Physiology and Pharmacology of GABAA receptors: The Brakes in the Brain

Abstract

Inhibitory neurotransmission in the brain is mostly mediated by gamma-aminobutyric acid type A (GABAA) receptors. These receptors are involved in both phasic inhibition (point-to-point inhibition, synaptic transmission) and tonic inhibition (diffuse form of inhibition, brain homeostasis). In this thesis the functional and pharmacological properties of GABAA receptors expressed in brain slices or in Sf 9 cells were studied.



GABAA receptors expressed extrasynaptically are believed to be involved in tonic inhibition. In hippocampal dentate gyrus granule cells we identified and characterized three types of extrasynaptic receptor types (GABARex) that varied in their affinity for GABA, maximal single-channel conductance and sensitivity to drugs. For the first time we showed how the GABA concentration determines the conductance of GABAA receptors in brain tissue. There is thus a direct link between the extracellular GABA concentration and the level of the tonic inhibition, providing dynamic control.



It is only within the last ten years or so that the tonic inhibition was discovered and only recently has it gained widespread interest. One reason is that it has become quite clear that the first site of action and probably often the most important site of action of drugs are the extrasynaptic receptors. We found that a drug now in clinical trials (THIP) at the clinically relevant concentration activates these extrasynaptic receptors.



It has been assumed that spontaneous openings of the receptors are only functionally significant in receptor complexes containing the epsilon-subunit or mutations. We show that alpha/beta and alpha/beta/gamma?receptors can open spontaneously and be modified by drugs. The capacity to open spontaneously may be vital for fast responses such as at synapses. This suggests that the functional properties of receptors located at synapses and outside of synapses (extrasynaptic receptors: GABARex) differ. Those at synapses open rapidly (ms) whereas those at extrasynaptic sites open after a delay of ten to hundreds of seconds. This functional difference is very important in terms of brain function as it ensures fast flow of information (synaptic transmission) but in a controlled way that is set by the gain and the time window for synaptic transmission integration via the tonic inhibition.



By using the compound SR95531, we constructed a model that accounts for activation and inhibition of both phasic- and tonic-like currents in an expression system. This model can be used to calculate what concentrations of the inhibitor to use to specifically block certain GABARex receptors in brain tissue to study how a particular population of GABARex contributes to the tonic inhibition and how it affects both excitatory and inhibitory synaptic transmission.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den huvudsakliga hämmande signalsubstansen i hjärnan är GABA (gamma-aminobutyric acid, gamma-aminosmörsyra). GABA finns i ungefär hälften av alla nervceller i hjärnan och alla nervceller i hjärnan antas ha receptorer som binder GABA. Om man tänker på alla de normala neurologiska funktioner samt rubbningar där GABA är involverat är det inte svårt att förstå GABA:s oerhörda betydelse för ett fungerande nervsystem. Dessa olika tillstånd innefattar exempelvis inlärning, minne, sömnreglering, smärta, ångest, epilepsi, muskeltension och beroende, som t.ex. alkoholberoende.



Den vanligaste receptorn för GABA kallas GABAA receptorn. Receptorn är en jonkanal som normalt är stängd men som kan öppnas av GABA och väl öppen släpper jonkanalen igenom negativt laddade kloridjoner.



Varje GABAA receptor byggs upp av fem subenheter. Dessa subenheter kan kombineras från en pool av 19 olika subenheter och beroende på hur de sätts samman bildas receptorer med olika egenskaper t.ex. känslighet för GABA och läkemedel som benzodiazepiner (t.ex. valium®). Olika regioner i hjärnan har GABAA receptorer vars sammansättning av subenheter och därmed egenskaper varierar och receptorer med olika subenheter kan även finnas på olika delar av samma nervcell.



I mitt avhandlingsarbete har jag använt en metod som kallas patch-clamp för att studera GABAA receptorers fysiologiska och farmakologiska egen-skaper. I arbete I och II har singelkanalregistrering använts på nervceller i hjärnsnitt från råtta medan arbete III och IV utfördes med helcellsregistrering på Sf 9 celler (insekts-celler) vilka manipulerats att presentera GABAA receptorer på cellytan. Nedan följer en kort beskrivning av de resultat och slutsatser som kan dras från delarbetena som utgör detta avhandlingsarbete.



GABA är involverat i två typer av hämning, inhibering, i hjärnan. Den traditionella första typen av inhibering kallas ?phasic inhibition? och innebär snabb, riktad signalering mellan två nervceller i det kontaktområde som kallas en synaps. Vid denna typ av signalering frisätts en hög koncentration av GABA som på ett synkroniserat sätt aktiverar GABAA receptorer på mottagarcellen inom en tusendels sekund. Den andra typen av inhibering, ?tonic inhibition?, involverar GABAA receptorer som inte hittas i synapsen utan utanför denna, extrasynaptiskt. De extrasynaptiska GABAA receptorerna (GABARex) är ständigt omgivna av de låga GABA koncentrationer som existerar runt nervcellerna i hjärnan. Jämfört med phasic inhibition är tonic inhibition ett relativt nyupptäckt fenomen och betydligt mindre är känt om de GABAA receptorer som ligger till grund för denna form av inhibering. I det första delarbetet har vi på singelkanalnivå studerat extrasynaptiska GABAA receptorer i en hjärnstruktur som kallas hippocampus. Denna hjärnstruktur anses vara viktig för minne och inlärning och är på grund av sin enkla organisation av celler i väldefinierade lager ofta studerad i patch-clampförsök. Vi fann att GABA aktiverade tre typer av GABARex kanaler. Jonkanalerna hade olika känslighet för GABA, olika maximala strömmar och påverkades olika av substanser med specifika krav på subenhetsuppsättning för effekt på GABAA receptorer. De olika egen-skaperna indikerar att de tre typerna av receptorer är uppbyggda av olika subenheter. Gemensamt för receptorerna var att de alla aktiverades med en fördröjning vilket skulle kunna reflektera ett säkerhetssystem där receptorerna endast aktiveras om GABA är där för tillräckligt lång tid och förhindrar därmed receptoraktivering vid en eventuell tillfällig ökning i GABA nivån. De låga koncentrationer av GABA som receptorerna lyckades känna av motsvarar de nivåer som normalt existerar runt nervcellerna i hjärnan. Förekomsten av GABAA receptorer med olika känsligheter för GABA kan ligga till grund för ett hämmande system som kan styras av GABA på ett graderat sätt.



