21 May 2017

NKCC1


NKCC1 on ioonide transportvalk mille töö kaitseb rakke kuivamise eest ja võib anda GABA'le ning glütsiinile stimuleeriva toime. NKCC (Na+/K+/2Cl- Cotransporter) valgud transpordivad raku sisse korraga 2 positiivselt ja 2 negatiivselt laetud iooni. Positiivsed on 1 naatriumi ja 1 kaaliumi aatom. Negatiivse laenguga on 2 kloori aatomit. NKCC1 võib esineda läbi keha kuid toodetakse rohkem vee puudusel või kahjustuste korral kuid NKCC2 esineb neerudes ning töötab suhteliselt püsivalt et vähendada naatriumi, kaaliumi ja kloori kaotust uriiniga. Närvisüsteemile avaldab vahetut mõju NKCC1 versioon. Kuna NKCC tõttu rakku sattub korraga võrdses koguses positiivse ja negatiivse laenguga ioone, ei muutu raku siselaeng ning pole kindlat stimuleerivat või inhibeerivat mõju kuid rakk muutub selle neliku mõjul seest soolasemaks ning paisub vee sissevoolust. Piisavalt aeglaselt tekkinud veepuudusega jõuab rakk neid juurde toota et kuivamist vältida kuid NKCC süntees võib suureneda ka mõne mürgi (näiteks ammoniaak või toksiline glutamaadi kontsentratsioon) mõjul ning põhjustada potentsiaalselt surmavat aju turset.

GABA ei ole igas olukorras inhibeeriva toimega kuigi nende erandolukordadest leiab tavaliselt artiklitest kus mainitakse NKCC1 ning ülejäänud artiklites kaldutakse dogmaatiliselt eeldama et GABA on inhibeeriv. NKCC1 võib GABA toimet muuta vigastuste, opiaatide, kasvufaktorite ja mürkide tagajärjel.


Üldiselt on kloori kontsentratsioon raku ümber kümneid kordi suurem kui raku sees kuid NKCC suudab piisava aktiivsusega raku sees oleva kloori kontsentratsiooni suuremaks ajada kui raku ümber. GABA A retseptorid on kloori kanalid mis võimaldavad klooril mõlemat pidi voolata kuid enamjaolt liiguvad need madalama kontsentratsiooni suunas. Tavaliselt  tekitavad GABA A agonistid kloori sissevoolu ning raku siselaengu negatiivsemaks minekut kuid suure rakusisese kloori kontsentratsiooniga voolab see negatiivne laeng rohkem välja ja mõjub rakule stimuleerivalt.


NKCC valkude tavaline inhibiitor on bumetadiin. Seda kasutati peaaegu igas uuringus ainsa antagonistina NKCC valkudele kuigi üksikjuhtudel kasutati ka furosemiidi. Mõlemad ained on diureetikumid ja suurendavad vee kaotust NKCC2 inhibeerimisega mistõttu uriin läheb soolasemaks ja kogub osmoosiga rohkem vett. Samas sellised ained kiirendavad naatriumi, kaaliumi ja kloori kaotust ning ühegi nende liiga madal kontsentratsioon võib saada surmavaks. Sellise aineklassi liigne tarbimine võib põhjustada surmavaid rütmihäireid.

