Frontiers in Cellular Neuroscience

Introduction

Serotoniini (5-HT) on tryptofaanista syntetisoitu kemiallinen välittäjäaine, joka on säilynyt läpi evoluution. Nisäkkäillä 5-HT:n on neurotransmitterin roolinsa lisäksi kuvattu hermosolujen kytkeytyvyyden säätelijäksi kehityksen aikana moduloimalla solujen migraatiota ja sytoarkkitehtuuria (Lauder, 1993). Epänormaalit 5-HT-pitoisuudet johtavatkin nisäkkäiden hermoston poikkeavaan morfologiaan ja johdotukseen (ks. katsaus Gaspar et al., 2003). Aikuisilla havaitut hermopiirien muutokset voivat liittyä 5-HT:n toiminnan ja/tai tasojen toimintahäiriöihin keskeisissä kehitysvaiheissa, mikä voi altistaa nuoret ja aikuiset henkilöt erilaisille mielisairauksille (Hornung, 2003). Näin ollen useat tekijät, jotka voivat muuttaa 5-HT-tasoja raskauden aikana, voivat muuttaa aivojen kehitystä: muutokset ravinnossa, jotka vaikuttavat tryptofaanin saatavuuteen (Serfaty ym., 2008), stressitekijöiden aiheuttamat haasteet (Papaioannou ym, Toisin kuin 5-HT3-reseptori, joka on ionotrooppinen (Mattson ym., 2004), muut reseptorit ovat kytkeytyneet eri G-proteiineihin (Albert ja Tiberi, 2001). Koska 5-HT-reseptorit ovat niin erilaisia, niiden tarkkaa roolia aivojen kehityksessä on ollut vaikea määritellä joko yksinään tai yhdessä muiden reseptorien kanssa. Immunohistokemialliset tutkimukset osoittavat kuitenkin, että nämä reseptorit ilmentyvät varhain alkionkehityksen aikana ja että niitä säännellään dynaamisesti postnataalisesti, mikä viittaa keskeiseen rooliin aivojen kehityksen aikana (Gaspar ym., 2003). Tässä artikkelissa tarkastelemme laajasti olemassa olevaa kirjallisuutta 5-HT1A-reseptorin (5-HT1AR) välittämästä signaloinnista neuroneissa, pääasiassa hippokampuksen aivoalueella. On tärkeää korostaa, että monet 5-HT1ARiin liittyvistä signalointireiteistä on johdettu ei-neuronaalisissa soluissa tehdyistä tutkimuksista, mikä paljastaa tämän katsauksen tärkeän panoksen neurotieteen alalla.

