Recettori ionotropici del Glu: NMDAR

Gli NMDARs derivano dall’assemblaggio tetramerico di due eterodimeri, ognuno dei quali è costituito da una subunità NR1 e da una delle quattro possibili subunità NR2 (NR2A-D; Cull-Candy et al., 2001); queste ultime possono, inoltre, essere sostituite da una delle subunità NR3A-B (Mayer, 2005). Ciascuna subunità comprende un dominio extracellulare N-terminale, tre regioni transmembrana (M1, M3, e M4) e un loop

rientrante (M2) che formano il poro centrale, e un dominio intracellulare C-terminale. I domini N-terminali, in particolare, contengono il sito di legame per il Glu, mentre il dominio C-terminale interagisce con proteine intracellulari aventi la funzione di messaggeri o semplici proteine di ancoraggio, quali le MAGUK (proteine che legano la guanilato chinasi associate alla membrana), attraverso un dominio di legame PDZ (fig. II.3). Numerosi studi hanno consentito di individuare una serie di proteine scaffold ed enzimi che si legano al dominio C-terminale (Mishra et al., 2006) determinando la formazione di complessi macromolecolari di segnale con dimensioni di circa 1-2 MDa noti come NRC (Complesso recettore NMDA) o MASC (complessi di segnalazione associato a MAGUK; Husi et al., 2000; Husi et al., 2001). Sebbene la presenza della subunità NR1 nel recettore sia indispensabile per il riconoscimento del Glu così come di altri ligandi, le subunità NR2 svolgono un ruolo altrettanto importante, in accordo con le numerose aberrazioni fenotipiche osservate in seguito alla mancata espressione di una di queste subunità. In topi knock-out per NR2A si osservano infatti deficit nell’apprendimento spaziale ed in generale nella realizzazione dell’LTP, confermando l’importanza di tale subunità nell'HIP (Sakimura et al., 1995). Analogamente, la mancata espressione di NR2B determina morte neonatale a P0, associata tra l’altro ad un’anomala formazione del nucleo trigeminale del tronco cerebrale (Kutsuwada et al., 1996). La mancata espressione di NR2C causa invece una diminuzione delle correnti NMDAR-mediate nelle cellule granulari del cervelletto e, infine, la doppia deplezione NR2A/NR2C determina una ridotta coordinazione motoria (Ryan et al., 2008). Tali risultati sono da interpretare alla luce sia del ruolo che le subunità NR2 giocano nel mediare le interazioni del complesso recettoriale con proteine intracellulari, che del loro pattern di espressione spazio-temporale durante lo sviluppo pre- e post-natale. In tal contesto, numerosi studi hanno riscontrato un’espressione ubiquitaria di NR2A e NR2B in tutto il proencefalo, compreso l'HIP; l’espressione di NR2C è limitata al cervelletto mentre NR2D si trova prevalentemente nel mesencefalo. Inoltre, mentre NR2B è espresso sia durante il periodo embrionale che dopo la nascita, NR2D è principalmente espresso durante lo stadio embrionale; al contrario, NR2A e NR2C sono espressi esclusivamente nella fase post-natale. E’ interessante notare come i quattro geni codificanti le subunità NR2A-D presentino un’elevata omologia di sequenza, suggerendo una loro derivazione da eventi di duplicazione genica a partire da un unico gene. A supporto di tale ipotesi, negli Invertebrati è stato identificato un singolo gene NR2 (fig.II.6).

a) b)

Fig. II. 6. Modello dell’NMDAR con siti di legame per i diversi ligandi a); subunità NR2 b): A sinistra uno schema della subunità NR2A o NR2B dei Vertebrati, che presentano un lungo dominio C terminale intracellulare. A destra la subunità NR2 degli Invertebrati che invece presenta un breve dominio intracellulare C terminale (modificato da Ryan et al., 2008).

Meccanismi di azione degli NMDARs

Come anticipato nel paragrafo precedente, l’attivazione del sistema Gluergico segue quella del sistema GABAergico durante la maturazione neuronale embrionale e dell’encefalo adulto. A differenza dei GABAARs, la cui attivazione è indotta dal legame

del GABA, la stimolazione degli NMDARs richiede la compartecipazione di due meccanismi, il legame del ligando e la depolarizzazione della membrana post-sinaptica. In condizioni di riposo, infatti, gli NMDARs si presentano in forma associata agli ioni magnesio (Mg2+) i quali esercitano un controllo negativo sul recettore. In questa configurazione, anche in seguito all’arrivo di un potenziale d’azione ed al rilascio di Glu non si ha alcuna attivazione dell’NMDAR. La sua funzionalità viene ripristinata, invece, in seguito ad un aumento del potenziale di membrana determinato dall’afflusso di ioni Na+ e K+ mediato dall’AMPAR, e conseguente rimozione del Mg2+. A questo punto, la rimozione del blocco operato dal Mg2+, il legame del Glu ed il legame di un co-ligando, quale la glicina, consentono l’attivazione degli NMDARs, con ingresso di Ca2+ (Wu et al., 2001; Lee et al., 2003) e stimolazione di secondi messaggeri responsabili delle diverse forme di plasticità sinaptica (Bear et al., 1994; Cull-Candy et al., 2001). La stretta dipendenza funzionale degli NMDARs dagli AMPARs è stata dimostrata in numerosi studi, nei quali sinapsi che esprimevano l’NMDAR ma non l’AMPAR risultavano elettrofisiologicamente silenti. Un altro esempio in tal senso è fornito dalle “sinapsi silenti” che si formano nelle fasi iniziali dello sviluppo neuronale le quali, esprimendo solo NMDAR, non sono in grado di avviare potenziali d’azione in risposta

al rilascio di Glu pre-sinaptico. Tuttavia, a causa di un’elevata affinità per il neurotrasmettitore eccitatore, e della temporanea insensibilità agli ioni Mg2+, i neo NMDARs possono essere facilmente attivati permettendo l’afflusso spontaneo di ioni Ca2+. La stimolazione intracellulare interna, sebbene debole, è comunque sufficiente ad indurre il targeting sinaptico degli AMPARs, creando connessioni funzionali tra cellule neuronali (Punnoose et al., 2004). Numerosi studi genetici e farmacologici hanno dimostrato che gli NMDARs sono necessari per il normale apprendimento del territorio, così come nell’induzione di numerose forme di LTP (Bear et al., 1994; Cull-Candy et al., 2001) ed inoltre sono fondamentali per lo sviluppo attività-dipendente del cervello, in particolare nella corteccia somatosensoriale e visiva degli adulti (Dickson et al., 2003).