АМРА-рецептор (рецептор α-амино-3-гидрокси-5-метил-4-изоксазолпропионовой кислоты, AMPAR) — ионотропный рецептор глутамата, который передаёт быстрые возбуждающие сигналы в синапсах нервной системы позвоночных. Данные рецепторы также активируются синтетическим аналогом глутамата — аминокислотой АМРА, откуда и получили своё название. АМРА-рецепторы обнаружены практически во всех структурах головного мозга, их считают наиболее распространённым типом рецепторов в нервной системе. Эти рецепторы представляют собой тетрамерные ионные каналы, которые могут состоять из субъединиц четырёх типов. АМРА-рецепторы имеют отношение к развитию некоторых заболеваний центральной нервной системы человека, таких как синдром Мартина — Белл, поэтому их изучению уделяется большое внимание.

История Рецептор был открыт группой учёных из фармакологического отделения университета Копенгагена под руководством Таге Хонор. Гомотетрамерный АМРА-рецептор, состоящий из четырёх GluR2-субъединиц, стал первым из глутаматных рецепторов, который получили в виде кристаллов.

Распространение АМРА-рецепторы — многочисленный и широко распространённый тип рецепторов в центральной нервной системе. Высокая концентрация субъединиц GluR1, GluR2 и GluR3 обнаружена в гиппокампе, наружных слоях коры переднего мозга, базальных ганглиях, обонятельных долях, миндалевидном теле и других зонах мозга. Субъединица GluR4 во многих участках мозга содержится в низкой концентрации, но в мозжечке, таламусе и спинном мозге её концентрация велика.

Методом иммунопреципитации было установлено, что в пирамидальных клетках гиппокампа экспрессируются АМРА-рецепторы, которые состоят из субъединицы GluR2 в сочетании с GluR1 или GluR3. В некоторых небольших популяциях нейронов встречаются гомомерные (то есть состоящие только из одного типа субъединиц) рецепторы GluR1. Такие рецепторы значительно отличаются по ионной проницаемости от других АМРА-рецепторов.

Экспрессия генов АМРА-рецепторов изменяется в онтогенезе. Субъединица GluR2 появляется начиная с 16-х суток эмбрионального развития мозга крысы, в то время как другие субъединицы появляются значительно позже. Также относительное количество субъединиц GluR2 может изменяться вследствие синаптической пластичности, механических повреждений нервной ткани и других факторов.

АМРА-рецепторы были обнаружены и на постсинаптической, и на пресинаптической мембране химического синапса, и в меньшем количестве на внесинаптических участках плазматической мембраны нейронов. Около 60-70 % общего количества АМРА-рецепторов в клетке постоянно находятся внутри эндоплазматического ретикулума. АМРА-рецепторы также присутствуют в клетках нейроглии, они участвуют в процессе апоптоза, вызванного глутаматной токсичностью. Активация АМРА-рецепторов в клетках глии может приводить к Ca2+-зависимой активации NO-синтазы и последующему синтезу циклического ГМФ.

+Гены, кодирующие субъединицы АМРА-рецептора Варианты названия субъединицы Локализация гена в хромосомах человека Количество аминокислот в длинном сплайс-вариантеGluR1, GluRA, GRIA1, GluA15 q31.1906GluR2, GluRB, GRIA2, GluA24 q32-q33901GluR3, GluRC, GRIA3, GluA3X q25-q26894GluR4, GluRD, GRIA4, GluA411 q22902

Структура и функции субъединиц Как было отмечено выше, структурно AMPA-рецепторы — тетрамеры, в которые могут входить субъединицы четырёх типов (GluR1—GluR4) в разных сочетаниях. Большинство АМРА-рецепторов является гетеротетрамерами, составленными «димером димеров»: одна субъединица в каждом из двух димеров обычно GluR2, а другая — GluR1, GluR3 или GluR4. AMPA-рецепторы, в состав которых входят GluR2-субъединицы, содержащие аргинин в Q/R-сайте (см. ниже), являются непроницаемыми для ионов кальция, остальные же проницаемы для этих ионов.