Täiskasvanute neuronid üldiselt ei ekspresseeri NKCC1 aga ekspresseerivad KCC2 mis transpordib rakust välja 1 kaaliumi ja 1 kloori aatomi. KCC2 annab tervele täiskasvanule omase madala kloori kontsentratsiooni raku sees ja inhibeeriva toime GABA A agonistidele. NKCC ja KCC valgud ei mõjuta otseselt raku siselaengut kuna transporditakse võrdses koguses positiivseid ja negatiivseid ioone kuid suurem toime on milline mõju on raku siselaengule GABA ja glütsiini poolt. NKCC saab oma tööks vajalikku energiat suuremast naatriumi kontsentratsioonist raku ümber ja KCC suurest rakusisesest kaaliumi kontsentratsioonist. KCC2 ekspressioon suureneb rotikutsikates alakehast pea suunas kasvades esialgu selgroos ja ajutüves ning lõpuks ajukoores. Sarnane järjekord võib olla põhjuseks miks ~85% epilepsias inimeste vastsündinutel võivad GABA A agonistid väliselt epilepsia peatada kuid ajukoore EEG järgi toimub epilepsiahoog edasi. Selle põhjus võib olla ajutüve ja selgroo närvide piisav KCC2 toodang et neid rakke saab inhibeerida ning epilepsia välised sümptomid saab varjatud. Inimese ajukoor toodab NKCC1 valku ~1-2 kuud pärast sündi ning suurem KCC2 ekspressioon algab ~1-2 kuud pärast sündi. Bumetadiini andmine vastsündinutele mõjub neuronitele kergelt inhibeerivalt kuid ei anna GABA'le inhibeerivat toimet. Temporaalsagara epilepsiaga inimestest leiti, et nende epilepsia allikaks olevad rakud olid stimuleeritud GABA poolt. Mitmed kahjulikud tingimused nagu näiteks epilepsia põhjustab NKCC1 ekspressiooni tõusu ja KCC2 ekspressiooni langust mida leiti ka nendest epileptikutest ja selline GABA toime vahetumine kestis üle nädala. Sellise epilepsiaga patsiendid said leevendust kui neile anti NKCC1 inhibeerimiseks furosemiidi. Hüpoksia ja isheemia järgselt tekkinud epilepsia on samuti GABA agonistidega tihti kontrollimatu ning selline epilepsia tekib väikse hilinemisega pärast hapniku ja verevarustuse taastumist. Isheemia ajal tõuseb rakusisene kloori kontsentratsioon lühiajaliselt kuid normaliseerub kiiresti isheemia möödudes. Umbes tunni pärast hakkab kloori kontsentratsioon raku sees uuesti tõusma koos NKCC1 kontsentratsiooniga. Bumetadiini andmine enne selle hilisema kloori taseme tõusu võis epilepsiat ennetavalt ära hoida kuid see test tehti söötmes kasvavate rakkudega. Bumetadiin segab kergelt normaalset närvisüsteemi arengut kui seda anda väga noortele. Näiteks võib bumetadiin vähendada dendriitide hargnemist ja vältida ajukoores vastsündinutele omast spontaanset elektrilist aktiivsust. NKCC1 knockout hiired on väiksemad, nõrgemad, kurdid ja neeruhaigustega. Autorid paistsid kahevahel kas parem on lühiajaliselt anda bumetadiini mis võib-olla kahjustab teadmata määral närvisüsteemi või anda epilepsia vastu bensodiasepiine või barbituraate mille suur kogus võib selles nooruses suurendada enesetappu tegevate neuronite hulka.

Kuigi enamus täiskasvanute neuronitest ei tooda eriti NKCC1, on neuroneid mis toodavad seda valku püsivamalt ja teevad GABA nende neuronite jaoks stimuleerivaks. Näiteks suprakiasmaatiline tuum mis on bioloogilise kella rollis ala hüpotaalamuses. Teised erandlikud neuronid on hüpotaalamuses GnRH eritavad neuronid (~70% on stimuleeritud GABA poolt) mis reguleerivad selle hormooniga suguhormoonide tootmist ning puberteedi algust. ~14% GnRH rakkudest ekspresseerisid NKCC1 ja vähem kui 5% tootsid KCC2 millest järeldati et neis ei toodeta piisavalt KCC2 et rakusisene kloori kontsentratsioon saaks langeda tasemele kus GABA inhibeeriks.

Kroonilise stressiga hiirte (stressi aeti ujuma sundimisega) hippokampuses vähenes KCC2 tootmine (~3-5 korda) ja väiksemas proportsioonis suurenes NKCC1 tootmine (~10-15%).

Osaliselt vähendab NKCC1 aktiivsust oksütotsiin. Sünni eel suureneb oksütotsiini kontsentratsioon mis stimuleerib sünnitamises osalevaid lihaseid kuid samaaegselt langeb ajutiselt lootes NKCC1 aktiivsus mis võib neid

Aksonite läbi lõikamine põhjustab vigastatud sensoorses neuronis NKCC1 suuremat aktiivsust ja annab GABA'le stimuleerivama toime. Kasvufaktorid stimuleerivad NKCC1 aktiivsust NKCC1 fosforüülumisega. Närvi vigastused ei suurendanud NKCC1 tootmist ega sisaldust kuid suurendas fosforüülitud NKCC1 hulka. Tervete neuronite jätked kasvasid söötmes ~25 mikromeetrit tunnis (~0,5 mm päevas) kuid läbi lõigatud aksoniga neuronite jätked kasvasid ~50 mikromeetrit tunnis (~1 mm päevas). Autorid pakkusid et raku siserõhu tõus NKCC1 mõjul aitab neil kiiremini kasvada. Bumetadiin ei mõjutanud tervete rakkude jätkete kasvukiirust kuid langetas vigastatud rakkude jätkete kasvukiiruse ~30 mikromeetrini tunnis. Sarnane aeglustumine toimus kui söötme vedelik asendati ~12 korda madalama kloori sisaldusega vedelikuga.