I delarbete II har vi studerat effekterna av en substans kallad THIP på enskilda extrasynaptiska GABAA kanaler i hippocampus. THIP är en substans som tagits fram av läkemedelsföretaget Lundbbeck i samarbete med Merck, Sharp & Dome och som i dagsläget är i klinisk prövning som sömnmedel. Vi fann att THIP aktiverade GABAA kanaler på ett sätt som påminner om när låga koncentrationer av GABA aktiverar kanalerna. Med en fördröjning aktiverades först små kanaler (mindre ström) som sedan följdes av aktivering av större kanaler (större ström). De THIP-aktiverade kanalerna hade liknande elektriska egenskaper som GABA-aktiverade kanaler och kunde påverkas av diazepam (valium®). Den tid det tog för THIP att aktivera de större kanalerna var dels beroende av koncentrationen av THIP dels av närvaron av diazepam.



I tidigare publikationer har det visats att GABAA receptorer som innehåller den relativt sällsynta subenheten epsilon eller som bär på mutationer kan öppnas spontant d.v.s. utan att GABA binder till receptorn. I det tredje arbetet undersökte vi huruvida även GABAA receptorer bestående av vanligt förekommande subenheter, alpha1, beta1 och gamma2s kan öppnas spontant. För att undersöka detta använde vi substansen penicillin, vilken har förmågan att blockera GABAA receptorer genom att sätta sig som en plugg i den öppna jonkanalen och hindra joner från att passera igenom. Vår hypotes var som följer; om receptorerna öppnar sig spontant kan penicillin plugga igen dem en efter en allteftersom de öppnas och på så sätt samla kanalerna i ett öppet men igenpluggat tillstånd. När sen penicillin tvättas bort från cellen så skulle kanalerna vara tillfälligt öppna innan de hinner återgå till sitt stängda tillstånd och under tiden de är öppna kan kloridjoner flöda igenom kanalerna och vi kan registrera detta som en ström. Genom att testa denna hypotes fann vi att både alpha1beta1 och alpha1beta1gamma2s receptorer kunde öppna sig spontant. Den fysiologiska relevansen av spontana GABAA receptorer är i dagsläget inte fastställd men dessa receptorer skulle kunna bidra till de snabba GABA-svar som ses t.ex. vid synapser.



I det fjärde, och sista, delarbetet har vi studerat hur den kompetitiva hämmaren SR95531 och GABA interagerar med alpha1beta1 och alpha1beta1gamma2s GABAA receptorn. Med kompetitiv menas att SR95531 och GABA tävlar om samma bindningsställen på receptorn. Hur väl SR95531 lyckades hämma de GABA aktiverade strömmarna berodde på när SR95531 och GABA tillsattes relativt till varandra. SR95531 visade sig vara betydligt mer effektiv att hämma receptorerna då det tillsattes innan GABA jämfört med om det tillsattes tillsammans med GABA. Vidare fann vi att alpha1beta1gamma2s receptorer var mer känsliga för hämning av SR95531 jämfört med alpha1beta1 receptorer och att SR95531 påverkade olika faser av den GABA aktiverade strömmen med olika effektivitet. Vi utformade en modell för att förklara våra data. Denna modell inkluderade två bindningsställen för GABA och SR95531, där bindning av GABA men inte SR95531 till receptorn leder till öppning av jonkanalen. Med hjälp av vår framtagna modell simulerade vi effekten av SR95531 på receptorer uttryckta i synapser samt extrasynaptiskt. Resultaten i den här studien är relevanta för förståelse av GABA:s och dess hämmares interaktion med GABA-receptorer.

• author: Lindquist, Catarina
• supervisor: Bryndis Birnir
• opponent: Professor Korpi, Esa, University of Helsinki, Finland
• organization: Department of Clinical Sciences, Malmö
• publishing date: 2005
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Physiology; Pharmaceutical Sciences
• keywords: Physiology, Fysiologi, Ion channels, GABA, Inhibition
• pages: 106 pages
• defense location: Segerfalk lecture hall, BMC, Sölvegatan 17, Lund
• defense date: 2005-10-08 10:00:00
• ISBN: 91-85439-67-3
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Catarina Lindquist. 2005. Graded response to GABA by native extrasynaptic GABAA receptors. (manuscript); . 2003. Extrasynaptic GABAA channels activated by THIP are modulated by diazepam in CA1 pyramidal neurons in the rat brain hippocampal slice. Mol Cell Neurosci, vol 24 pp 250-257.; . 2004. Penicillin blocks human alpha1beta1 and alpha1beta1gamma2S GABAA channels that open spontaneously. Eur J Pharm, vol 496 pp 23-32.; . 2005. The mechanism of SR95531 inhibition at GABAA receptors examined in human alpha1beta1 and alpha1beta1gamma2S receptors. J Neurochem, vol 94 pp 491-501. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: GABA Channels in Physiology and Pharmacology (013241570)
• id: 11a2e47e-014c-45ba-ad22-53d5870233df (old id 545370)
• date added to LUP: 2016-04-01 17:11:59
• date last changed: 2018-11-21 20:47:24