再取り込み

再取り込みとは、神経インパルスを伝達する機能を終えた後、軸索終末（すなわち、シナプスにおけるシナプス前ニューロン）またはグリア細胞の形質膜に沿って存在する神経伝達物質トランスポーターによって神経伝達物質が再吸収されることである。

再取り込みは、神経伝達物質のリサイクルを可能にし、シナプス内の神経伝達物質濃度を調節することで、神経伝達物質放出によって生じる信号の持続時間を制御するため、正常なシナプス生理機能に不可欠です。神経伝達物質は大きく親水性であるため膜を拡散して通過することは難しく、神経伝達物質の再吸収には特異的な輸送タンパク質が必要です。再取り込みのメカニズムを解明するために、生化学的および構造的な研究が数多く行われてきました。

再取り込みタンパク質の最初の一次配列は1990年に発表されました。タンパク質配列決定の手法は、問題の輸送タンパク質の精製、配列決定、クローニング、または輸送機能をその輸送体をコードするcDNA種のアッセイとして使用する発現クローニング戦略に依存していました。分離後、2つのDNA配列間に多くの類似点があることが明らかになりました。再取り込みタンパク質の分野でのさらなる研究により、体内の重要な神経伝達物質に関連する多くの輸送体も、GABAおよびノルエピネフリン輸送体と配列が非常に似ていることがわかりました。この新しいファミリーのメンバーには、ドーパミン、ノルエピネフリン、セロトニン、グリシン、プロリン、およびGABAの輸送体が含まれます。これらはNa ⁺ /Cl−^依存性神経伝達物質輸送体と呼ばれています。ナトリウムイオンと塩化物イオンの依存性については、作用機序の後半で説明します。配列の共通点と疎水性プロット解析を用いて、「古典的」トランスポーターファミリーには12個の疎水性膜貫通領域が存在すると予測された。^{[ 1 ]}さらに、N末端とC末端は細胞内空間に存在する。これらのタンパク質はすべて、3番目と4番目の膜貫通配列の間に拡張された細胞外ループも持っている。部位特異的化学標識実験により、セロトニントランスポーターの予測されたトポロジー構造が検証された。^{[ 2 ]}

神経伝達物質トランスポーターに加えて、動物と原核生物の両方で同様の配列を持つ他の多くのタンパク質が見つかり、神経伝達物質:ナトリウム共輸送体 (NSS) のより大きなファミリーが存在することが示唆された。これらのタンパク質の 1 つであるAquifex aeolicusの LeuT は、山下ら^{[ 3 ]}によって非常に高い解像度で結晶化され、タンパク質の中心付近にロイシン分子と 2 つの Na ⁺イオンが結合していることが明らかになった。彼らは、膜貫通 (TM) ヘリックス 1 と 6 が膜の中央で巻き戻されたセグメントを含んでいることを発見した。これらの 2 つのヘリックスに加えて、TM ヘリックス 3 と 8、および 1 と 6 の巻き戻されたセクションの周囲の領域が基質とナトリウムイオンの結合部位を形成していた。結晶構造は LeuT に擬似対称性があることを明らかにし、TM ヘリックス 1-5 の構造がヘリックス 6-10 の構造に反映されている。

タンパク質には細胞外空洞があり、その中に細胞外ループEL4によって形成されたらせん状のヘアピンが突き出ている。TM1では、アスパラギン酸がモノアミンNSSトランスポーターを、同じ位置にグリシンを持つアミノ酸トランスポーターと区別している。細胞外空洞内およびTMヘリックス1と8の細胞質側末端付近にある負電荷および正電荷を持つ残基のペアに、外部および内部の「ゲート」が割り当てられた。

古典的な輸送タンパク質は、膜を横切るイオン勾配と電位を利用して、シナプス前ニューロンの膜を介して神経伝達物質を輸送します。典型的な神経伝達物質ナトリウム共輸送体（NSS）は、Na ⁺イオンと Cl ^{−イオンに依存しており、膜を横切って内向きに流れる Na +}勾配と Cl ⁻勾配の両方を利用します。イオンは濃度勾配に従って流れ、多くの場合、膜電位によって促進される膜を横切る電荷移動を引き起こします。これらの力は、神経伝達物質基質を、その濃度勾配に逆らってでも細胞内に引き込みます。分子レベルでは、Na ⁺イオンは基質部位でのアミノ酸結合を安定化させ、また、基質結合を可能にする外向きに開いたコンフォメーションで輸送体を保持します。^{[ 4 ]}共輸送機構における Cl ⁻イオンの役割は、共輸送される Na ⁺の電荷を安定化させることであると提唱されています。^{[ 5 ] [ 6 ]}

