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Simportador de cloruro de potasio 5

El miembro transportador 5 de cloruro de potasio (también conocido como KCC2 y SLC12A5) es un transportador de cloruro de potasio específico de las neuronas responsable de establecer el gradiente de iones cloruro en las neuronas mediante el mantenimiento de bajas concentraciones de cloruro intracelular. [5] Es un mediador crítico de la inhibición sináptica , la protección celular contra la excitotoxicidad [6] [7] y también puede actuar como un modulador de la neuroplasticidad . [8] [9] [10] [11] El miembro transportador 5 de cloruro de potasio también se conoce con los nombres: KCC2 (cotransportador 2 de cloruro de potasio) por sus sustratos iónicos y SLC12A5 por su origen genético del gen SLC12A5 en humanos. [5]

Los animales con expresión reducida de este transportador presentan graves déficits motores, actividad epileptiforme y espasticidad. [8] Los animales knockout para KCC2 , en los que KCC2 está completamente ausente, mueren posnatalmente debido a insuficiencia respiratoria. [8]

Ubicación

KCC2 es una proteína de membrana específica de neuronas que se expresa en todo el sistema nervioso central , incluidos el hipocampo, el hipotálamo, el tronco encefálico y las motoneuronas de la médula espinal ventral. [10]

A nivel subcelular, se ha encontrado KCC2 en membranas de los somas y dendritas de las neuronas, [8] [12] sin evidencia de expresión en los axones . [8] También se ha demostrado que KCC2 se colocaliza con receptores GABA A , que sirven como canales iónicos activados por ligando para permitir el movimiento de iones cloruro a través de la membrana celular. En condiciones normales, la apertura de los receptores GABA A permite que la afluencia hiperpolarizante de iones cloruro inhiba la activación de las neuronas postsinápticas. [7]

Contrariamente a la intuición, también se ha demostrado que KCC2 se colocaliza en las sinapsis excitadoras . [6] Una explicación sugerida para dicha colocalización es un posible papel protector de KCC2 contra la excitotoxicidad. [6] [7] La ​​entrada de iones debido a la estimulación sináptica excitadora de los canales iónicos en la membrana neuronal causa inflamación osmótica de las células a medida que el agua ingresa junto con los iones. KCC2 puede ayudar a eliminar el exceso de iones de la célula para restablecer la homeostasis osmótica .

Estructura

KCC2 es un miembro de la superfamilia de proteínas cotransportadores de catión-cloruro (CCC) . [13]

Como ocurre con todas las proteínas CCC, KCC2 es una proteína de membrana integral con 12 dominios transmembrana y dominios citoplasmáticos tanto N como C-terminales. Los dominios citoplásmicos terminales pueden ser fosforilados por quinasas dentro de la neurona para una rápida regulación.

Dos isoformas: KCC2a, KCC2b

Hay dos isoformas de KCC2: KCC2a y KCC2b. [8] [14] Las dos isoformas surgen de promotores alternativos en el gen SLC12A5 y del corte y empalme diferencial del primer exón de ARNm. [8] [14] Las isoformas difieren en sus extremos N, siendo la forma KCC2a la más grande de las dos variantes de empalme. [15]

Los niveles de KCC2a permanecen relativamente constantes durante el desarrollo pre y posnatal. [15]

KCC2b, por otro lado, apenas está presente durante el desarrollo prenatal y está fuertemente regulado durante el desarrollo posnatal. Se cree que la regulación positiva de la expresión de KCC2b es responsable del "cambio de desarrollo" observado en los mamíferos, desde los efectos postsinápticos despolarizantes de las sinapsis inhibidoras en las redes neuronales tempranas hasta los efectos hiperpolarizantes en las redes neuronales maduras. [8]

Los ratones knockout para KCC2b pueden sobrevivir hasta el día 17 posnatal (P17) debido a la presencia de KCC2a funcional solo, pero exhiben bajo peso corporal, déficits motores y convulsiones generalizadas. [8] Los knockouts completos de KCC2 (ausentes tanto de KCC2a como de KCC2b) mueren después del nacimiento debido a insuficiencia respiratoria. [8]

Oligomerización

Ambas isoformas de KCC2 pueden formar homomultímeros o heteromultímeros con otros simportadores de K-Cl en la membrana celular para mantener la homeostasis del cloruro en las neuronas. [5] Se han identificado dímeros, trímeros y tetrámeros que involucran a KCC2 en neuronas del tronco encefálico. [16] La oligomerización puede desempeñar un papel importante en la función y activación del transportador, ya que se ha observado que la proporción de oligómero a monómero aumenta en correlación con el desarrollo del gradiente de iones cloruro en las neuronas. [dieciséis]

Cambios de desarrollo en la expresión.

