Kaskader i dopaminneuroner

VIGTIGE PROCESSER I DOPAMINERGE NEURONER.
Balancen mellem kinaser og fosfataser er vigtig for synaptisk plasticitet som langtids-potensering og langtidshæmning af synapseaktivitet, hvilket har betydning for læring og hukommelse.
cAMP/Proteinkinase A (PKA)
Adenylylcyklase
Der findes 10 kendte isoformer af adenylylcyklase, der er proteiner med 12 transmembrane segmenter.
Adenylylcyklase er kontrolleret af GPCR-receptorerne gennem forskellige G-protein underenheder.
Når de tre sammenkoblede underenheder i GPCR-receptoren α, β, og γ aktiveres af en ligand (som fx dopamin) forårsages en konformationsændring i receptoren.
Derved adskilles βγ-underenheden fra α-underenheden (se afsnittet om GCPR-receptorer).
GPCR'er koblet til Gαs proteiner stimulerer adenylylcyklase, mens GPCR'er koblet til Gαi/o proteiner hæmmer adenylylcyklasen.
Også andre G-proteinkoblede receptorer som adenosin-receptoren A2A og VIP-receptoren (Vasoactive Intestinal Peptide) i membranen binder sig til og aktiverer enzymet adenylylcyklase.
Deaktiveringen af ​​det aktive G-alfa-GTP-kompleks opnås hurtigt ved GTP-hydrolyse, fordi reaktionen katalyseres af den iboende enzymatiske aktivitet af GTPase, der er placeret i alfa-underenheden.
Visse isoformer af adenylcyklase (gruppe I) er Ca2+/calmodulin aktiverede.
Andre isoformer (AC5 og AC6) hæmmes direkte af frie Ca2+ ioner ved submolekylære niveauer af Ca2+ (mindre end 1 mikromolar) og er ikke calmodulin-afhængig.
Camp (cyklisk adenosinmonophosphat)
Aktiveret adenylylcyklase katalyserer omdannelsen af ATP til cAMP ved fosforylering af to fosfatgrupper fra ATP.
cAMP er et signalmolekyle i cellen, budbringeren mellem cellens ydre verden der aktiverer forskellige metabolitiske reaktioner i cellen.
cAMP binder sig til proteinkinase A (PKA) som er en oligomer med fire monomerer: To katalytiske og to regulatoriske enheder.
Når PKA er inaktiv blokerer de regulatoriske enheder de katalytiske.
Ved binding af cAMP til de regulatoriske enheder adskilles de fra de katalytiske enheder.
De katalytiske enheder i PKA kan nu fosforylere en række andre enzymer og transkriptionsfaktorer med forskellig effekt på processerne i cellen.
PKA-fosforylering i cellekernen (CREB):
CREB (cAMP response element-binding protein) er en kinase som kan fosforyleres direkte af PKA, eller ved krydsmekanismer med andre signal-transduktionsveje.PKA fosforylerer CREB på aminosyren Serin-133, der binder sig til en specifik DNA-sekvens (cAMP respons element CRE) der sidder på gen-promoterne
nær "transskriptions-siden" (TSS).
TSS er det sted i DNA'et hvorfra transkriptioner starter (Dannelsen af RNA fra DNA-skabelonen).
Promoterne indeholder specifikke nucleotidsekvenser og kontrollerer hvornår, hvor og hvor meget et gen bliver transkriberet ind i et RNA-molekyle.
konformationsændringen af CREB muliggør en binding til et CREB-bindingsprotein (CBP) og RNA polymerase II, som er det enzym der er hovedansvarlig for syntetisering af mRNA.
Komplekset af CREB-CBP og RNA polymerase II faciliterer nu genekspression på følgende måde:
Bindingsproteinet CBP virker som en histon- acetyltransferase på acetyl-histoner.
Histonernes binding til acetylgrupperne løsner op for DNA-strukturen hvorved der åbnes op for kromatinet.CaMKII (Ca2+/calmodulin-afhængig protein kinase II)
Niveauet af calciumioner (Ca+) i cellen er normalt 20.000-100.000 gange lavere end det ekstracellulære niveau.
