Funktion des neuronalen Cannabinoidrezeptors

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Präsynaptische Hemmung
Funktion des neuronalen
Cannabinoidrezeptors
BELA SZABO
INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE UND KLINISCHE PHARMAKOLOGIE UND
TOXIKOLOGIE, UNIVERSITÄT FREIBURG
Die Aktivierung des G-Protein-gekoppelten CB1-Cannabinoidrezeptors im
Gehirn führt zur präsynaptischen Hemmung der synaptischen Übertragung. Physiologisch wird dieser Rezeptor von den Endocannabinoiden
2-Arachidonylglycerol und Anandamid aktiviert.
Activation of the G protein-coupled CB1 cannabinoid receptor in the brain
leads to presynaptic inhibition of synaptic transmission. Physiologically,
this receptor is activated by the endocannabinoids 2-arachidonylglycerol
and anandamide.
ó Die psychotrope Komponente der Pflanze
Cannabis sativa ist Δ9-Tetrahydrocannabinol.
Während der vergangenen 20 Jahre wurden
viele Entdeckungen über die Wirkungsweise
dieser Substanz gemacht. Zunächst wurden
zwei G-Protein-gekoppelte Rezeptoren – CB1
9-Tetrahydrocannabinol
Anandamid
2-Arachidonylglycerol
3
DAGL
3
Fettsäure
MAGL
Diacylglycerol (DAG)
PLCInositol-P3
Arachidonsäure
Phosphatidylinositoldiphosphat (PIP2)
˚ Abb. 1: Chemische Struktur des wichtigsten Phytocannabinoids Δ9-Tetrahydrocannabinol und
der wichtigsten Endocannabinoide 2-Arachidonylglycerol und Anandamid. Bei 2-Arachidonylglycerol sind auch Wege der Synthese und des Metabolismus dargestellt. Die beteiligten Enzyme Phospholipase C-β (PLC-β), Diacylglycerol-Lipase (DAGL) und Monoacylglycerol-Lipase (MAGL) sind
rosa unterlegt.
und CB2 – als primäre Zielproteine für Δ9Tetrahydrocannabinol identifiziert. Dann wurden die endogenen Agonisten der Rezeptoren
(Endocannabinoide) entdeckt. Schließlich
wurden synthetische Agonisten und Antagonisten hergestellt. Der CB1-Rezeptor ist vor
allem in Neuronen lokalisiert, und diese Übersicht ist auf die Funktion des CB1-Rezeptors
fokussiert. Der CB2-Rezeptor kommt vor allem
in immunrelevanten Geweben und Organen
vor, wie Milz, Tonsillen, Thymus, Knochenmark, B-Lymphozyten und Monozyten/
Makrophagen.
Der CB1-Rezeptor
Der CB1-Rezeptor ist ein typischer Gαi/o-Protein-gekoppelter Rezeptor. Er ist Pertussistoxin-sensitiv, und seine Aktivierung führt zur
Hemmung der Adenylatzyklase. CB1-Rezeptor-Aktivierung kann auch zur Hemmung von
N-, P/Q- und L-Typ von spannungsabhängigen Kalziumkanälen führen. G-Protein-gekoppelte einwärtsgerichtete Kaliumkanäle
(GIRK-Kanäle) werden dagegen aktiviert.
Über einen komplexen Mechanismus kann
der CB1-Rezeptor auch die MAPK(mitogenactivated protein kinase)-Signalkaskade aktivieren.
CB1-Rezeptoren sind im zentralen und peripheren Nervensystem ubiquitär. Ihre Dichte
im Gehirn ist besonders hoch: Verglichen mit
anderen G-Protein-gekoppelten Rezeptoren
besitzen sie wahrscheinlich die höchste Dichte. Sie kommen in allen größeren Gehirnregionen vor, wie Medulla oblongata, Cerebellum, Mittelhirn, Thalamus, Hypothalamus,
Hippocampus, Amygdala, Basalganglien und
Cortex. Im peripheren Nervensystem sind die
CB1-Rezeptoren in primären nozizeptiven
Neuronen, an Neuronen des Sympathikus und
des Parasympathikus und im Darmnervensystem vorhanden. Interessanterweise sind
die CB1-Rezeptoren nicht homogen in den verschiedenen Regionen eines Neurons verteilt.