Los niveles de KCC2 son bajos durante el desarrollo embrionario de los mamíferos, cuando las redes neuronales aún se están estableciendo y las neuronas son muy plásticas (cambiables). Durante esta etapa, las concentraciones de iones de cloruro intracelular son altas debido a la baja expresión de KCC2 y a los altos niveles de un transportador conocido como NKCC1 (cotransportador 1 de cloruro de Na + /K + ), que mueve los iones de cloruro hacia el interior de las células. [17] Por lo tanto, durante el desarrollo embrionario, el gradiente de cloruro es tal que la estimulación de los receptores GABA A y los receptores de glicina en las sinapsis inhibidoras hace que los iones de cloruro fluyan fuera de las células, lo que hace que el entorno neuronal interno sea menos negativo (es decir, más despolarizado ) de lo que sería. estar en reposo. En esta etapa, los receptores GABA A y los receptores de glicina actúan como efectores excitadores en lugar de inhibidores en las neuronas postsinápticas, lo que resulta en despolarización e hiperexcitabilidad de las redes neuronales. [8] [10] [11]

Durante el desarrollo posnatal, los niveles de KCC2 están fuertemente regulados al alza, mientras que los niveles de NKCC1 están regulados a la baja. [17] Este cambio en la expresión se correlaciona con un cambio en el desarrollo de la concentración de iones cloruro dentro de las neuronas de una concentración intracelular alta a una baja. Efectivamente, a medida que se reduce la concentración de iones cloruro, el gradiente de cloruro a través de la membrana celular se invierte de modo que la estimulación del receptor GABA A y del receptor de glicina provoca la entrada de iones cloruro, lo que hace que el entorno neuronal interno sea más negativo (es decir, más hiperpolarizado ) de lo que estaría en condiciones normales. descansar. Este es el cambio de desarrollo de las sinapsis inhibidoras desde las respuestas postsinápticas excitadoras de la fase temprana de desarrollo neuronal a las respuestas postsinápticas inhibidoras observadas durante la madurez.

Función

La literatura actual sugiere que KCC2 cumple tres funciones principales dentro de las neuronas:

  1. Establecimiento del gradiente de iones cloruro necesario para la inhibición postsináptica.
  2. Protección de las redes neuronales contra la excitotoxicidad inducida por estimulación.
  3. Contribuyendo a la morfogénesis de la columna dendrítica y la función sináptica glutamatérgica.

Inhibición postsináptica

KCC2 es un simportador de potasio (K + )/cloruro (Cl − ) que mantiene la homeostasis del cloruro en las neuronas. El gradiente electroquímico de cloruro establecido por la actividad de KCC2 es crucial para la inhibición postsináptica clásica a través de los receptores GABA A y los receptores de glicina en el sistema nervioso central. KCC2 utiliza el gradiente de potasio generado por la bomba Na + /K + para impulsar la extrusión de cloruro de las neuronas. [8] De hecho, cualquier alteración del gradiente neuronal de K + afectaría indirectamente la actividad de KCC2.

La pérdida de KCC2 después de un daño neuronal (es decir, isquemia , daño de la médula espinal, trauma físico en el sistema nervioso central) da como resultado la pérdida de la regulación inhibidora y el posterior desarrollo de hiperexcitabilidad neuronal, espasticidad motora y actividad similar a convulsiones [10] como GABA. Los receptores A y los receptores de glicina pasan de efectos postsinápticos hiperpolarizantes a despolarizantes.

