N-metyyli-D-aspartaatti reseptorit eli NMDAR:ät ovat rakenteeltaan moninainen ryhmä ionotrooppisia eli ionokanaviin kuuluvia glutamaattireseptoreita (iGluR:iä), jotka aktivoituessaan päästävät lävitseen soluihin kationeja kuten Ca2+. Tyypillisten NMDAR:ien luonnollinen aktivoiva (agonistinen) ligandi on L-glutamaatti, jonka sitoutuminen reseptoriin avaa sen ionikanavan. NMDAR:ät vaativat myös aukeamiseen muista iGluR:istä poiketen D-seriinin tai L-glysiinin samanaikaisen sitoutumisen koagonistina ja solun depolarisaation, joka vapauttaa kanavaa normaalisti sulkevan Mg2+-ionin.[1] NMDAR:t ovat heterotetrameerejä, eli ne koostuvat 4:stä alayksiköstä, joista osa on keskenään erilaisia.[2] Muut iGluR:t ovat AMPA-reseptorit, kainaattireseptorit ja delta-reseptorit.[3]
Keskushermostossa NMDAR:ät ovat keskeisessä roolissa sen kehittymisessä ja muotoutuvuudessa (plastisuudessa), sekä oppimisessa ja muistamisessa.[4] NMDAR:iä on muuallakin, kuten munuaisissa, sydämessä ja luustossa, joissa ne säätelevät niiden eri toimintoja.[5]
Monet NMDAR:ien agonistit ovat eksitotoksisia ja NMDAR:ien liikatoiminnan on tutkittu liittyvän eksitotoksisin mekanismein keskeisesti hermostoa rappeuttaviin sairauksiin kuten Alzheimerin ja Parkinsonin tautiin.[8]Antagonisteista osa on tiettävästi hermosoluille myrkyllisiä ja voivat aiheuttaa Olneyn leesioita.[9]
NMDAR:ät on nimetty nimetty niiden agonistina toimivan keinotekoisen NMDA:n mukaan, jonka avulla NMDAR:ät löydettiin 1970-luvulla.[10]
Ihmisten NMDAR:ät ovat heterotetrameerisiä proteiinikomplekseja eli ne koostuvat neljästä yhteen liittyneestä proteiinialayksiköstä, joista osa on keskenään erilaisia. Rakenteeltaan moninaiset NMDAR:ät koostuvat kahdesta GluN1-alayksiköstä ja kahdesta GluN2- tai GluN3-alayksiköstä – GluN1-3 jaetaan kukin vielä eri alaryhmiin (alaotsikot alla).[2]
Kukin NMDAR:än muodostava alayksikkö jaetaan 4:ään osaan:
Solun ulkoinen aminoterminaalidomeeni (ATD) on 400–450 aminohappoa pitkä alue, joita ei tarvita ionikanavan toimintaan, mutta ne osallistuvat NMDAR:n lääkinnällisiin ja kineettisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi GluN2A voi sitoa NMDAR:n toimintaa hidastavia Zn2+-ioneita, ja GluN2B:ssä on ifenprodiilin ja sen kaltaisten aineiden sitoutumisalue.[11] Simpukkamainen LBD jaetaan vielä R1- ja R2-puolikkaisiin.[3]
Solun ulkoinen ligandia sitova domeeni (eng. ligand binding domain, LBD) on välttämätön solun ulkoinen alue. Alue on simpukkamainen, jonka S1- ja S2-puolikkaiden väliin normaalisti glutamaatti, seriini tai glysiini sitoutuu aktivoiden siten reseptorin. Sitoutuva aine riippuu alayksikön tyypistä.[11] Puolikkaista käytetään myös nimiä D1 ja D2.[3]
Solukalvon läpäisevä domeeni (eng. transmembrane domain, TMD) pitää NMDAR:ää kiinni solukalvossa, ja on upottautuneena kalvoon. TMD jaetaan vielä osiin M1, M2, M3 ja M4. M2-yksiköt ovat kanavan sisällä ja vuorovaikuttavat normaalisti Mg2+ kanssa, tai tiettyjen aineiden kuten ketamiinin kanssa.[11]
GRIN1-geenin mRNA:n vaihtoehtoinen silmukointi voi ihmisillä johtaa 8:n eri GluN1-alayksikön muodostumiseen (taulukko).[12] Geeni on kromosomikohdassa 9q34.3.
GluN2-alayksiköt ovat GluN2A, GluN2B, GluN2C ja GluN2D. Näitä koodaavat vastaavasti geenit GRIN2A, GRIN2B, GRIN2C ja GRIN2D. Alayksiköiden pituudet ihmisillä ovat vastaavasti 1442, 1456, 1220 ja 1296 aminohappoa,[12] ja ne ovat vastaavasti kromosomikohdissa 16p13.2, 12p13.1, 17q25.1, 19q13.33.