Udover indholdet af Ca+ i cytoplasmaet, opbevares det i endoplasmatiske reticulum (ER) og i mitokondrierne.
Ved stimulering af fx dopaminerge neuroners receptorer åbnes ionkanaler i ER eller i cellemembranen og calciumkoncentrationen i cytoplasmaet stiger.
Dette resulterer i nedstrøms cellulære processer, hvor Ca+ fungerer som sekundær budbringer (second messenger) i signaltransduktionsprocessen.
Mange af de Ca+ medierede processer opstå når Ca+ binder sig til det regulatoriske protein calmodulin.
Calmodulin er et lille men vigtigt protein der fungerer som signaltransducer i cellerne.
Calmodulin binder sig til fire kalciumioner (Ca2+).
Calmodulin med bundet Ca2+ er en kinase der kan aktivere mindst seks signaleringsenzymer på egen hånd, men den har også en effekt som regulator af CaMKII.
CaMKII er en serin/threonin-specific proteinkinase, (der fosforyliserer OH-gruppen i aminosyrerester i serin eller threonin).
CaMKII virker som kinase i mange signalkaskader, men en af de vigtigste er måske dets evne til langsigtet potensering af synapsen.
Synaptisk styrke ligger til grund for hukommelsesdannelse og læring i hjernen. Ændringer i denne styrke bestemmes af pulser af Ca+ der strømmer ind i cellen. Forskelle i pulsernes størrelse og varighed bestemmer om en synapse potenseres eller hæmmes efter gentagen synaptisk aktivitet.
Gq/PLC kaskaden.
Gq protein alpha underenheden er en del af familien af GCPR proteiner (se afsnittet om GCPR-receptorer). Den aktiverer beta-typen fosfolipase C enzymerne (PLC-β).
PLC-β hydrolyserer fosfatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2. Et fosfolipid i membranen) til diacyl glycerol (DAG) og inositol trifosfat (IP3), der begge virker som second messengers.
IP3 bevæger sig ind i cytoplasmaet og binder sig til receptorer på det endoplasmatiske reticulum, hvor det udløser Ca+ fra de intracellulære lagre.DAG forbliver i membranen og, sammen med det udløste Ca+, udløser det en af proteinkinaserne C (PKC'er), kaldet den "klassiske" PKC.
PKC er normalt inaktivt i cytoplasmaet indtil det aktiveres af DAG og Ca+.
Ved aktivering bindes PKC.
DAG og Na+ bindes sammen af C2 domænet (C1 og C2: Proteinmoduler der fungerer som bindingspartnere), hvorefter det bringes til og forankres i membranen.
PKC'er har mange funktioner, men her fokuseres deres rolle i signaltransduktion.
PKC fungerer som et lipidreguleret enzym der fosforylerer specifikke serin/threonin-rester på målproteinet, hvorved de igangsætter en fosforyleringskaskade der transmitterer de oprindelige eksterne stimuli til forskellige nedstrøms intracellulære effektorer.
NMDA-RECEPTOREN (NMDAR)
NMDAR (N-methyl-D-aspartate receptor) er en spændingsafhængig glutamat/Ca2+ ionkanal i neuroner der interagerer med dopaminreceptorer, særligt med Gas og Gai.
Aktivering af NMDA-receptoren kræver ligandbinding af både glutamat og glycin i modsætning til de to andre ionotrope glautamatreceptorer AMPA- og kainat-receptorer.
NMDAR består af flere forskellige undertyper af receptorer. En essentiel komponent i alle undertyperne er NR1. NR1 kan igen splittes op i mindst otte varianter med forskellige funktioner.
Dopamin- og glutamatreceptorer styres af flere forskellige faktorer, der påvirker forskellige signalsystemer, så resultaterne af disse kan være meget forskellige.
Glutamatreceptorer er ionotrope og metabotrope.
