Muskelkontraktion styres af receptorer i muskelcellemembranerne, der reagerer på neurotransmitteren acetylcholin, når den frigives fra motoriske neuroner. Acetylcholinreceptorer findes også på neuroner, hvor de udfører en række vigtige funktioner, herunder modulering af kognition og afhængighed. I en ny undersøgelse i PLoS Biology har Yishi Jin og kolleger identificeret og karakteriseret en neuronal acetylcholinreceptor i Caenorhabditis elegans, som gør det muligt for den lille orm at slingre sig rundt. Receptoren regulerer balancen mellem excitation og hæmning i musklerne og bidrager således til den koordinerede sammentrækning og afslapning af muskler på modsatte sider af kroppen, som resulterer i lokomotion.
En acetylcholinreceptor består af fem underenheder, og der findes mange underenhedstyper (29 i C. elegans), som en receptor kan sammensættes af. Underenhedssammensætningen af en receptor, og især af dens transmembranporer, som er beklædt med et transmembrandomæne fra hver underenhed, bestemmer, hvordan den reagerer på acetylcholin, og hvilke virkninger dette respons har på cellen. På grund af antallet af mulige kombinationer af underenheder er det meget vanskeligt at identificere den cellespecifikke sammensætning af en acetylcholinreceptor.
I denne undersøgelse begyndte forfatterne med at identificere en mutantstamme af C. elegans, hvor musklerne blev overstimuleret, hvilket fik ormene til at “skrumpe”, da alle deres muskler trak sig sammen, når de blev rørt. Molekylær karakterisering af mutationen afslørede, at den bestod af en aktiverende mutation i en acetylcholinreceptorunderenhed kaldet ACR-2. Mere specifikt er mutationen i det poredannende transmembrandomæne-domæne i en position, der menes at påvirke kanalens ion-selektivitet.
Når forfatterne anvendte reportergener, hvor fluorescerende proteiner blev styret af acr-2 promotoren, opdagede de, at ACR-2-underenheden udtrykkes i kolinerge motoriske neuroner i ormens ventrale ledning. Ekspression af wild-type acr-2 eller et “mini-gen”, der indeholder en del af genet, i mutantormene vendte den “krympende” defekt, hvilket bekræftede, at defekten skyldtes acr-2 mutationen. Orme, hvor acr-2 indeholdt en loss-of-function- eller nulmutation, viser ikke hyperkontraktion af musklerne, men bevægede sig langsomt, og elektrofysiologisk analyse viste, at frigivelsen af acetylcholin fra motorneuronerne var reduceret hos disse dyr.
I orme med den aktiverende mutation af acr-2 var frigivelsen af acetylcholin fra motorneuronerne øget. Desuden var neurotransmissionen fra hæmmende GABA-frigivende motorneuroner reduceret. ACR-2 findes imidlertid ikke i GABAergiske neuroner, så denne reduktion i GABA-neurotransmission er sandsynligvis et indirekte resultat af mutationens virkninger på kolinerge neuroner.
For at finde ud af, hvilke andre underenheder der kombineres med ACR-2 for at skabe en funktionel receptor på kolinerge motoriske neuroner, søgte forfatterne efter mutationer i andre gener, der undertrykte virkningerne af den aktiverende acr-2 mutation. Flere sådanne mutationer blev fundet, og de fleste af disse mutationer blev kortlagt til tre andre acetylcholinreceptorunderenhedsgener – acr-12, unc-38 og unc-63. Andre suppressormutationer blev kortlagt til gener, der er nødvendige for transport af acetylcholinreceptoren til celleoverfladen.
For at bekræfte acetylcholinreceptorens underenhedssammensætning rekonstruerede forfatterne receptoren i Xenopus-oocytter og opdagede, at ud over ACR-2, ACR-12, UNC-38 og UNC-63 underenhederne krævede den funktionelle receptor også ACR-3. ACR-3-genet ligger meget tæt på ACR-2, så det er sandsynligt, at de to underenheder samudtrykkes.
Disse resultater viser tilsammen, at den neuronale ACR-2 acetylcholinreceptor styrer samspillet mellem excitation og inhibering i musklerne i C. elegans. De viser også, at en gain-of-function-mutation i det poredannende domæne af en receptorunderenhed kan påvirke den farmakologiske funktion af receptorkanalen, således at transmitterfrigivelsen fra det receptorbærende neuron øges. Endelig viser forfatterne, hvordan analysen af suppressormutationer kan bruges til at løse udfordringen med at definere underenhedssammensætningen af en heteromer receptor.
Den videre undersøgelse af, hvordan ACR-2 modulerer excitation og hæmning af muskler, kan give indsigt i, hvordan denne balance opretholdes i andre neuronale sammenhænge, og hvordan den kan forstyrres, f.eks. i nogle former for epilepsi. Det vil være særlig interessant at undersøge, hvordan en aktiverende mutation i en receptor på et kolinergt neuron kan påvirke aktiviteten af GABAergiske neuroner, som ikke bærer den muterede kanal.
Jospin M, Qi YB, Stawicki TM, Boulin T, Schuske KR, et al. (2009) A Neuronal Acetylcholine Receptor Regulates the Balance of Muscle Excitation and Inhibition in C. elegans. doi:10.1371/journal.pbio.1000265