Sie sind vorrangig in der Membran der Axonterminale lokalisiert, ihre Konzentration in
der Membran des somatodendritischen Kompartiments ist deutlich niedriger.
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Glu
Glu
D
mGlu
R1
1 -R
GD
-ß
DAGL
CB
1
q/1
C
PL
i/o
GD
AG
CaM
CaMKinase II
GEJ
PIP2
IP3
Glycerol
AS
Ca2+
Ca2+
2-AG
'9 -T
MAGL
C
VGC
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präsynaptisches
Axonterminal
-R
Das erste Endocannabinoid, Arachidonylethanolamid (Anandamid; Abb. 1), wurde
1992 entdeckt. Es ist ein partieller Agonist an
CB1- und CB2-Rezeptoren und kann zusätzlich auch TRPV1-Rezeptoren (Vanilloidrezeptoren) aktivieren. Im Jahre 1995 wurde
ein weiteres Arachidonsäurederivat, 2-Arachidonylglycerol, als endogener Cannabinoidagonist identifiziert. Es ist ein Vollagonist
an beiden Cannabinoidrezeptoren, und seine
Konzentration im Gehirn ist viel höher als die
Konzentration von Anandamid. Verschiedene Derivate von Anandamid und 2-Arachidonylglycerol wurden im Körper nachgewiesen,
ihre Bedeutung neben den zwei „großen“ Endocannabinoiden ist jedoch ungeklärt.
Endocannabinoide werden nicht in synaptischen Vesikeln gespeichert, wie die klassischen Neurotransmitter. Nach ihrer on
demand-Synthese verlassen sie die Zelle
durch Diffusion. Ihre Wirkung wird durch
Aufnahme in Neurone und anschließende
enzymatische Spaltung beendet. Hier wird
beispielhaft auf die Synthese und Elimination von 2-Arachidonylglycerol eingegangen.
Neurone und Gliazellen können 2-Arachidonylglycerol synthetisieren (Abb. 1 und 2).
Der am besten charakterisierte Weg der 2Arachidonylglycerol-Produktion führt über
die Hydrolyse von Phosphatidylinositoldiphosphat (PIP2) durch Phospholipase C (PLCβ) und die anschließende Abspaltung eines
Fettsäurerestes von Diacylglycerol durch Diacylglycerol-Lipase (DAGL). Immunhistoche-
la
po n
De atio
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Endocannabinoide
NMDA-R
PA
AM
Die physiologischen Agonisten des CB1Rezeptors sind die Endocannabinoide. Der
am besten bekannte exogene Agonist ist Δ9Tetrahydrocannabinol (Abb. 1); dabei handelt
es sich nur um einen partiellen Agonisten,
der auch am CB2-Rezeptor wirkt. Heute sind
viele selektiven synthetischen Agonisten verfügbar, die chemisch-strukturell manchmal
mit den Endocannabinoiden, manchmal mit
Δ9-Tetrahydrocannabinol verwandt sind.
Der erste CB1-selektive Antagonist,
SR141716 (internationaler Freiname: Rimonabant), wurde 1994 bei Sanofi synthetisiert.
Heute haben wir mehrere selektive CB1-Antagonisten (Taranabant, Otenabant etc.). Die
meisten von ihnen sind inverse Agonisten,
das heißt sie können auch konstitutiv-aktive
CB1-Rezeptoren hemmen. Rimonabant war in
Europa für die Dauer von zwei Jahren für die
Behandlung der Obesität zugelassen. Die Substanz wurde jedoch zurückgezogen, vor allem
wegen psychiatrischer Nebenwirkungen.