イオンと基質の結合が起こった後、何らかの構造変化が起こるはずです。TM 1-5 の構造と TM 6-10 の構造のコンフォメーションの違い、およびSERTの結合部位と細胞質との間の基質透過経路の特定から、TM 1、2、6、7 から構成される 4 本のヘリックス束がタンパク質の残りの部分内でその向きを変えるというコンフォメーション変化のメカニズムが提案されました。^{[ 7 ]}その後、内向きに開いたコンフォメーションの LeuT の構造により、コンフォメーション変化の主要な要素は、タンパク質の残りの部分に対する束の移動であることが示されました。^{[ 8 ]}

再取り込み阻害剤の主な目的は、神経伝達物質がシナプス前ニューロンに再吸収される速度を大幅に低下させ、シナプス内の神経伝達物質の濃度を高めることです。これにより、シナプス前およびシナプス後の神経伝達物質受容体への神経伝達物質の結合が増加します。^{[ 9 ]}問題となる神経系によっては、再取り込み阻害剤は認知や行動に劇的な影響を与える可能性があります。三環系抗うつ薬による細菌相同体LeuTの非競合的阻害は、これらの阻害剤が細胞外透過経路に結合することによって生じます。^{[ 10 ] [ 11 ]}しかし、抗うつ薬によるセロトニン輸送阻害の競合的性質は、神経伝達物質トランスポーターにおいて、それらが基質部位と重複する部位に結合することを示唆しています。^{[ 12 ]}

Horschitz ら^{[ 13 ]}は、ヒト胎児腎細胞 (HEK-SERT) で発現させたラットセロトニン再取り込みタンパク質 (SERT) の再取り込み阻害剤の選択性を検討した。彼らは、SERT にシタロプラム( SSRI ) またはデシプラミン(ノルエピネフリン再取り込みタンパク質 (NET) の阻害剤) を様々な用量で投与した。用量反応曲線 (通常の培地を対照として使用) を調べることにより、シタロプラムは SERT に SSRI として作用し、デシプラミンは SERT に影響を与えないことを定量化できた。別の実験で、Horschitz らは HEK-SERT をシタロプラムに長期的に曝露した。彼らは、長期曝露により結合部位のダウンレギュレーションが起こることに気づいた。これらの結果は、薬物療法後のシナプス前ニューロンの長期的な変化のメカニズムを示唆している。Horschitz らシタロプラムを体内から除去した後、SERT結合部位の発現レベルが正常値に戻ることがわかった。^{[ 13 ]}

うつ病はシナプスにおけるセロトニンの減少が原因であると示唆されてきたが、この仮説は1980年代初頭から異議を唱えられてきた。当初は、三環系抗うつ薬（デシプラミンなど）やSSRIの投与後にうつ症状が軽減されたことが、この仮説を裏付ける根拠となっていた。三環系抗うつ薬は、SERTとNETの両方に作用することで、セロトニンとノルアドレナリンの両方の再取り込みを阻害する。SSRIは、SERTに作用することで、セロトニンの再取り込みを選択的に阻害する。その結果、シナプスにおけるセロトニンの量が増加し、セロトニンがシナプス後ニューロンのセロトニン受容体と相互作用する確率が高まる。セロトニン自己受容体の脱感作が起こるメカニズムは他にも存在するが、最終的な結果は同じである。^{[ 14 ]}これによりセロトニンシグナル伝達が増加し、仮説によれば気分が高揚し、うつ症状が緩和されると考えられています。セロトニン再取り込み阻害薬の抗うつ作用機序に関するこの提案は、治療効果の発現に数週間から数ヶ月かかるのに対し、トランスポーター阻害は基本的に即時的であるという治療効果の発現時間経過を説明していません。

アンフェタミン（AMPH）使用の最終的な効果は、シナプスにおけるドーパミン、ノルアドレナリン、セロトニンの増加である。AMPHは微量アミン関連受容体1 （TAAR1）に作用し、セロトニン、ノルアドレナリン、ドーパミンのトランスポーターにおける流出および再取り込み阻害を引き起こすことが示されている。この効果には、トランスポーターとTAAR1が同じニューロン内で共局在（一緒に存在）していることが必要である。

アストロサイトは神経保護の役割を果たすために再取り込み機構を利用しているようです。アストロサイトは興奮性アミノ酸トランスポーター2（EAAT2、別名GLT-1）を使用してシナプスからグルタミン酸を除去します。EAAT2ノックアウトマウスは致死的かつ自然発生的な発作や皮質の急性脳損傷を起こしやすいことがわかっています。これらの影響は、死後分析されたEAAT2ノックアウトマウスの脳内のグルタミン酸濃度の増加と関連している可能性があります。^{[ 15 ]}