). Flux coupling in a neuronal glutamate transporter. Nature, 383(6601), 634–637.