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HC
˚ Abb. 2: Hemmung der synaptischen Transmission durch exogene Cannabinoide und durch das
Endocannabinoid 2-Arachidonylglycerol (retrograde signaling). Freigesetztes Glutamat (Glu) aktiviert postsynaptische AMPA- und NMDA-Glutamatrezeptoren. Der CB1-Rezeptor (CB1-R) ist am
präsynaptischen Axonterminal lokalisiert. Seine Aktivierung führt über Gαi/o- und Gβ/γ-Proteine
zur Hemmung des spannungsabhängigen Kalziumkanals (voltage-gated calcium channel, VGCC)
und so zur Hemmung der Glutamatfreisetzung aus dem synaptischen Vesikel. Der CB1-R kann von
exogenen Cannabinoiden (z. B. Δ9-Tetrahydrocannabinol, Δ9-THC) oder vom Endocannabinoid
2-Arachidonylglycerol (2-AG) aktiviert werden. 2-AG wird aus Dendriten des postsynaptischen
Neurons freigesetzt. Es entsteht aus Phosphatidylinositoldiphosphat (PIP2) über Diacylglycerol
(DAG) mit Beteiligung der Enzyme Phospholipase C-β (PLC-β) und Diacylglycerol-Lipase (DAGL).
Die 2-AG-Produktion kann durch Kalzium, das durch den VGCC oder den NMDA-Rezeptor in die
Zelle gelangt, stimuliert werden. Aktivierung von Gαq/11-Protein-gekoppelten Rezeptoren (z. B.
metabotrope mGluR1-Glutamatrezeptor) kann ebenfalls zur 2-AG-Produktion führen. Nach der retrograden Diffusion zum präsynaptischen Axonterminal wird 2-AG durch die MonoacylglycerolLipase (MAGL) in Arachidonsäure (AS) und Glycerol umgewandelt.
mische Untersuchungen zeigen DAGL häufig
in Dendriten und dendritischen Spines (Dornfortsätzen) in der Nähe von Synapsen mit CB1Rezeptor-positiven Axonterminalen. DAGL
kann durch Orlistat (Tetrahydrolipstatin)
gehemmt werden. In diesem Jahr wurde über
die Generierung von DAGL-Knock-out-Mäusen berichtet [1].
Nach seiner Synthese diffundiert 2-Arachidonylglycerol aus der Zelle und aktiviert
Cannabinoidrezeptoren. Die Wirkung von 2Arachidonylglycerol wird durch Diffusion in
Zellen und anschließende enzymatische Spaltung beendet. Es wurde angenommen, dass
die Aufnahme in die Zellen durch einen speziellen Endocannabinoid-Transporter gefördert wird (endocannabinoid membrane transporter, EMT) – der definitive molekularbiologische Beweis für die Existenz des EMT fehlt
jedoch. In den Zellen angekommen wird 2Arachidonylglycerol vor allem durch die
Monoglycerol-Lipase (MAGL) gespalten. Bei
immunhistochemischen Untersuchungen
wurde MAGL meistens in präsynaptischen
Axonterminalen beobachtet. MAGL kann
selektiv von der vor Kurzem synthetisierten
Substanz JZL184 gehemmt werden [2].
Zyklooxygenase-2 und Lipoxygenasen (12LOX und 15-LOX) können theoretisch ebenfalls zur Elimination von 2-Arachidonylglycerol beitragen.
CB1-Rezeptor-vermittelte Wirkungen
Wegen ihres ubiquitären Vorkommens im
Nervensystem vermitteln CB1-Rezeptoren viele unterschiedliche Wirkungen, wenn sie von
exogenen oder endogenen Cannabinoiden
aktiviert werden. Im Folgenden werden ein
paar Beispiele für diese Wirkungen genannt.