5-HT1AR:n jakautuminen hippokampuksessa kehityksen ja aikuisuuden aikana

5-HT1AR:n transkripti havaitaan jyrsijän sikiöaivoissa vaiheessa E12, saavuttaa maksimitason E15:ssä ja vähentää sitten asteittain ilmentymistään matalalle tasolle ennen syntymää (E20; Hillion ym, 1993). 5-HT1AR:n ilmentyminen osuu samaan aikaan nuorten neuronien siirtymisen kanssa sopivaan neuronikerrokseensa alkionkehityksen aikana (Patel ja Zhou, 2005). Hippokampuksessa neuronit alkavat ilmentää 5-HT1AR:ää noin E16:ssa; vain 1-2 päivää mitoosin toteutumisen jälkeen ja ennen siirtymistä laminaarikerrokseen (Patel ja Zhou, 2005). Kehittyvässä hippokampuksessa E18:ssa tämä reseptori havaitaan interneuroneissa, jotka sijaitsevat stratum radiatumissa ja stratum oriensissa (Patel ja Zhou, 2005). Lisäksi 5-HT1AR havaitaan myös nuorten neuronien, jotka ovat juuri saavuttaneet stratum pyramidale -kerroksen, somassa ja kehittyvissä neuriiteissa (Patel ja Zhou, 2005). Olemme hiljattain havainneet 5-HT1AR:n mRNA:ta ja proteiinia 2 ja 3 päivän in vitro (DIV) aikana E18-sikiöistä saaduissa hippokampuksen primaariviljelmissä (Rojas et al., 2014). Lisäksi postnataalisen kehityksen aikana 5-HT1AR jakautuu uudelleen somasta basaalisiin ja apikaalisiin dendriitteihin; ilmiö, joka havaittiin sekä pyramidi- että granuloneuroneissa hippokampuksessa (Patel ja Zhou, 2005). Mielenkiintoista on, että aivojen neuroneissa Ypt1p-vuorovaikutustekijä homolog B (Yif1B) on tunnistettu vesikulaarimembraaniin sitoutuneeksi telineproteiiniksi, joka on suorassa vuorovaikutuksessa rotan 5-HT1AR:n C-terminaalisen domeenin kanssa välittäen tämän reseptorin solunsisäistä kulkeutumista kohti dendriittejä (Carrel et al., 2008). Lisäksi 5-HT1AR:n somato-dendriittinen jakauma, joka havaittiin varhain hippokampuksessa, vallitsee aikuisilla eläimillä; sillä on myös sijainti dendriittisissä selkärangoissa (Riad et al., 2000). Lisäksi tämän reseptorin somaattis-dendriittinen uudelleenjakautuminen voi liittyä 5-HT:n erilaisiin vaikutuksiin; ts. somaattisessa osassa reseptorin aktivoituminen voi liittyä solujen kasvun säätelyyn kontrolloimalla geeniekspressiota ja hermosolujen eksitoituvuutta; mutta dendriiteissä tämä reseptori voi säädellä hermosolujen morfologiaa (Patel ja Zhou, 2005). Aikuisilla eläimillä 5-HT1AR havaitaan mielenkiintoisesti dentate gyrusin subgranulaarisessa kerroksessa, ja sen aktivaatio lisää jyvässolujen esiasteiden proliferaatiota tällä hippokampusalueella (Gould, 1999).

5-HT1AR:n aktivaatio moduloi neuronaalista eksitabiliteettia ja vastetta välittäjäaineille

Sekä neuroneissa että aivokudoksessa on kuvattu muutamia 5-HT-reseptorien aktiivisuuteen liittyviä signaalinsiirtokaskadeja. Serotonergiset kuidut leviävät diffuusisti aivoissa, eikä niillä usein ole suoria synaptisia kontakteja. 5-HT:n vapautumisella voi kuitenkin olla tärkeä rooli hermosolujen viestinnän hienosäädössä hippokampuksessa (Vizi ja Kiss, 1998). 5-HT1AR:n aktiivisuus mahdollistaa moduloivan vaikutuksen muuttamalla neuronien ampumista. Elektrofysiologiset tutkimukset ovat osoittaneet, että 5-HT1AR:n stimulaatio raphe-ytimien serotonergisissä neuroneissa (autoreseptori) saa aikaan solujen hyperpolarisaation ja vähentää 5-HT:n vapautumista (Polter ja Li, 2010). Lisäksi 5-HT1AR:n aktivaatio aiheuttaa hyperpolarisoivia vaikutuksia hippokampuksen neuroneissa (Dong ym., 1997; Salgado-Commissariat ja Alkadhi, 1997; Tokarski ym., 2002; Tada ym., 2004). Kuitenkin ventraalisessa hippokampuksessa 5-HT1AR-aktiivisuus tuottaa epäsuoran eksitatorisen vasteen hyperpolarisaation indusoiman GABAergisen interneuronien aktiivisuuden estämisen kautta (Schmitz ym., 1995b).

Toisaalta 5-HT1AR-aktiivisuus voi heikentää glutamaattireseptorivälitteistä siirtoa CA3- ja CA1-pyramidaalisten neuronien välillä (Costa ym., 2012). 5-HT1AR:n välittämä solupolariteetin muutos tapahtuu aktivoimalla Gαi / o ja sitä seuraavalla βγ-kompleksin vapautumisella, joka laukaisee sisäänpäin oikaisevien kaliumkanavien (GIRK; kuva 1) porttauksen. Mielenkiintoista on, että toisin kuin 5-HT1A-autoreseptorien desensitisaatio (Riad et al., 2001), GIRK:iin kytkettyjen 5-HT1AR:ien jatkuva aktivoituminen hippokampuksessa ei edistä sen internalisaatiota (Dong et al., 1998). Näiden todisteiden mukaan näyttää siltä, että 5-HT1AR:ien desensitisaatio riippuu solutyypistä, jossa reseptorit ilmentyvät. Lisäksi kuvattiin, että 5-HT1AR saattaa vähentää eksitatorista transmissiota rotan CA1-hippokampuksen alueella oletetulla presynaptisella mekanismilla, joka vähentää Ca2+ -pääsyä ja glutamaatin vapautumista (Schmitz ym., 1995a).