Субъединицы АМРА-рецепторов состоят из четырёх доменов (структурно-функциональных участков): внеклеточного N-концевого домена (); внеклеточного домена, связывающего лиганды (); трансмембранного домена () и внутриклеточного С-концевого домена () (см. Рисунок 1). Тетрамеризация субъединиц происходит благодаря взаимодействию между лиганд-связывающими, трансмембранными и N-концевыми доменами соответствующих субъединиц. Сборка рецепторов происходит в шероховатом эндоплазматическом ретикулуме, где особые механизмы обеспечивают правильное сворачивание субъединиц и их взаимное расположение. Показано, что внутри эндоплазматического ретикулума происходят изменения конформации рецепторов, связанные с их функциональной активностью: связыванием лиганда (глутамата), активацией, десенситизацией и другие; эти конформационные изменения способны влиять на процесс транспортировки рецепторов на наружную клеточную мембрану. Кроме того, значительную роль в олигомеризации рецепторов и их транспорте играют N-концевые домены их субъединиц. После окончательного формирования АМРА-рецепторы высвобождаются в цитоплазму.

Домен связывания лиганда

Домен связывания лиганда AMPA-рецептора формируется двумя внеклеточными сегментами, которые в силу исторических причин называются S1 и S2 (см. Рисунок 2). Эти два сегмента формируют структуру, напоминающую клешню, при этом сегмент S1, расположенный на N-конце мембранного сегмента М1 (см. ниже), формирует одну её половину, а сегмент S2, расположенный между сегментами М3 и М4, формирует другую (см. Рисунок 2). Участок связывания агониста помещается внутри «клешни» между двумя сегментами. Контакты между поверхностями сегментов S1, принадлежащих к разным субъединицам димера, создают несколько дополнительных мест связывания молекул аллостерических модуляторов.

Активация рецептора начинается со связывания агониста с доменом связывания лиганда. Глутамат, АМРА и их аналоги содержат структуры, соответствующие α-амино- и α-карбоксильным группам; эти группы связывают с определённые аминокислотные остатки в составе рецептора (см. Рисунок 1). Далее в процессе активации АМРА-рецептора благодаря связыванию молекулы лиганда происходит изменение конформации лиганд-связывающего домена. После связывания с агонистом сегменты S1 и S2 смыкаются гораздо теснее, чем когда рецептор находится в свободном состоянии. Сегмент S2 сдвигается и вызывает конформационную перестройку коротких цепочек аминокислотных остатков, которые объединяют домен связывания лиганда и трансмембранный домен; сегменты М3 в трансмембранных доменах субъединиц, в свою очередь, расходятся, открывая ионный канал в клеточной мембране (см. Рисунок 2). Движение сегментов S1 и S2 друг относительно друга приводит к нестабильному состоянию лиганд-связывающего и трансмембранного доменов. Стабильность макромолекулы может быть восстановлена в случае обратного открытия «клешни» в домене связывания лиганда, что происходит при закрытии ионного канала, и приводит к диссоциации комплекса лиганд-рецептор. Другой путь восстановления стабильности в макромолекуле заключается в изменении конформации контактной поверхности между субъединицами, которые формируют димер. В этом случае стабильность макромолекулы восстанавливается, лиганд остаётся связанным с ней, но ионный канал закрывается. Такое состояние рецептора называют «десенситизованным»: находясь в нём, рецептор неактивен (потому что ионный канал закрыт), но не может быть активирован, так как участок связывания агониста уже занят.

Альтернативный сплайсинг пре-мРНК субъединиц может приводить к образованию двух изоформ рецептора, называемых флип- и флоп-формами. Эти формы имеют разную чувствительность к аллостерическим модуляторам, а также у них по-разному происходят конформационные изменения в ходе активации, инактивации и десенситизации рецептора.