Rakkude ruumala liigsel langusel näiteks vee puudusel suureneb NKCC1 aktiivsus et rakk paisuks soolsuse tõstmisega kaasnenud vee sissevooluga. NKCC1 inhibeerimine loote arengu perioodil farmakoloogiliselt või knockout mutatsioonidega mõjutab närvisüsteemi arengut vähendades dendriitide hargnemist, küpsenud rakkude hulka ajus ning selgroos ja vähendab ka aju ning selgroo ruumala. Inimesel hakkab KCC2 eksepressioon suurenema ja NKCC1 ekspressioon langema ~40 nädalat pärast munaraku viljastamist. KCC2 on vajalik rakusisese kloori kontsentratsiooni langetamiseks ning kui seda geeni hiirtes ei ekspresseeritaks siis nad sureks sündides epilepsia ja hingamispuudulikkuse tagajärjel ning ka puuviljakärbsed on kcc2 geeni alaekspressiooni korral kergemini epilepsiahoogusid saavad. Üleminek GABA stimuleerivast toimest inhibeerivale toimele KCC2 juurdetootmise ja NKCC1 vähendamisega võib olla GABA enda poolt kontrollitud (GABA antagonistid võivad seda üleminekut edasi lükata) ja ka atsetüülkoliini toimega nikotiini retseptoritele. Vastsündinute epilepsia (esimesel 28 sünnijärgsel päeval esinev epilepsia) on tihti kontrollimatu täiskasvanutele mõjuvate epilepsia vastaste GABA A agonistidega ning võivad epilepsiat võimendada. Selles noores vanuses võivad GABA A agonistid vähendada väljast paistvaid epileptilisi liigutusi kuid ajukoore aktiivsuse mõõtmine EEG'ga võib näidata epilepsiahoo püsimist või võimendumist. Loomkatsetes on õnnestunud noorloomade epilepsiat vähendada kas ainult bumetadiini andmisega või selle koos GABA A agonistidega andmisel. Temporaalsagara epilepsiat saab täiskasvanutes samuti potentsiaalselt vähendada bumetadiini või furosemiidi (samuti NKCC inhibiitor) doseerimisega. Tugevamate epilepsiahoogude järgselt on tavaline et pikka aega järgnevad aeg ajalt nõrgemad epilepsiahood. Rakkudele kahjulik üleaktiivsus kaldub stimuleerima NKCC1 tootmist ja langetama KCC2 toodangut. See muutus NKCC1 ja KCC2 ekspressioonis võib osades olukordades aidata rakkudel paraneda kuid ajus põhjustab see nähtus kõrvaltoimena epilepsiat. See muutus NKCC1 ja KCC2 osakaaludes võib olla kontrollitud ühe närvisüsteemi kasvufaktori (BDNF) poolt mis seondudes oma retseptoriga (TrkB) muudab neuronite NKCC1 ja KCC2 ekspressiooni sarnasemaks loote neuronitega. BDNF eritumine suureneb epileptilise aktiivsuse või füüsilise vigastuse korral.
Isheemia järgne epilepsia tekib NKCC1 aktiivsuse suurenemisega ning osa sellest on põhjustatud liigsest kaaliumist ja glutamaadist rakkude ümber mis fosforüülivad NKCC1 tehes selle aktiivsemaks. Kuna bumetadiin vähendas NKCC1 üleaktiivsust ja rakkude suremust siis autorid pakkusid, et bumetadiin võib potentsiaalselt vähendada aju kahjustusi hüpoksia ja isheemia korral.
Selgroonärvide vigastus suurendab samuti rakusidest kloori kontsentratsiooni KCC2 ekspressiooni vähendamisega ja muudab glütsiini ning GABA sensoorseid neuroneid stimuleerivaks. Vigastatud närvikoe piirkonnas hakkavad rakud eritama BDNF mis vähendab KCC2 ekspressiooni ning põhjustab sensoorsete rakkude hüperaktiivsena hoidmisega kroonilist neuropaatilist valu. NKCC1 aktiivsus võib suurendada selgroos sensoorsete närvide ja selle külgedel sümpateetiliste närvide aktiivsust ning NKCC1 knockout loomadel paistab kõrgem valulävi. NKCC1 on rohkem fosforüülitud artriidi ning akuutse või kroonilise põletiku korral.

Peatrauma tekitamisel (täpsustamata liigil) hakkab NKCC1 ekspressioon suurenema ~8 tunniga ja saavutas maksimumtaseme 7 päevaga.

NKCC1 inhibeerimine lõdvestab silelihaseid ja langetab vererõhku. Veresooni kitsendavad ained suurendavad NKCC1 aktiivsust ja veresoonte silelihaste lõdvestajad vähendavad NKCC1 aktiivsust. Bumetadiin langetas rottide vererõhku rohkemal määral siis kui eelnevalt oli neil vererõhk 7 päeva noradrenaliiniga kõrgemal hoitud. NKCC1 nullmutatsiooniga polnud bumetadiinil vähemalt esimese 10 minutiga vererõhku langetavat mõju kuid tavaloomades toimus langus ~5 minutiga.