5-HT1A-reseptorin aktivaatio välittää vastakkaisia vaikutuksia adenylaattisyklaasiaktiivisuuteen ei-neuronaalisissa ja neuronaalisissa soluissa

ihmisen 5-HT1AR:n transfektiotekniikoiden käyttö eri solulinjoissa on mahdollistanut lisäymmärryksen tämän reseptorin assosioitumisesta spesifisiin G-proteiinien transduktoreihin ja niihin liittyviin signaalireitteihin. HEK293-solulinjassa 5-HT1AR:n aktivaatio aktivoi Gαi/o:n, mikä johtaa cAMP-tasojen alenemiseen adenylyysisyklaasin (AC) tyyppi I:n eston kautta (Albert ym., 1999; kuva 2). Kuitenkin, kun HEK293-soluihin co-transfektoitiin 5-HT1AR yhdessä AC-tyypin II kanssa, agonisti (8OH-DPAT) lisäsi cAMP-tasoja, mikä vaikutus välittyy Gβγ-kompleksin kautta, joka stimuloi entsyymin aktiivisuutta (Albert et al., 1999). Samanlaisia vaikutuksia havaittiin aivolisäkkeen solulinjojen kanssa tehdyissä yhteistransfektiokokeissa (Liu et al., 1999). Mielenkiintoista on, että AC-tyypin II ja Gαi2:n, mutta ei Gαi1:n, Gαi3:n tai Gαo:n, yhteistransfektio johti agonistista riippumattomaan cAMP:n perustason nousuun, mikä viittaa siihen, että Gαi2-isomuoto edistää reseptorin konstitutiivista aktivaatiota (Albert ym., 1999). Sitä vastoin sekä Gαi2:n että Gαi3:n läsnäolo johtaa cAMP-tasojen alenemiseen, mikä viittaa siihen, että Gαi3:n vaikutus on hallitsevampi kuin Gαi2:n (Liu ym., 1999; kuva 2).

In vivo -mikrodialyysikokeet ovat osoittaneet, että 8OH-DPAT:n, agonistin, jolla on suuri affiniteetti 5-HT1AR:iin (0,65 nM) verrattuna 5-HT7R:iin (35 nM; Sprouse ym, 2004), lisää cAMP:n ulosvirtausta ventraalisessa hippokampuksessa (Cadogan et al., 1994). Tämän in vivo -tutkimuksen tulkinta on erittäin monimutkainen, koska 8OH-DPAT:n systeemiseen antoon voi liittyä raphe-ytimen serotonergisissä neuroneissa (autoreseptorit) sijaitsevien 5-HT1AR:ien osallistuminen, mikä voi vähentää 5-HT:n vapautumista kohdealueilla. Näin ollen 5-HT1AR-aktiivisuuden väheneminen useissa rakenteissa, mukaan lukien hippokampus, voi liittyä vähentyneeseen αi-kytkentään AC-tyypin I kanssa, minkä seurauksena cAMP-virtaus lisääntyy (kuva 1). Toisaalta on todennäköistä, että 8OH-DPAT ei koske ainoastaan 5-HT1AR:ää vaan myös 5-HT7R:ää, joka aktivoi AC:n (Ruat et al., 1993). Kuitenkin Cadogan et al. (1994) tutkimus osoitti myös, että 8OH-DPAT:n indusoima cAMP-evluksi estyy esikäsittelyllä WAY-100135:lla, antagonistilla, jolla on korkea selektiivisyys 5-HT1AR:lle (IC50 = 15 nM) 5-HT1B-, 1C-, α1- ja α2-adrenoseptori- ja D2-reseptoreihin nähden (IC50 > 1000 nM; Fletcher et al., 1993). Toisaalta joitakin suoria 5-HT1AR-aktiivisuuden määrityksiä on tehty nisäkkäiden marsun ja rotan hippokampuskalvoilla. Nämä tutkimukset osoittivat, että 5-HT ja 8OH-DPAT stimuloivat cAMP:n tuotantoa, vaikkakin jälkimmäisen yhdisteen teho oli vähäisempi, mikä viittaa muiden reseptorien, kuten 5HT7R:n, osuuteen (De Vivo ja Maayani, 1986). Sitä vastoin sama tutkimus osoitti, että 8OH-DPAT vähentää forskoliinin stimuloimaa cAMP-tuotantoa reseptorin kautta, jolla on 5-HT1AR:n farmakologiset ominaisuudet (De Vivo ja Maayani, 1986). Lisäksi viljeltyjen hippokampuksen neuronien pitkäaikainen altistuminen 8OH-DPAT: lle ei vaikuttanut merkittävästi 5-HT1AR: n aiheuttamaan cAMP-tuotannon estoon, mikä osoittaa, että tämä reseptori ei desensitisoidu tässä mallissa (Varrault et ai.., 1991).