Ionotrope glutamatreceptorer, som α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-propionat (AMPA), kainat (KA) og NMDA er koblet til ligandstyrede kationkanaler.
Metabotropiske glutamatreceptorer er G-proteinkoblede og medfører en kæde af forskellige signaltransduktionssystemer.
Der findes 8 forskellige metabotropiske receptorer (mGluR1-8).
To af disse er aktiverende og resten er hæmmende.
Magnesiumioner (Mg2+) bokerer normalt for NMDAR ved at binde sig inde i receptorkanalen og forhindre ind- og udstrømning af Ca+ og Na+ ioner.
Dette sker i cellens hvilepotentiale, altså når den er hyperpolariseret og mere negativ.
Ved påvirkning af andre receptorer, som fx AMPA-receptorer, depolariseres cellen og bliver mere positiv, hvorved Mg+ skubbes ud af kanalen og tillader Ca2+ at strømme ind.
Indstrømningen af især Ca2+ ioner fører til permanente ændringer i antallet af receptorer og følsomhed i synapsen. Derved bliver synapsen stabiliseret og mere følsom for efterfølgende signaler (på engelsk long-term-potentiation), hvorved der etableres "motorveje" i hjernens neuronale netværk. Dette menes, at være måden hjernen etablerer hukommelse, og receptoren spiller derfor en vigtig rolle i indlæring.
Lidt groft skitseret (se nedenfor), kan man sige, at glutamat og dopamin frigives fra forskellige steder i hjernen og mødes i striatum (en del af basalganglierne), hvor de ender på de samme dendritiske "pigge" (små udvækster på dendritterne hvor synapsen sidder yderst) og interagerer.
Glutamat og dopamin interagerer også præsynaptisk, hvor fx D2-receptorer kan reducere glutamat-frigivelse. Omvendt kan dopaminfrigivelse også moduleres ved aktivering af glutamatreceptorer placeret på dopaminterminaler.
Fysisk kan D1-lignende receptorer og NMDA-receptorer interagere ved en direkte protein-protein-interaktion medieret af caboxyl-ende regionerne på begge receptorer.
Aktiveringen af NMDA-receptorer øger antallet af D1-receptorer på membranen og forstærker D1-receptormedieret cAMP-akkumulering.
Nogle NDMA-Interaktioner med sekundære budbringere (Second messengers).
1) Proteinkinase A (PKA).
2) DARPP-32
3) Fosforylering af NMDAR NR1-underenheder.
Her reguleres NMDA-receptorens funktion, lokalisation og interaktion med forskellige andre proteiner. Denne proces medieres af forskellige kinaser, herunder PKA, PKC og CaMKII.
4) Aktivering af spændingsstyrede Ca2+-kanaler, især L-type kanaler, hvor en stigning i membranpotentialet (depolarisering) tillader indstrømning af Ca+ i cellen, der så i sig selv virker som en sekundær budbringer.DARPP-32/PP-1
For dette se selvstændigt afsnit om DARPP-32 og PP-1

Kilder: Billede Barry John Everitt

Hovedstudiet;
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0896627300807989

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11469830/
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3482462/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK5280/#:~:text=N%2Dmethyl%2DD%2Daspartate%20(NMDA)%20and%20dopamine%20(DA)%20receptors%20and,coordinated%20functions%20of%20NMDA%20and%20DA%20receptors.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC11469830/
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC3482462/
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK5280/#:~:text=N%2Dmethyl%2DD%2Daspartate%20(NMDA)%20and%20dopamine%20(DA)%20receptors%20and,coordinated%20functions%20of%20NMDA%20and%20DA%20receptors.
https://milife.dk/artikler/dendritiske-rygsoejler-saadan-lagres-hukommelsen-i-hjernen/
Prof. Rasmus P. Clausen
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925818395127
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6793575/
https://www.frontiersin.org/journals/behavioral-neuroscience/articles/10.3389/fnbeh.2011.00056/fulL
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0021925819594157
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC2863198/
https://jamanetwork.com/journals/jamaneurology/fullarticle/785704
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S096999612300253X
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9712151/