GluN3
GluN3-alayksiköt ovat GluN3A ja GluN3B. Näitä koodaavat vastaavasti geenit GRIN3A ja GRIN3B. Alayksiköiden pituudet ovat ihmisillä vastaavasti 1089 ja 985 aminohappoa,[12] ja ne ovat vastaavasti kromosomikohdissa 9q31.1 ja 19p13.3.
GluN3-yksiköt GlunN1- tai GluN2-yksiköiden kanssa tetrameerin muodostaessaan hillitsevät NMDAR:n kationien läpäisyä.[12]
Alaysikköyhdistelmät
Tetrameerisessä NMDAR:ssä tulee olla sen muodostumiseksi vähintään 2 GluN1-yksikköä (mikä tahansa 8:sta silmukointimuunnelmasta). Loput 2 voivat olla jokin 4:stä GluN2-yksiköstä ja/tai 2:sta GluN3-yksiköstä.[13] Ihmisten keskushermoston yhdistelmiä ovat esimerkiksi diheteromeerit 1/2A, 1/2B, 1/2C, 1/2D ja 1/3A. Ainakin seuraavat triheteromeeriset yhdistelmät ovat myös mahdollisia: 1/2A/2B, 1/2A/2C, 1/2B/2D ja 1/2B/3A.[14]
Eri alayksikköyhdistelmistä koostuvilla NMDAR:illä on eri perusominaisuuksia kuten niiden eriävä Ca2+ läpäisykyky, Mg2+ salpauskyky ja agonistien affiniteetit eli sitoutumisherkkyydet (taulukko).[2] Yhdistelmien ilmeneminen esimerkiksi keskushermostossa vaihtelee eliöissä niiden kehitysvaiheiden (lapsuuden, aikuisuuden) aikana, mutta yhdistelmien sijainti keskittyy myös eri alueille esimerkiksi aivoissa. GluN1-yksikköjä on niiden välttämättömyyden vuoksi laajalti keskushermoston NMDAR:issä.[13]
a esim. GluN2A-NMDAR = 2 kpl GluN1 + 2 kpl GluN2A, b solukalvon sisä- ja ulkopuolen jännite-ero
Aktivointi
Kehon tuottama NMDAR:iä aktivoiva välittäjäaine on L-glutamaatti, joka sitoutuu GluN2-alayksikön LBD:hen. Aktivointi vaatii L-glysiinin tai D-seriinin samanaikaisen sitoutumisen "koagonistina" GluN1- ja GluN3-alayksiköiden LBD:eihin. NMDAR:ien ionikanavan sisään kiinnittynyt Mg2+-ioni salpaa reseptorin kiinni. Solun sisällä on negatiivinen, noin -70 mV, jännite-ero suhteessa solun ulkopuoleen, jonka vuoksi kanavaan mahtuva positiivisesti varautunut Mg2+ pitää kanavaa kiinni.[11] Hermosolujen ulkoinen Mg2+-pitoisuus on lisäksi millimolaarisuusluokkaa ja sisäinen mikromolaarisuusluokkaa. Mg2+ poistuminen kanavasta vaatii solun voimakkaan depolarisaation. Depolarisaatio poistaa Mg2+:n, jolloin agonistia ja koagonistia sitovan NMDAR:n ionikanava aukeaa. Monimutkaisen aktivaationsa vuoksi NMDAR:t aktivoituvat hitaammin kuin muut glutaminergiset ionikanavareseptorit (kuten AMPA- ja kainaattireseptorit).[4] NMDAR:ien toimintaan vaikuttavat normaalisti myös mm. pH-arvo ja sinkki-ionit ja tietyt polyamiinit kuten spermidiini, spermiini.[15]
GluN3-NMDAR:illä ei ole sitoumispaikkaa glutamaatille ja ne aktivoituvat pelkän glysiinin tai D-seriinin vaikutuksesta. NMDAR:illä ei siis ole ensisijaista agonistia, mutta glutamaatista ja glysiinistä/seriinistä käytetään usein silti vastaavasti termejä agonisti ja koagonisti.[16]
Kanavan auetessa solun ulkoiset Ca2+-ionit virtaavat sisälle soluun – samalla K+ ja Na+ voivat läpäistä kanavan. Ionien virtaussuunta riippuu niiden solupitoisuuksista.[11] Normaalisti K+ virtaavat ulos solusta ja Na+ sisään.[17] Hallittu Ca2+ virtaus solun sisään pitää osaltaan solun elossa, mutta liika virtaus voi johtaa solukuolemaan johtavaan eksitotoksisuuteen.[11] Solun sisällä Ca2+-ionit voivat vaikuttaa mm. kalsiumista riippuviin entsyymeihin, toisiolähetteihin (proteiinikinaaseihin, fosfataaseihin), telineproteiineihin (eng. scaffold protein), solun tukirangan elementteihin, GTP:tä sitoviin proteiineihin ja adheesiomolekyyleihin. Vaikutukset ovat pitkäaikaisia ja laajoja.[18]