Keskusteltujen todisteiden mukaan 5-HT1AR:iin liittyvä signaalireitti määräytyy luultavasti soluissa esiintyvän täsmällisen Gα-isomuodon mukaan, vaikka muiden G-proteiininmuuntimien läsnäolo voi ohjata signaalinsiirtoa muihin olemassa oleviin reitteihin. Lisäksi kun otetaan huomioon, että AC-tyyppi II ilmentyy voimakkaasti hippokampuksen neuronien somassa ja dendriiteissä (Baker et al., 1999), on mahdollista, että hippokampuksen rajoitetuilla alueilla 5-HT1AR aktivoi AC-tyypin II Gβγ-kompleksin kautta (kuva 1), samoin kuin transfektoidussa HEK-solussa (kuva 2).

5-HT1AR- ja MAPK-aktivoituminen tapahtuu monimutkaisten reittien kautta muissa kuin hermosolumalleissa

Tutkimukset ihmisen 5-HT1AR:lla transfektoiduissa kiinalaisen hamsterin munasarjasoluissa (CHO-soluissa) ovat osoittaneet, että stimulaatio 5-HT:llä ja 5-HT1AR-agonistilla 8OH-DPAT:lla edistää ERK:n fosforylaatioita (Cowen ym, 1996; Hsiung et al., 2005). Tämän vasteen osoitettiin estyvän pertussis-toksiinilla, mikä vahvisti Gαi:n ja Gαo:n osallistumisen (Cowen ym., 1996; Garnovskaya ym., 1996; Hsiung ym., 2005). 5-HT1A-välitteinen MAPK-aktivaatio CHO-soluissa estyy spesifisillä 5-HT1AR-antagonisteilla (Cowen ym., 1996; Errico ym., 2001) tai GRK:n, β-arrestiinin ja dynamiinin dominoivilla negatiivisilla mutanteilla; nämä ovat proteiineja, jotka ovat osallisina agonistin aiheuttamassa reseptorin endosytoosissa (Della Rocca ym., 1999). Lisäksi CHO-1A-27:ssä 5-HT:n indusoima fosfo-ERK1/2-tasojen nousu estyy solunsisäisen kalsiumkelaattorin (BAPTA) ja kalmoduliinin (CaM) inhibiittorin, fenotiatsiinin, lisäyksellä, mikä paljastaa Ca2+/CaM:n osallistumisen (Della Rocca et al., 1999; kuva 2). Lisäksi ERK1/2:n aktivaatio on herkkä Src-tyyppisten kinaasien estolle (Garnovskaya et al., 1998). CHO-soluissa 5-HT1AR:n välittämässä ERK-aktivaatiossa on mukana βγ-alayksikkö muuntajina (Garnovskaya et al., 1996). 5-HT1AR-aktiivisuuden indusoima βγ-alayksiköiden vapautuminen käynnistää monimolekyylisen kompleksin muodostumisen, joka sisältää Grb2:n, p46Shc:n, p52Shc:n, jota tarvitaan vaihtotekijä Son-of-sevenlessin (SOS) aktivoitumiseen, joka puolestaan aktivoi Ras/Raf/MEK-reitin (Garnovskaya ym., 1996; kuva 2). Vastaavasti CaM:n estäminen vähentää sekä Src-tyrosiinikinaasin että pienen GTP-ase Rasin aktiivisuutta, mutta ei Raf-kinaasin ja mitogeeniaktivoituneen proteiinikinaasin (MEK; Della Rocca ym., 1999) aktiivisuutta. Nämä todisteet viittaavat siihen, että Ca2+/CaM-kompleksia tarvitaan Ras-aktivoitumisen jälkeen, mutta Raf- ja MEK-aktivoitumisen edellä (Della Rocca et al., 1999; kuva 2). On todettu, että 5-HT1AR:n kolmannessa silmukassa on kaksi sitoutumiskohtaa CaM:lle (Turner ym., 2004); vuorovaikutus, joka HEK293-soluissa välittää CaM:n indusoimaa 5-HT1AR:n klatriinivälitteistä endosytoosia, joka on vaihe MEK:n ja ERK:n aktivaatiossa (Della Rocca ym., 1999; kuva 2). Näin ollen mekanismi, jolla 5-HT1AR aktivoi RAS-MAPK-reitin Gβγ:n kautta, on edelleen epävarma; se näyttää sisältävän GRK:n rekrytoinnin reseptorin fosforyloimiseksi ja sekä β-arrestiinivälitteisen internalisaation että Src:n kaltaisten kinaasien aktivoitumisen reseptorin internalisaation yhteydessä.