NKCC1 võib potentsiaalselt tekitada kõrgvererõhku sümpateetiliste närvide stimuleerimisega aktiveerides hüpotaalamuses paraventrikulaarses tuuma rakke. Osadel rotitüvedel on suurem kalduvus kõrgvererõhu tekkele. Neil oli suurem NKCC1 tootmine ning NKCC1 endi aktiivsus oli täiendatult kõrgenenud sellega seostunud glükoosimolekulide tõttu. Kui inhibeeriti glükoosimolekulide kinnitumist NKCC1 külge siis vähenes nende aktiivsus piisavalt et taastada GABA inhibeeriv toime. Stress võib suurendada hüpotaalamuses NKCC1 ekspressiooni.

NKCC1 paistab olulisena, et neuroblastid (neuroniteks muutuvad tüvirakud) saaksid normaalse kiirusega levida oma tekkekohast ventriikulite juurest kohtadesse kuhu need peaks jõudma. Sihtkohale lähenedes langeb NKCC1 toodang ning levimiskiirus langeb bumetadiini mõjul. GABA ise samuti aeglustas neuroblastide levikut

Vähemalt osad ajuvähi vormid paistavad NKCC1 abil kiiremini levivad. Üks surmavaim ja tavaliseim ajuvähi variant on gliia rakkudest tekkiv gliooma. Glioomad toodavad suhteliselt palju NKCC1 valku ja need on põhiliselt raku liikumissuuna poolsel küljel.

Ajukoorest signaale välja saatvate neuronite rakukehale lähimad aksonite algusosad (AIS) on kontaktis GABA eritavate interneuronitega ja nendes piirkondades võib GABA mõjuda AIS piirkonnaga seondudes stimuleerivalt. AIS piirkonnas oli GABA kõige stimuleerivam ja suunas rakukeha-dendriidid läks GABA toime järjest inhibeerivamaks. AIS toodab suhteliselt vähe KCC2 ja selles raku piirkonnas on kloori kontsentratsioon kõrgem. AIS ise on sellistes suuremates neuronites tõenäoline närviimpulsi allikas. Roti ajukoores kaldus GABA mõjuma stimuleerivamalt püramidaalrakkudele 2. ja 3. ajukoore kihis mis on ühenduses aju sama või vastasajupoolkera ajukoorega. NKCC1 inhibeerimine vähendas erinevust kloori kontsentratsioonis AIS ja dendriitide vahel.

Kuna NKCC1 teeb rakud soolasemaks siis kaitseb see rakke soolasemas keskkonnas vee kaotuse eest. Kalades suureneb NKCC1 aktiivsus soolasemasse vette minnes esimese tunniga fosforüülimise kaudu ning NKCC1 hulk suurenes ~4-6 korda kui mageveega kohanenud kalad kohanesid merevee soolsusega. NKCC1 juurde tootmist stimuleerisid kortisool ja kasvuhormoon.


Opioidide retseptorite aktiveerimine võib muuta osades rakkudes GABA toimet. Ventraalne tegmentaalne ala (VTA) sisaldab dopamiini eritavaid rakke mis on inhibeeritud GABA poolt. VTA GABA eritavad rakud sisaldavad opioidide retseptoreid mis inhibeerivaid neid GABA rakke misjärel need rakud enam ei inhibeeri dopamiini rakke ning VTA saab hakata aktiivsemalt dopamiini mujale saatma. Opioidide retseptorite aktiveerimine põhjustab kohalikku BDNF eritumist mis annab GABA A retseptoritele stimuleeriva toime KCC ja NKCC1 ekspressiooni muutmisega. GABA eritavad rakud ise sisaldavad GABA A retseptoreid ja hakkavad aktiivsemalt tööle kui VTA rakkude vaheline GABA hulk tõuseb kuid dopamiini eritavad rakud sisaldavad GABA B retseptoreid mis inhibeerivad rakke sõltumata kloorist kasutades inhibeerimiseks kaaliumi ja kaltsiumi transporti. GABA eritavad rakud ise võivad saada GABA mujalt ajust tulevatest jätketest mis sõltuvuste puudusel inhibeeriks VTA GABA rakke nign kaudsemalt stimuleeriks dopamiini rakke kuid sõltuvuse ajal võivad need kaugemalt tulnud GABA rakud pigem võimendada GABA rakkude tööd ning summutada dopamiini rakke tavapärasest rohkem. Lisaks dopamiini eritavatele rakkudele inhibeerivad GABA eritavad rakud ka PPN/PPT tuuma mis on aktiivsem magades (rohkem REM une ajal) kui ärkvel olles.