Die Muskelkontraktion wird durch Rezeptoren in den Muskelzellmembranen gesteuert, die auf den Neurotransmitter Acetylcholin reagieren, wenn er von Motoneuronen freigesetzt wird. Acetylcholinrezeptoren befinden sich auch auf Neuronen, wo sie eine Reihe wichtiger Funktionen erfüllen, darunter die Steuerung von Kognition und Suchtverhalten. In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift PLoS Biology veröffentlicht wurde, haben Yishi Jin und Kollegen einen neuronalen Acetylcholinrezeptor in Caenorhabditis elegans identifiziert und charakterisiert, der es dem winzigen Wurm ermöglicht, sich fortzubewegen. Der Rezeptor reguliert das Gleichgewicht zwischen Erregung und Hemmung in den Muskeln und trägt so zur koordinierten Kontraktion und Entspannung der Muskeln auf gegenüberliegenden Seiten des Körpers bei, die zur Fortbewegung führt.
Ein Acetylcholinrezeptor besteht aus fünf Untereinheiten, und es gibt viele Untereinheitstypen (29 bei C. elegans), aus denen ein Rezeptor zusammengesetzt werden kann. Die Zusammensetzung der Untereinheiten eines Rezeptors und insbesondere seiner Transmembranpore, die mit einer Transmembrandomäne aus jeder Untereinheit ausgekleidet ist, bestimmt, wie er auf Acetylcholin reagiert und welche Auswirkungen diese Reaktion auf die Zelle hat. Aufgrund der Vielzahl möglicher Untereinheitenkombinationen ist es sehr schwierig, die zellspezifische Zusammensetzung eines Acetylcholinrezeptors zu bestimmen.
In dieser Studie identifizierten die Autoren zunächst einen mutierten Stamm von C. elegans, bei dem die Muskeln überstimuliert waren, was dazu führte, dass die Würmer „schrumpften“, da sich alle Muskeln zusammenzogen, wenn sie berührt wurden. Die molekulare Charakterisierung der Mutation ergab, dass es sich um eine aktivierende Mutation in einer Acetylcholinrezeptor-Untereinheit namens ACR-2 handelte. Insbesondere befindet sich die Mutation in der porenbildenden Transmembrandomäne, in einer Position, von der man annimmt, dass sie die Ionenselektivität des Kanals beeinflusst.
Als die Autoren Reportergene verwendeten, bei denen fluoreszierende Proteine durch den acr-2-Promotor kontrolliert wurden, entdeckten sie, dass die ACR-2-Untereinheit in cholinergen Motoneuronen im Bauchmark des Wurms exprimiert wird. Die Expression des Wildtyps von acr-2 oder eines „Mini-Gens“, das einen Teil des Gens enthält, in den mutierten Würmern kehrte den „Schrumpfungs“-Defekt um und bestätigte, dass der Defekt durch die acr-2-Mutation verursacht wurde. Würmer, bei denen acr-2 eine Loss-of-function- oder Null-Mutation aufwies, zeigten keine Hyperkontraktion der Muskeln, sondern bewegten sich eher langsam, und elektrophysiologische Analysen zeigten, dass die Freisetzung von Acetylcholin aus den Motoneuronen bei diesen Tieren reduziert war.
In Würmern mit der aktivierenden Mutation von acr-2 war die Freisetzung von Acetylcholin aus den Motoneuronen erhöht. Außerdem war die Neurotransmission von hemmenden, GABA freisetzenden Motoneuronen reduziert. ACR-2 kommt jedoch nicht in GABA-ergen Neuronen vor, so dass diese Verringerung der GABA-Neurotransmission wahrscheinlich ein indirektes Ergebnis der Auswirkungen der Mutation auf cholinerge Neuronen ist.
Um herauszufinden, welche anderen Untereinheiten sich mit ACR-2 zu einem funktionellen Rezeptor auf cholinergen Motoneuronen verbinden, suchten die Autoren nach Mutationen in anderen Genen, die die Auswirkungen der aktivierenden Acr-2-Mutation unterdrückten. Es wurden mehrere solcher Mutationen gefunden, von denen die meisten in drei anderen Genen für Acetylcholinrezeptor-Untereinheiten zu finden waren – acr-12, unc-38 und unc-63. Andere Suppressor-Mutationen wurden in Genen gefunden, die für den Transport des Acetylcholinrezeptors an die Zelloberfläche erforderlich sind.
Um die Zusammensetzung der Untereinheiten des Acetylcholinrezeptors zu bestätigen, rekonstituierten die Autoren den Rezeptor in Xenopus-Oozyten und entdeckten, dass der funktionelle Rezeptor zusätzlich zu den Untereinheiten ACR-2, ACR-12, UNC-38 und UNC-63 auch ACR-3 benötigt. Das acr-3-Gen liegt sehr nahe bei acr-2, so dass die beiden Untereinheiten wahrscheinlich gemeinsam exprimiert werden.
Gesamt zeigen diese Ergebnisse, dass der neuronale Acetylcholinrezeptor ACR-2 das Zusammenspiel zwischen Erregung und Hemmung in den Muskeln von C. elegans steuert. Sie zeigen auch, dass eine Gain-of-Function-Mutation in der porenbildenden Domäne einer Rezeptoruntereinheit die pharmakologische Funktion des Rezeptorkanals so beeinflussen kann, dass die Transmitterfreisetzung aus dem rezeptortragenden Neuron erhöht wird. Schließlich zeigen die Autoren, wie die Analyse von Suppressor-Mutationen dazu genutzt werden kann, die Untereinheitenzusammensetzung eines heteromeren Rezeptors zu definieren.
Weitere Untersuchungen darüber, wie ACR-2 die Erregung und Hemmung von Muskeln moduliert, könnten Aufschluss darüber geben, wie dieses Gleichgewicht in anderen neuronalen Kontexten aufrechterhalten wird und wie es gestört werden kann, zum Beispiel bei einigen Formen der Epilepsie. Besonders interessant wird es sein, zu untersuchen, wie eine aktivierende Mutation in einem Rezeptor auf einem cholinergen Neuron die Aktivität von GABAergen Neuronen beeinflussen kann, die den mutierten Kanal nicht tragen.
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