CHO-soluissa 5-HT1AR:n indusoima ERK:n aktivaatio sisältää fosfatidyylikoliinispesifisen fosfolipaasi C:n (PC-PLC) ja fosfoinositidi-3-kinaasin (PI3K; Cowen ym, 1996; Garnovskaya et al., 1996, 1998; Hsiung et al., 2005). Tässä samassa solutyypissä tutkimukset ovat osoittaneet, että 5-HT1AR-agonistit estävät seerumin puutteen aiheuttaman kaspaasi-3:n aktivaation, joka on ilmiö, joka liittyy PI3K-PKB- (Akt) ja ERK-reittien aktivoitumiseen (Hsiung ym., 2005; kuva 2). Lisäksi tämä sama tutkimus osoitti, että PI3K-Akt-aktiivisuus edistää IKBα:n, proteiinin, joka estää ydintekijä κB:n (NF-κB) transkriptionaalista aktiivisuutta pidättäytymällä sytosolissa, hajoamista, minkä jälkeen NF-κB translokaatio tapahtuu ytimeen (Hsiung ym., 2005; Kuva 2).

5-HT1AR ja MAPK sitoutuminen neuronisoluissa: Mahdollinen vaikutus neuronaaliseen morfologiaan

Tutkimukset, jotka tehtiin 5-HT1AR:a yliekspressoivalla HN2-5-immortalisoidulla hippokampussolulinjalla, osoittivat, että 8OH-DPAT:lla tapahtuva stimulaatio lisää hitaasti ERK:n fosforylaatiota mekanismilla, johon liittyy Gαi / o -proteiinin ja PI3K:n aktivaatio (Adayev ym., 1999; kuva 1). Lisäksi HN2-5-soluissa 5-HT1AR aktivoi PLCβ:n ja nostaa Ca2+-tasoja, mikä johtaa PKCα:n ja ERK:n aktivoitumiseen sekä kaspaasi-3-aktivoitumisen ja apoptoosin estämiseen (Adayev et al., 1999, 2003; kuva 1).

