The Neuromodulatory Roles of Glutathione, S-Nitrosoglutathione and Cysteine in the Central Nervous System

Abstract

Glutationi on eläinsoluissa yleinen pieni peptidi, glutamylkysteinylglysiini. Sen tiedetään osallistuvan useisiin fysiologisiin tapahtumiin, mutta sen merkitystä keskushermoston ärsykkeiden välityksessä ei ole tiedetty. Väitöstyössä on tutkittu, miten glutationi toimii hermovälittäjäaineena ja hermovälittäjäaineiden toiminnan säätelijänä, neuromodulaattorina. Pelkistynyt glutationi lisäsi kiihottavan aminohappovälittäjäaineen glutamaatin ja sen reseptoreiden agonistin N-metyyli- D- aspartaatin stimuloimaa dopamiinivälittäjäaineen vapautumista aivokudosleikkeistä, kun taas hapettunut glutationi lisäsi toisen glutamaattireseptorityypin agonistin kainaatin stimuloimaa dopamiinin vapatumista. Näin glutationi toimii dopamiinijärjestelmän toiminnan säätelijänä, neuromodulaattorina. Myös glutationin nitrosojohdos vaikutti glutamaattiärjestelmän toimintaan. Glutationissa oleva glutamaattiryhmä sai aikaan tämän vaikutuksen, sillä sen avulla glutationi syrjäytti glutamaattireseptoreiden agonisteja kainaattia ja N-metyyli-D-aspartaattia. Glutamaatin nitrosojohdoksesta vapautuva typpioksidi ja sen reaktiotuotteet ilmeisesti muuttavat solukalvojen kysteiiniryhmien hapetustilaa.

Glutationin rakenneosa kysteiini on toksinen hermosoluille suurina pitoisuuksina. Se kiihdyttää kalsiumionien virtaa soluun, mikä poistaa N-metyyli-D-aspartaattireseptorien salpauksen. Näin glutamaattijärjestelmä aktivoituu liikaa ja se edelleen kiihdyttää kalsiumionivirtaa hermosoluihin ja aiheuttaa niiden kuoleman. Nämä ilmiöt ovat osa jo aikaisemmin tunnettua liiallisen glutamaattipitoisuuden hermotoksisuutta.

Glutationilla osoitettiin olevan myös aivan omia synaptisia reseptoreita. Glutationi sitoutuu näihin reseptoreihin sisältämänsä kysteiiniryhmän avulla. Sitoutumiseen osallistuvat solukalvojen disulfidirakenteet ja todennäköisesti myös kalvojen arginiini- ja lysiiniryhmät. Tutkimus osoitti, että glutationireseptorit eivät ole samoja kuin mitkään tähän asti tunnetut kiihottavat tai estävät reseptorit. Ne voivat toimia sekä hermovälittäjäreseptoreina että neuromodulaattorikohtina. Tuloksilla on merkitystä sunniteltaessa neurodegenaratiivisten sairauksien uusia hoitostrategioita.

Glutathione (g-glutamylcysteinylglycine, reduced glutathione, GSH) is the most abundant thiol-containing peptide in the central nervous system. It is an ancient multifunctional molecule e.g., redox agent and free radical scavenger. Since the three constituent amino acids of glutathione molecule are neuroactive (of them glutamate and glycine are neurotransmitters) it was reasonable to investigate its possible role in glutamate neurotransmission.

In this thesis additional evidence is presented for the neuromodulatory behavior of glutathione. Moreover, neurotransmitter characteristics of GSH are also evinced. In superfusion experiments on brain slices, GSH strongly enhanced the dopamine release evoked by glutamate and N-methyl-D-aspartate (NMDA), whereas the release evoked by kainate is affected by oxidized glutathione but not by GSH. GSH by regulating the release of dopamine acts as a neuromodulator.

The well-established binding assays were used to elucidate that glutathione-NO (GSNO) interacts with ionotropic glutamate receptors. The interaction is likely to be mediated by the g-glutamyl moiety of the peptide. GSNO effectively displaces specific NMDA and kainate receptor ligands. The binding of GSNO to plasma membranes involves liberation of NO derivatives, which may induce specific effects by interacting with the cysteine residues in membrane proteins. GSNO may act as a neuromodulator also by means of these two mechanisms, nitrosation and glutathiolation.

Due to the breakdown of glutathione, the constituent amino acid cysteine may work independently, being even toxic in excess. Cysteine increases Ca2+ flux evoked by glutamate and NMDA into cerebellar granular cells. It relieves the block of NMDA receptors induced by Zn+. Cysteine alone slightly elevates the levels of free intracellular Ca2+. It also strongly potentiates the increase in intracellular Ca2+ evoked by glutamate. These effects of cysteine may contribute to cysteine toxicity. Cysteine may also contribute to glutamate neurotoxicity by inducing glutamate release from nerve endings.

GSH has receptors of its own in cortical synaptic plasma membranes, high- and low-affinity. The cysteinyl moiety in the molecule is essential for the binding of GSH to these receptors. According to our results, these specific binding sites for GSH differ from any known excitatory or inhibitory receptor. GSH with the specific receptor may act not only as a neuromodulator but also as a neurotransmitter in the central nervous system.

On the basis of the results from chemical modification of amino-acid side chains in the membrane we assume that glutathione binds to disulfides and free thiol groups in synaptic plasma membranes. The arginyl and lysyl residues are probably also involved in the binding of GSH. Our results may contribute to the development of new strategies for therapy of certain neurodegenerative disorders.