GABAa Receptor Mediated Signalling in the Brain: Inhibition, Shunting and Excitation

Within central nervous system, the simple division of chemical synaptic transmission to depolarizing excitation mediated by glutamate and hyperpolarizing inhibition mediated by γ-amino butyric acid (GABA), is evidently an oversimplification. The GABAa receptor (GABAaR) mediated responses can be of opposite sign within a single resting cell, due to the compartmentalized distribution of cation chloride cotransporters (CCCs). The K+/Cl- cotransporter 2 (KCC2), member of the CCC family, promotes K+ fuelled Cl- extrusion and sets the reversal potential of GABA evoked anion currents typically slightly below the resting membrane potential. The interesting ionic plasticity property of GABAergic signalling emerges from the short-term and long-term alterations in the intraneuronal concentrations of GABAaR permeable anions (Cl- and HCO3-). The short-term effects arise rapidly (in the time scale of hundreds of milliseconds) and are due to the GABAaR activation dependent shifts in anion gradients, whereas the changes in expression, distribution and kinetic regulation of CCCs are underlying the long-term effects, which may take minutes or even hours to develop. In this Thesis, the differences in the reversal potential of GABAaR mediated responses between dopaminergic and GABAergic cell types, located in the substantia nigra, were shown to be attributable to the differences in the chloride extrusion mechanisms. The stronger inhibitory effect of GABA on GABAergic neurons was due to the cell type specific expression of KCC2 whereas the KCC2 was absent from dopaminergic neurons, leading to a less prominent inhibition brought by GABAaR activation. The levels of KCC2 protein exhibited activity dependent alterations in hippocampal pyramidal neurons. Intense neuronal activity, leading to a massive release of brain derived neurotrophic factor (BDNF) in vivo, or applications of tyrosine receptor kinase B (TrkB) agonists BDNF or neurotrophin-4 in vitro, were shown to down-regulate KCC2 protein levels which led to a reduction in the efficacy of Cl- extrusion. The GABAergic transmission is interestingly involved in an increase of extracellular K+ concentration. A substantial increase in interstitial K+ tends to depolarize the cell membrane. The effects that varying ion gradients had on the generation of biphasic GABAaR mediated responses were addressed, with particular emphasis on the novel idea that the K+/Cl- extrusion via KCC2 is accelerated in response to a rapid accumulation of intracellular Cl-. The KCC2 inhibitor furosemide produced a large reduction in the GABAaR dependent extracellular K+ transients. Thus, paradoxically, both the inefficient KCC2 activity (via increased intracellular Cl-) and efficient KCC2 activity (via increased extracellular K+) may promote excitation.

Keskushermoston välittäjäaineet ovat joko ärsyttäviä, kuten glutamaatti, tai ärsytystä estäviä. Ärsytystä hillitsevistä välittäjäaineista tärkein on gamma-aminovoihappo (GABA). Perinteisen, kalvojännitteen hetkellisen negatiivisen siirtymän eli hyperpolarisaation ohella GABA:n A tyypin (GABAa) reseptorien aktivaatio voi tuottaa päinvastaisia, jopa voimakkaasti ärsyttäviä depolaarisia vasteita. Jotta GABAa vasteet olisivat ärsytystä ehkäiseviä, kloridi (Cl-) virtauksen on suuntauduttava hermosolun sisään. Cl-:n sisäänvirtauksen mahdollistavan sähkökemiallisen pitoisuuseron synnyttäminen edellyttää solun Cl- pitoisuuden pitämistä alhaisena. Moninaiset GABAa vasteet johtuvat kanavan läpi kulkevien anionien (lähinnä Cl- ja bikarbonaatti) pitoisuusmuutoksista solun sisällä. Nopeat vaihtelut Cl- pitoisuudessa heijastelevat GABAa reseptorien synnyttämiä heilahteluja. Pitkäkestoisempi vaihtelu edellyttää muutoksia solujen kloridipitoisuutta säätelevien kationi-kloridikuljettajien (CCC) ilmentymisessä, sijainnissa ja toiminnassa. Merkittävin matalaa Cl- tasoa ylläpitävä CCC on kalium-kloridi kuljettaja 2 (KCC2), joka siirtää solusta kloridia ja kaliumia jälkimmäisen ionin sähkökemiallisen jakauman avulla. KCC2 kuljettajan puuttuminen hermosolusta heikentää GABAa reseptorien ärsytystä estävää toimintaa. Rotan keskiaivojen tyvitumakkeisiin kuuluvan mustatumakkeen dopamiinia tuottavat solut eivät ilmennä KCC2 kuljettajaa, ja GABA:n ärsytystä estävä vaikutus on vaatimattomampi kuin saman tumakkeen KCC2 kuljettajalla varustetuissa, GABA:a tuottavissa hermosoluissa. Voimakkaan aktiivisuuden aiheuttaminen vapauttaa hermosoluista suuria määriä aivoperäistä hermokasvutekijää (BDNF). BDNF:n tai aivokasvutekijä-4:n (NT-4) sitoutuminen tyrosiinikinaasi B reseptoriin (trkB) käynnisti rotan aivoturson glutamaattia tuottavissa hermosoluissa viestintäreitin joka romahdutti KCC2 toiminnan. Tämä johti solujen Cl- poiston heikkenemiseen ja heikensi GABA:n ärsytystä estäviä vasteita. Voimakas GABAa reseptorien aktivaatio tuottaa hermosoluissa kaksivaiheisia vasteita, joihin liittyy samanaikainen solunulkoisen kaliumpitoisuuden kasvu. Korkea solun ulkoinen kalium pyrkii ärsyttämään hermosoluja. GABAa reseptorien aktivaation aikana soluun pakkautuva Cl- voisi kiihdyttää KCC2:n toimintaa ja näin ollen myös lisätä kaliumin kertymistä ulkotilaan. KCC2:n toimintaa hidastava furosemidi vähensikin merkittävästi GABAa aktivaation seurauksena solunvälitilaan kertyvän kaliumin määrää. Heikentyneen KCC2 toiminnan lisäksi (solun sisäinen Cl- taso kasvaa) myös tehokas KCC2:n toiminta (solun ulkoinen kalium taso kasvaa) saattaa yllättäen edesauttaa hermosolujen ärtymistä.