ErK1/2:n ja PI3K/PKB-signalointireittien aktivoituminen ei ainoastaan säädä hermosolujen erilaistumista ja eloonjäämistä, vaan ne myös kontrolloivat neuriittien uloskasvua ja haarautumista moduloimalla sytoskeletin uudelleenorganisoitumista (Kim ym., 2004; Jaworski ym., 2005; Kumar ym., 2005). Joissakin tutkimuksissa on osoitettu, että 5-HT:n puute varhaisessa postnataalisessa vaiheessa (P3) aiheuttaa hippokampuksen granuloneuronien dendriittien pituuden ja selkärangan tiheyden vähenemisen, ja nämä vaikutukset estetään antamalla 5-HT1AR-agonistia (Yan et al., 1997). Näiden tulosten mukaisesti hippokampuksen 5-HT1AR:n stimulaatio hiirten hippokampusten organotyyppisissä viljelmissä postnataalikaudella (P15) – joka osuu samaan aikaan synaptogeneesin huipun kanssa – lisää dendriittisen selkärangan tiheyttä ja synapsien muodostumista ERK1/2:n ja PKC:n peräkkäisen aktivaation kautta (Mogha ym., 2012); täsmällistä mekanismia ei kuitenkaan ole luonnehdittu. In vitro -tutkimukset ovat osoittaneet, että 5-HT1AR-aktivaatio indusoi sekä neuriittien määrän että pituuden lisääntymistä hiiren neuroblastoomassa (Fricker ym., 2005). Äskettäin julkaisemamme tutkimus, jossa käytettiin rotan hippokampuksen primaariviljelmiä, osoitti, että 5-HT1AR:n stimulaatio 2 DIV:ssä edistää sekundaaristen neuriittien kasvua (Rojas et al., 2014). 5-HT1AR:n välittämän neuriitin uloskasvun säätelyn taustalla olevat molekyylimekanismit on vielä selvitettävä.

Lisäksi 5-HT1AR:n farmakologinen in vivo -salpaaminen WAY-100635:llä 3-5 viikon postnataalisen kehityksen aikana lisää merkittävästi apikaalisen dendriittipuun haarautumispisteitä CA1-neuroneissa (Ferreira et ai., 2010). Lisäksi hiiren hippokampuksen primaariviljelmässä (5 DIV) 5-HT-stimulaation kuvattiin edistävän filamenttisen aktiinin depolymerisaatiota kartiokasvussa, mikä vaikutus havaittiin WT-hiirillä, mutta ei 5-HT1AR:n KO-hiirillä (Ferreira et ai., 2010). Siksi on ehdotettu, että 5-HT1AR säätelee aktiinin dynamiikkaa ja rajoittaa dendriittistä kasvua ja siten moduloi hermosolujen liitettävyyttä tietyn kehitysvaiheen aikana (Ferreira et ai., 2010). Kun otetaan huomioon todisteet kokonaisuutena, 5HT1AR edistää synapsien muodostumista mutta rajoittaa dendriitin arborisaatiota.

5-HT1AR:n aktivoituminen ei-neuronaalisissa ja neuronaalisissa soluissa ja sen yhteys PI3K-AKT-GSK-3β-reittiin

8OH-DPAT:n systeeminen anto hiirille lisää Aktin Thr308:n ja vähäisemmässä määrin Ser473:n fosforylaatiota hippokampuksessa (Polter ym, 2012). Nämä muutokset korreloivat GSK-3β:n inaktivoivan fosforylaation (9Ser; Leemhuis et ai., 2004; Polter ja Li, 2011) lisääntymisen kanssa, vaikutuksia, joita spesifinen 5-HT1AR-antagonisti WAY-100635 heikentää. In vivo -tutkimusten tulkinta on monimutkaista, koska systeemiseen antoon voi liittyä sekä raphe-ytimen serotonergisissä neuroneissa sijaitsevien autoreseptorien että heteroreseptorien aktivoituminen muissa rakenteissa, jotka poikkeavat hippokampuksen rakenteista. Siksi on mahdollista, että muutokset GSK-3β:n fosforylaatiossa ovat eri aivoalueilla sijaitsevien 5-HT-reseptorien epäsuorien vaikutusten tuote. Mielenkiintoista on, että GSK-3β:n aktiivisuus säätelee useiden mikrotubulukseen assosioituneiden proteiinien (MAP) aktiivisuutta, ja kehityksen aikana se voi ohjata aksonien kasvua ja ohjausta, prosessia, joka edellyttää mikrotubuluksen dynamiikkaa (Garrido et al., 2007). Syy-yhteyttä 5-HT1AR:n aktivaation ja Aktin ja GSK-3β:n fosforylaation välillä ei ole täysin dokumentoitu viljellyissä neuroneissa. Hippokampuksen hermosoluissa 5-7 DIV, 5CT, 8OH-DPAT ja 5-HT lisäävät Aktin fosforylaatiota Ser473:ssa (Cowen ym., 2005). Lisäksi kypsemmässä hippokampuskulttuurissa (17 DIV) stimulaatio 5-HT:llä tai 8OH-DPAT:lla lisää Aktin fosforylaatiota Ser473:ssa ja nostaa fosfo-GSK3β:tä (Chen ym., 2007). Mielenkiintoista on, että 5-HT1AR: n on raportoitu edistävän mitokondrioiden liikettä hippokampuksen neuronien aksoneissa 17 DIV: ssä, ja tämä vaikutus välittyy Aktin edistämän GSK-3β: n eston kautta (Chen et ai., 2007; kuva 1).