Protección celular

Los altos niveles de estimulación y el posterior flujo iónico a través de los canales iónicos activados pueden provocar inflamación celular a medida que el agua osmóticamente requerida ingresa a las neuronas junto con los solutos iónicos. Este fenómeno se conoce como excitotoxicidad. [6] Se ha demostrado que KCC2 se activa mediante la inflamación celular y, por lo tanto, puede desempeñar un papel en la eliminación del exceso de iones después de períodos de alta estimulación para mantener el volumen neuronal en estado estable y evitar que las células exploten. [6]

Esta función también puede explicar el hecho de que se sabe que KCC2 colocaliza cerca de las sinapsis excitadoras, aunque su función principal es establecer el gradiente de cloruro para la inhibición postsináptica. [6] [7]

Morfogénesis y función de las sinapsis glutamatérgicas.

Además de controlar la eficacia de las sinapsis GABAérgicas a través de la homeostasis del cloruro, KCC2 desempeña un papel fundamental en la morfogénesis y función de las sinapsis glutamatérgicas dentro del sistema nervioso central. Los estudios sobre el tejido del hipocampo en animales knockout para KCC2 mostraron que las neuronas que carecen de KCC2 tienen un crecimiento dendrítico atrofiado y espinas dendríticas malformadas. [8] Estudios recientes demuestran que KCC2 desempeña un papel fundamental en la estructura y función de las espinas dendríticas [9] que albergan la mayoría de las sinapsis excitadoras en las neuronas corticales. A través de una interacción con el citoesqueleto de actina, KCC2 forma una barrera molecular para la difusión de proteínas transmembrana dentro de las espinas dendríticas, regulando así el confinamiento local de los receptores AMPA y la potencia sináptica. [9]

Se ha propuesto que la regulación negativa de KCC2 observada después de un trauma neuronal y el consiguiente cambio despolarizante de las sinapsis mediadas por GABA A , puede ser un aspecto de la desdiferenciación neuronal. La desdiferenciación de las porciones dañadas del sistema nervioso permitiría que las redes neuronales volvieran a niveles más altos de plasticidad para reconectar las neuronas supervivientes para compensar el daño en la red. [8] [10] [11] Además, la transmisión glutamatérgica reducida tras la regulación negativa de KCC2 puede servir como un proceso homeostático para compensar la transmisión reducida de GABA debido a la extrusión alterada de cloruro. [9]

oncogénesis

Las mutaciones en SLC12A5 están asociadas con el cáncer de colon . [18]

Regulación

Regulación transcripcional: señalización del receptor TrkB

KCC2 se regula a la baja transcripcionalmente después de una lesión del sistema nervioso central por la cascada de transducción de señalización del receptor TrkB (activada por BDNF y NT-4/5 ). [19] [20] [21]

Regulación postraduccional: fosforilación

Convencionalmente se piensa que la fosforilación inactiva o regula negativamente a KCC2; sin embargo, existe evidencia reciente que sugiere que la fosforilación en diferentes sitios de la proteína KCC2 determina diferentes resultados regulatorios:

KCC2 tiene una tasa de recambio extremadamente alta en el plasmalema (minutos), [8] lo que sugiere que la fosforilación sirve como mecanismo principal para una regulación rápida.

Regulación negativa dependiente de la actividad

KCC2 está regulado negativamente por la actividad excitadora del glutamato sobre la actividad del receptor NMDA y la entrada de Ca 2+ . [11] [22] Este proceso implica una rápida desfosforilación en Ser940 y la escisión de la proteasa calpaína de KCC2, lo que conduce a una mayor difusión de la membrana y endocitosis del transportador, [23] como se demuestra en experimentos que utilizan el seguimiento de una sola partícula .

La liberación de glutamato ocurre no sólo en las sinapsis excitadoras, sino que también se sabe que ocurre después de un daño neuronal o una agresión isquémica. [11] Por lo tanto, la regulación negativa dependiente de la actividad puede ser el mecanismo subyacente por el cual se produce la regulación negativa de KCC2 después de una lesión del sistema nervioso central.

Ver también

Referencias

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Otras lecturas

enlaces externos

Este artículo incorpora texto de la Biblioteca Nacional de Medicina de Estados Unidos , que se encuentra en el dominio público .