Hermosolujen pintojen NMDAR:istä noin 30–40 % kuitenkin vaihtaa paikkaa synaptisilta alueilta ekstrasynaptisille (ja päinvastoin) lateraalidiffuusiolla – keskimäärin nopeus on 0.05 μm2/s, eli vaihdos voi tapahtua minuuteissa. Liike riippuu NMDAR:än alayksiköistä. Esimerkiksi hippokampuksen hermosolujen GluN2B-NMDAR:t vaihtavat paikkaa synaptisille alueille, mutta GluN2A-NDAR:ien liike rajoittuu vain ekstrasynaptisille alueille. Ei tiedetä vaikuttaako hermosolujen NMDAR:ien aktiivisuus tai toiminnan estyminen agonistien/antagonistien vaikutuksesta niiden liikkeeseen.[13]
Toiminta
Munuaisissa NMDAR:ät ylläpitävät niiden normaalia toimintaa osallistumalla mm. niiden verisuoniston laajentumiseen/supistumiseen, Na+ takaisin ottoon ja virtsan erityksen säätelyyn vaikuttamalla mm. munuaiskerästen suodatusnopeuteen eli GFR-arvoon. Jatkuvan munuais-NMDAR:ien aktivaation on ehdotettu voivan johtaa munuaisten vajaatoimintaan ja kohonneeseen verenpaineeseen paikallisesti munuaisissa tai laajemmaltikin. Sydämessä NMDAR:illä on keskeinen rooli sen sähkötoiminnan säätelyssä.[5]
Ligandeja
GluN1 ligandit
Mm. nämä aineet sitoutuvat kilpailevasti GluN1-alayksikön glysiiniä tai D-seriiniä sitovalle alueelle estäen niiden sitoutumisen, ja sitten joko aktivoiden tai inaktivoiden reseptorin.
Mm. nämä aineet sitoutuvat kilpailevasti GluN2-alayksikön glutamaattia sitovalle alueelle estäen sen sitoutumisen, ja sitten joko aktivoiden tai inaktivoiden reseptorin.
NMDAR:ien liiallinen aktivoituminen johtaa eksitotoksisuuteen, joka osallistuu hermosolujen kuoleman viimeisiin vaiheisiin halvauksissa, ja sairauksissa kuten Parkinsonin, Alzheimerin, Huntingtonin ja ALS-tauti. Alzheimerin tautia hidastavana hoitona käytetään usein memantiinia, joka on NMDAR-antagonisti.[8] Pääasiassa synapsien ulkoiset (ekstrasynaptiset) NMDAR:ät laukaisevat eksitotoksisen vaikutuksen monissa hermostoa rappeuttavissa sairauksissa. Synaptiset NMDAR:t suojaavat hermostoa ja niiden pieni määrä suhteessa ekstrasynaptisiin NMDAR:iin on hermostolle vahingollista.[24]
NMDAR:ien alitoiminta on yksi teorioista skitsofrenian oireiden taustalla mm. hermostossa esiintyvän liiallisen dopamiinin lisäksi. Mm. NMDAR:ien koagonisteina toimivaa glysiiniä ja D-seriiniä, ja osittaisagonistina toimivaa D-sykloseriiniä on siksi kokeiltu hoitona skitsofrenian oireiden lievittämiseen lupaavin tuloksin.[8]
NMDAR-antagonistien on esitetty toimivan lupaavana ja nopeavaikutteisena hoitona masennukseen ja kaksisuuntaisen mielialahäiriön masennusjaksoihin. Antagonistit kuten ketamiini vaikuttavat suun kautta otettuna muutamassa tunnissa. Taas nykyisin käytetyt SSRI-masennuslääkkeet kuten fluoksetiini tehoavat vasta useiden viikkojen kuluttua säännöllisen käytön aloittamisesta.[8]
NMDAR-agonistit ovat mahdollinen osteoporoosia hoitava ja ennalta ehkäisevä hoitokeino. Glutamaatin intraperitoniaaliset pistokset hiirillä ovat osoittaneet pistosten ylläpitävän luiden mineraalitiheyttä NMDAR välitteisesti.[26]
Keho voi muodostaa vasta-aineita keskushermostonsa NMDAR:iä vastaan. Tätä autoimmuunisairautta kutsutaan NMDAR-vasta-aine aivotulehdukseksi. Sairaudessa vasta-aineet sitoutuvat NMDAR:iin solujen pinnoilla. Solut ottavat toimimattomat reseptorit sisäänsä ja seurauksena on NMDAR:ien vajaus. Noin 75 % sairastuneista paranee, mutta 25 % saa pysyviä oireita tai kuolee. Oireet ovat hermostollisia ja niihin voivat kuulua mm. vapina, hallusinaatiot ja kooma.[27]
↑D. B. Rao, P. B. Little, R. Sills: Subsite awareness in neuropathology evaluation of national toxicology program (ntp) studies: a review of select neuroanatomical structures with their functional significance in rodents. Toxicologic pathology, 2014, nro 3, s. 487–509. PubMed:24135464doi:10.1177/0192623313501893ISSN 0192-6233Artikkelin verkkoversio.