Vaikka aiemmat todisteet viittaavat 5-HT1AR:n aktivaation ja Aktin fosforylaation väliseen suhteeseen, on edelleen epäselvää, riippuuko tämä PI3K:n aktiivisuudesta samalla tavalla kuin CHO-soluissa kuvatulla tavalla (Hsiung ym., 2005; kuva 2). Hippokampuskudoksessa 5-HT1AR kuitenkin välittyy Gαi/0:n kautta, ja siksi on todennäköistä, että βγ-kompleksi ei ainoastaan säädä neuronaalista aktiivisuutta GIRK:n kautta, vaan myös aktivoi PI3K:ta stimuloiden Aktin fosforylaatiota, kuten on osoitettu ei-neuraalisissa solulinjoissa. On tärkeää määrittää hermosoluviljelmissä PI3K:n ja Aktin aktivaation ja sen jälkivaikuttajien välinen kausaalisuhde 5-HT1AR:n erityisen jakautumisen mukaan hermosoluissa. Lisäksi rotan aivokuoren primaariviljelmissä on raportoitu, että 5-HT1AR-aktivaatio edistää mikrotubulusten destabiloitumista, mikä vähentää NMDA-reseptorin NR2B-alayksiköitä sisältävien vesikkelien kulkeutumista dendriitteihin ja vähentää näin ollen kanavien johtavuutta (Yuen ym., 2005). Nämä todisteet osoittavat, että 5-HT1AR voi säädellä mikrotubulusten uudelleenorganisoitumista ja sekä organelli- että reseptoriliikennettä.

5-HT1AR muodostaa kompleksin GPCR:ien kanssa: A Mechanism to Modulate Its Signaling