N-концевой домен Первые 400—450 N-концевых аминокислотных остатков каждой субъединицы АМРА-рецептора (как и во всех других ионотропных глутаматных рецепторах) формируют N-концевой домен. По аминокислотной последовательности N-концевой домен ионотропных глутаматных рецепторов очень похож на лиганд-связывающий домен метаботропных глутаматных рецепторов и некоторые белки периплазмы бактерий. Было предположено, что N-концевой домен на ранних стадиях эволюции рецепторов был приспособлен для связывания эндогенных лигандов, но впоследствии потерял эту функцию. С помощью методов генетической инженерии было создано большое количество мутантных субъединиц АМРА-рецептора, у которых N-концевой домен полностью отсутствует. Такие субъединицы способны формировать полностью функциональные рецепторы, однако, как было выяснено благодаря этим экспериментам, N-концевой домен имеет регуляторную функцию: его отсутствие влияет на вероятность открытия ионного канала рецептора, скорость инактивации, десенситизации и другие параметры.. Кроме того, в N-концевом домене обнаружены центры связывания регуляторных молекул таких, как фенилэтаноламин, ифенпродил, а также пентраксины.

Трансмембранный домен Трансмембранный домен АМРА-рецепторов состоит из четырёх трансмембранных сегментов: М1, М2, М3 и М4. В начале исследований рецептора такая структура трансмембранного домена вызвала некоторое недоумение: если аминокислотная цепь проходит сквозь клеточную мембрану чётное число раз, то её С-конец и N-конец должны быть расположены с одной стороны мембраны; но в то же время молекулярно-биологическими методами было установлено, что С-концевой фрагмент рецепторной субъединицы находится внутри клетки, а N-концевой — снаружи. Противоречие исчезло, когда выяснилось, что сегмент М2 не проходит мембрану насквозь, а изгибается и выходит на внутриклеточной стороне (см. Рисунок 2).

Способность АМРА-рецепторов, содержащих GluR2-субъединицу, пропускать ионы зависит от посттранскрипционной модификации мРНК этой субъединицы: кодон, соответствующий в мРНК глутамину (Q), расположенному в белке на вершине перегиба сегмента М2 (Q/R-сайт), может быть заменён на кодон аргинина (R). Эта модификация существенно влияет на ионный транспорт через канал рецептора: Q-форма АМРА-рецепторов пропускает ионы Са2+ и может быть заблокирована полиаминными блокаторам ионного канала; в свою очередь, R-форма практически непроницаема для ионов кальция и почти нечувствительна к внутриклеточным полиаминным блокаторам. Подавляющее большинство АМРА-рецепторов в нервной системе относится к R-форме.

При формировании рецепторного тетрамера сегменты М2 и М3 формируют собственно ионный канал. Сегмент М2 формирует его часть, выходящую на внутреннюю сторону клеточной мембраны; сегмент М3 — часть, выходящую на наружную сторону; сегмент М1, находясь кнаружи от ионного канала в плоскости мембраны, формирует внешний периметр трансмембранного домена рецептора; сегмент М4 формирует поверхность, комплементарную к поверхности сегментов М2 и М3 соседней субъединицы.

С-концевой домен С-концевой домен АМРА-рецептора является наименее консервативным доменом: его первичная структура отличается у всех подтипов субъединиц. Этот домен содержит участок связывания многих внутриклеточных белков, которые регулируют движение рецепторов в клеточной мембране, их ионопроводность и другие характеристики. Кроме того, С-концевые домены субъединиц различных типов могут взаимодействовать с различными клеточными сигнальными белками: например, С-концевой домен субъединицы GluR1 взаимодействует с гуанозинмонофосфат-зависимой протеинкиназой, С-концевой домен GluR4 — с протеинкиназой С. Такое взаимодействие обеспечивает активацию или инактивацию, мембранный транспорт и другие функции рецепторов в ответ на внутриклеточные процессы.

+Характеристики одиночного канала АМРА-рецептораСубъединицы, составляющие рецепторВероятность открытия при активации глутаматомСреднее время пребывания в открытом состоянии (мс)Электропроводность (pS)GluR1-flip0,4-1,00,2-0,98, 15, 23, 31GluR2-flipQ0,610,32; 1,477, 15, 24, 36GluR3-flip0,82GluR4-flip0,770,14; 3,39, 20, 31, 45

Трансмембранные регуляторные белки