Trafficking and ethanol-induced inhibition of AMPA receptors

Abstract

AMPA receptors are an important class of ionotropic glutamate receptors which participate in fast excitatory synaptic transmission in most brain areas. They have a pivotal role in adjustment of cell membrane excitability as their cell membrane expression levels is altered in brain physiology such as in learning and memory formation. AMPA receptor function and trafficking is regulated by several proteins, such as transmembrane AMPA receptor regulatory proteins (TARPs).

NMDA-type glutamate receptors are important target molecules of ethanol. The role of AMPA receptors in the actions of ethanol has not been clarified as thoroughly. Furthermore, the regulation of AMPA receptor synthesis and their possible adaptation in neurons with altered inhibitory mechanisms are poorly understood. In this thesis work AMPA receptor pharmacology, trafficking and synaptic localization was studied using patch-clamp electrophysiology. Both native and recombinant AMPA receptors were studied. Hippocampal slices from transgenic Thy1alfa6 mice with altered inhibition were used to study adaptation of AMPA receptors.

Ethanol was found to inhibit AMPA receptor function by increasing desensitization of the receptor, as the steady-state current was inhibited more than the peak current. Ethanol inhibition was reduced when cyclothiazide was used to block desensitization and when non-desensitizing mutant receptors were studied. Ethanol also increased the rate of desensitization, which was increased further by the coexpression of TARP-proteins.

We found that the agonist binding capability is important for trafficking AMPA receptors from endoplasmic reticulum to the cell membrane. TARP rescues the surface expression of non-binding AMPA receptor mutants in HEK293 cells, but not in native neurons. Studies with Thy1alfa6 mice revealed that decreased inhibition decrease AMPA receptor mediated excitation keeping the neurotransmission in balance. Thy1alfa6 mice also had lower sensitivity to electroshock convulsions, presumably due to the decreased AMPA receptor function.

The results suggest that during alcohol intoxication ethanol may inhibit AMPA receptors by increasing the rate and the extent of desensitization. TARPs appear to enhance ethanol inhibition. TARPs also participate in trafficking of AMPA receptors upon their synthesis in the cell. AMPA receptors mediate also long-term adaptation to altered neuronal excitability, which adds to their well-known role in synaptic plasticity.

FM Tommi Möykkysen väitöstutkimuksessa tutkittiin aivojen yleisimmän kiihdyttävän välittäjäaineen, glutamaatin, AMPA-tyyppisten reseptorien kuljetusta ja ilmentymistä solukalvolla sekä alkoholin (etanolin) vaikutuksia kyseisiin reseptoreihin. AMPA reseptorit ovat keskeisiä hermosolujen toiminnassa, koska ne välittävät sähkösignaalien siirtymistä hermosolulta toiselle kaikkialla aivoissa. Niiden määrän ja ominaisuuksien säätely on tärkeää normaaleissa fysiologisissa tilanteissa, kuten muistin ja oppimisen yhteydessä. Tämän lisäksi AMPA reseptorien toiminnan on havaittu muuttuneen myös joissakin tautitiloissa ja huumausaineiden käytön yhteydessä.

Hermosoluilla tehdyissä kokeissa etanolin todettiin lisäävän AMPA reseptoreiden inaktivaatiota, eli ei-aktiivista tilaa, mikä luonnollisesti estää reseptorien toimintaa. HEK-solulinjalla tehdyissä lisäkokeissa etanolin havaittiin nopeuttavan inaktiiviseen tilaan siirtymistä. Kokeissa havaittiin myös, että TARP-proteiinit nopeuttivat entisestään inaktiiviseen tilaan siirtymistä. Reseptorien solukalvoilmentymistä koskevissa tutkimuksissa osoitettiin, että reseptorien kyky sitoa välittäjäaine glutamaattia tarkastetaan solun sisällä ennen kuin ne kuljetetaan lopulliseen määränpäähänsä, solukalvolle. Vähentyneen estävän viestinvälityksen puolestaan todettiin vähentävän AMPA reseptorivälitteistä kiihdyttävää viestinvälitystä, mikä viittaa siihen, että hermosolut pitävät yllä tasapainotilaa hermoviestinvälityksessä.

Etanolin on todettu vaikuttavat moniin aivojen välittäjäainesysteemeihin ja proteiineihin, ja onkin ollut vaikeaa osoittaa mitkä näistä vaikutuksista ovat tärkeitä humalatilassa ja alkoholin aiheuttamissa terveyshaitoissa. Glutamaattireseptorien on pitkään tiedetty olevan etanolin kohdemolekyylejä, mutta näistä vain NMDA reseptoreita on pidetty kliinisesti tärkeänä. Tämä väitöstutkimus paljastaa osaltaan miten etanoli estää AMPA reseptorien toimintaa ja paljastaa ne olosuhteet missä etanoli vaikuttaa myös AMPA reseptoreihin. Tutkimustulosten perusteella voidaan päätellä, että etanoli vaikuttaa AMPA reseptoreihin niillä aivoalueilla, missä inaktivaatiolla on merkitystä reseptoreiden toiminnassa. Tulokset osoittavat lisäksi, että AMPA reseptoreiden kanssa yhteydessä olevat TARP-proteiinit vaikuttavat reseptorien etanoliherkkyyteen. Tuloksista voivat osaltaan auttaa alkoholin terveyshaittojen selvittämisessä ja torjumisessa.