Monissa raporteissa on kuvattu, että monenlaiset rekombinanttisissa solujärjestelmissä ilmentyvät GPCR:t voivat muodostaa homodimeerejä ja heterodimeerejä. Jotkin todisteet viittaavat siihen, että GPCR-dimeeri/oligomeerilajit voivat erota useissa näkökohdissa ei-assosioituneista reseptoreista, mukaan lukien ligandin sitoutumisaffiniteetti ja farmakologinen profiili, G-proteiinikytkentä, reseptorikauppa ja desensitisaatio (Milligan, 2007). On kuvattu, että 5-HT1AR muodostaa konstitutiivisesti homodimeerejä transfektoiduissa HEK 293 -soluissa; agonisti kuitenkin suosii monomeerien vuorovaikutusta, kun taas antagonistin läsnäolo vähentää dimerin muodostumista (Łukasiewicz et al., 2007). Mielenkiintoista on, että 5HT1AR voi myös muodostaa heterodimeerejä useiden GPCR:ien kanssa, jolloin syntyy uusia reseptorilajeja, joilla voi olla erilainen käyttäytyminen verrattuna yksittäisiin reseptoreihin. Esimerkiksi joko 5-HT1AR- tai mu-opioidireseptoreita ilmentävien solujen stimulointi spesifisillä agonisteilla laukaisee molemmissa tapauksissa MAPK:n, kaskadin aktivoitumisen, joka desensitoituu 30 minuutin stimulaation jälkeen. Kuitenkin kun molempia reseptoreita ekspressoidaan yhdessä, 5-HT1AR/μ-opioidiheterodimeerin toisen reseptorin aktivaatio estää toisen reseptorin MAPK-aktivaation (Cussac ym., 2012). Toisaalta neuroblastooma N1E-115 -soluissa tehdyt biokemialliset tutkimukset paljastivat, että 5-HT1AR muodostaa dimeerejä ja homo-oligomeerejä, ja dimeerit ovat vallitsevia lajeja plasmakalvolla (Kobe ym., 2008; Woehler ym., 2009). Lisäksi 5-HT1AR-dimeerin dissosioitumisen tai assosioitumisen korkean järjestyksen homo-oligomeereiksi kinetiikkaan ei vaikuta ligandin sitoutuminen (Kobe et al., 2008). Esimerkiksi 5-HT1AR-5-HT7R-heterodimeerien spesifinen muodostuminen osoitettiin yhteisimmunoprecipitointi- ja Forsterin resonanssienergiansiirto (FRET) -lähestymistavoilla transfektoiduissa N1E-115-soluissa, joissa oli merkityt reseptorit (Renner et ai., 2012). Lisäksi tämä tutkimus osoitti, että kun molemmat reseptorit ekspressoituvat samankaltaisilla tasoilla, 5-HT1AR-5-HT7R-lajien muodostumista suositaan verrattuna 5-HT1AR-5-HT1AR-homodimeeriin (Renner et al., 2012). Toiminnalliset analyysit, joissa käytettiin rekombinanttiproteiinin ilmentymistä Xenopus-okosyyteissä, osoittivat, että 5HT1AR:n ja 5HT7R:n samanaikainen ilmentyminen vähentää 5-HT1AR-välitteistä Gαi- ja GIRK-kanava-aktiivisuuden aktivoitumista vaikuttamatta 5-HT7R-välitteiseen Gs:n aktivoitumiseen (Renner et al., 2012). Tämä tutkimus osoitti myös, että molemmat reseptorit ilmentyvät endogeenisesti viljellyissä hippokampuksen neuroneissa ja että 5-HT7R:n knock-downin jälkeen siRNA:lla GIRK-aktiivisuus vähenee 5-HT1AR-agonistilla (Renner et ai., 2012). Tämä todiste yhdessä molempien reseptorien yhteisimmunoprecipitaation kanssa aivojen lysateissa (Renner et ai., 2012) viittaa 5-HT1AR-signaloinnin negatiiviseen säätelyyn, jota ohjaa 5-HT7R:n läsnäolo. Lisäksi havainto, että kehityksen aikana 5HT1AR vaihtelee ilmentymistään ja jakautumistaan (ts. somato-dendriittinen siirtymä; Patel ja Zhou, 2005) ja että 5-HT7R vähentää sen ilmentymistä (Kobe et al., 2012), on kohtuullista ajatella, että in vivo heterodimeeristen reseptorien osuus vaihtelee, mikä voi vaikuttaa 5-HT1AR:n välittämään 5HT-signalointiin.

Loppuhuomautukset

Yhteenvetona voidaan todeta, että useat tutkimukset ovat osoittaneet 5-HT1AR:n kytkeytymisen useisiin signaalinsiirtoreitteihin heterologisissa järjestelmissä, ja vain muutamia näistä reiteistä on tutkittu neuronaalisissa järjestelmissä, joissa ne liittyvät pääasiassa neuronaaliseen kehitykseen, neuronaaliseen kiihtyvyyteen ja selviytymiseen. Lisäksi on todennäköistä, että somaattiset reseptorit osallistuvat hermosolujen selviytymisen ylläpitämiseen, geenien ilmentymisen ohjaamiseen ja hermosolujen herätettävyyteen. Sen sijaan dendriiteissä sijaitsevat reseptorit liittyisivät läheisemmin dendriittiseen uloskasvuun ja haarautumiseen. Lisätutkimuksia tarvitaan 5-HT1AR:iin kytkeytyvien aivoaluekohtaisten ja neuronaalispesifisten signalointimekanismien selvittämiseksi ja niiden moduloimiseksi heterodimerisaatiolla muiden reseptorien kanssa, vaikutuksilla, joilla voi olla keskeinen rooli 5-HT:n vaikutuksissa kehityksen aikana ja myös joissakin mielialahäiriöissä.

Tekijän myötävaikutukset

PSR ja JLF on kirjoittanut ja editoinut käsikirjoituksen.

Irintaristiriitojen selvitys

Tekijät ilmoittavat, että tutkimus suoritettiin ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.

Kiitokset

Tätä työtä on tukenut Fondo Central de Investigación, Universidad de Chile ; tohtorintutkintoa koskeva apuraha CONICYT:ltä . Kirjoittajat kiittävät tohtori Ana María Avalosia artikkelin oikoluvusta.