In Mäusen lösen Cannabinoide typischerweise vier Wirkungen gleichzeitig aus (tetrad): Sedierung/Hemmung der Bewegung,
Antinozizeption, Hypothermie und Katalepsie. Zudem wirken Cannabinoide „belohnend“
(rewarding) bei Tieren: Sie werden „selbstappliziert“, und sie führen zur konditionierten
Platzpräferenz. Toleranz- und Abhängigkeitsentwicklung werden ebenfalls beobachtet. Cannabinoide haben eine antikonvulsive
Wirkung. Exogene Agonisten, aber auch unter
pathophysiologischen Bedingungen gebildete Endocannabinoide, haben eine neuroprotektive Wirkung nach Ischämie und Gehirntrauma.
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A
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CB1 mRNA
CB1 Protein
B
FSN
AP
MSN
MSN
IPSCs
80
-6
RIM 10 M
-6
WIN 5 x 10 M
40
0
PRE
0
B1
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IPSC Amplitude [pA]
400
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PRE
20
30
WIN
40
50 min
RIM + WIN
20 pA
B2
WIN+ RIM
WIN
10
5 ms
alle
Erfolge
˚ Abb. 3: Beispiel für die Hemmung der synaptischen Übertragung durch Cannabinoide. Die
Experimente wurden an Hirnschnitten des Corpus striatum durchgeführt, die aus Gehirnen von
Mäusen hergestellt wurden [6]. A, CB1-Rezeptor-mRNA und -Protein sind in fast spiking-Neuronen
(FSN) und medium spiny-Neuronen (MSN) im Corpus striatum lokalisiert. Über die Patch-ClampPipette im präsynaptischen FSN wurde das Neuron depolarisiert, um Aktionspotenziale (AP) auszulösen. Mit der Patch-Clamp-Pipette im MSN wurden die resultierenden inhibitory postsynaptic
currents (IPSCs) registriert. B, Ablauf des Experiments: Nach der initialen Referenzphase (PRE)
wurde der synthetische Cannabinoidagonist WIN55212-2 (WIN) superfundiert, später zusätzlich
auch der CB1-Antagonist Rimonabant (RIM). Die einzelnen Punkte stellen die Amplituden der
IPSCs dar. B1, Die einzelnen synaptischen Ereignisse (IPSCs) während der drei Phasen des Experiments. B2, Gemittelt wurden alle synaptischen Ereignisse oder nur die synaptischen Erfolge. Das
Experiment zeigt die starke Hemmung der synaptischen Übertragung von FSN zu MSN durch ein
Cannabinoid. Der Antagonismus durch RIM beweist die Beteiligung von CB1-Rezeptoren.
Die Aktivierung der CB1-Rezeptoren kann
eine starke Analgesie bewirken. Die Grundlage dafür sind die CB1-Rezeptoren, die in fast
allen Komponenten der aszendierenden
schmerzleitenden Bahn vorkommen, beginnend mit den primären nozizeptiven CFasern. Endocannabinoide, die während Entzündung, neuropathischen Zuständen und
Stress freigesetzt werden, können analgetisch
wirken.
CB1-Rezeptor-vermittelte
präsynaptische Hemmung der
synaptischen Übertragung
Es ist wahrscheinlich, dass hinter den vielen
komplexen Cannabinoidwirkungen auf das
Nervensystem ein Grundmechanismus steht,
die Hemmung der Neurotransmitter-Freisetzung aus den Axonterminalen. Abbildung 2
zeigt schematisch den Mechanismus der präsynaptischen Hemmung, Abbildung 3 ein
Beispiel für diese Hemmung. Präsynaptische
CB1-Rezeptoren sind auf den Axonterminalen vieler GABAergen, glutamatergen, cholinergen und noradrenergen Neurone im zentralen und peripheren Nervensystem lokalisiert. Die Aktivierung dieser Rezeptoren
hemmt die Transmitterfreisetzung und
dadurch die synaptische Übertragung (Übersicht in [3]). Der wahrscheinliche Mechanismus der präsynaptischen Hemmung ist
die Hemmung spannungsabhängiger Kalziumkanäle in den Axonterminalen (Abb. 2).
Endocannabinoid-vermittelte
retrograde synaptische Übertragung
Die präsynaptischen CB1-Rezeptoren können
nicht nur von exogenen Cannabinoiden aktiviert werden, sondern auch von Endocannabinoiden. Die somatodendritische Region vieler Neurone produziert Endocannabinoide.
Das aus dem postsynaptischen Neuron freigesetzte Endocannabinoid diffundiert zum
präsynaptischen Axonterminal und aktiviert
dort den CB1-Rezeptor (Abb. 2). Diese retrograde synaptische Übertragung (signaling)
wurde bei vielen GABAergen und glutamatergen Synapsen des zentralen Nervensystems beobachtet (Übersicht in [4]). Bei der
überwiegenden Mehrzahl der Synapsen wurde 2-Arachidonylglycerol als Botenstoff der
retrograden Übertagung identifiziert [1, 5].
Die 2-Arachidonylglycerol-Produktion kann
über zwei Wege stimuliert werden (Abb. 2).
Ein Anstieg der intrazellulären Kalziumkonzentration führt zur Endocannabinoid-Pro-
duktion. Physiologisch gelangt Kalzium über
den spannungsabhängigen Kalziumkanal in
das Neuron, der durch die AMPA-Rezeptorvermittelte Depolarisation geöffnet wird (Abb.
2). Die Aktivierung von Gαq/11-Protein-gekoppelten Rezeptoren (z. B. von mGluR1/5-Glutamatrezeptoren) ist der andere Stimulus der
Endocannabinoid-Produktion. Gleichzeitiger
Kalziumanstieg und Phospholipase-C-β-Aktivität stimulieren die 2-ArachidonylglycerolProduktion besonders effektiv. Die Endocannabinoid-vermittelte retrograde synaptische
Übertragung ist die Grundlage mehrerer Formen der kurz- und langfristigen synaptischen
Plastizität. Man meint deshalb, dass die Endocannabinoid-vermittelte retrograde synaptische Übertragung für das Gedächtnis und das
Lernen wichtig ist.
ó
Literatur
[1] Tanimura A, Yamazaki M, Hashimotodani Y et al. (2010)
The endocannabinoid 2-arachidonoylglycerol produced by diacylglycerol lipase α mediates retrograde suppression of synaptic transmission. Neuron 65:320–327
[2] Long JZ, Li W, Booker L et al. (2009) Selective blockade of
2-arachidonoylglycerol hydrolysis produces cannabinoid behavioral effects. Nature Chem Biol 5:37–44
[3] Szabo B, Schlicker E (2005) Effects of cannabinoids on
neurotransmission. In: Pertwee R (Hrsg) Cannabinoids,
Handbook of Experimental Pharmacology Vol 168. SpringerVerlag, Berlin, 327–365
[4] Kano M, Ohno-Shosaku T, Hashimotodani Y et al. (2009)
Endocannabinoid-mediated control of synaptic transmission.
Physiol Rev 89:309–380
[5] Szabo B, Urbanski MJ, Bisogno T et al. (2006)
Depolarization-induced retrograde synaptic inhibition in the
mouse cerebellar cortex is mediated by 2-arachidonoylglycerol. J Physiol (London) 577:263–280
[6] Freiman I, Anton A, Monyer H et al. (2006) Analysis of
the effects of cannabinoids on identified synaptic connections
in the caudate-putamen by paired recordings in transgenic
mice. J Physiol (London) 575:789–806
Korrespondenzadresse:
Prof. Dr. Bela Szabo
Institut für Experimentelle und Klinische Pharmakologie und Toxikologie
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Albertstraße 25
D-79104 Freiburg
Tel.: 0761-203-5312
Fax: 0761-203-5318
[email protected]
AUTOR
Bela Szabo
1977–1983 Studium der Humanmedizin an der Semmelweis Medizinischen Universität
in Budapest. 1987 Promotion
an der Universität Freiburg.
1995 Facharzt für Pharmakologie und Toxikologie. 1995 Habilitation für das Fach Pharmakologie und Toxikologie. Leitung
der Arbeitsgruppe Neuropharmakologie im Institut für Pharmakologie der Universität Freiburg.
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