La contracción muscular está controlada por receptores en las membranas de las células musculares que responden al neurotransmisor acetilcolina cuando es liberado por las neuronas motoras. Los receptores de acetilcolina también se encuentran en las neuronas, donde desempeñan una serie de funciones importantes, como la modulación de la cognición y la adicción. En un nuevo estudio publicado en PLoS Biology, Yishi Jin y sus colegas han identificado y caracterizado un receptor neuronal de acetilcolina en el Caenorhabditis elegans que permite a este diminuto gusano retorcerse. El receptor regula el equilibrio entre la excitación y la inhibición en los músculos y, por lo tanto, contribuye a la contracción y relajación coordinadas de los músculos en lados opuestos del cuerpo que da lugar a la locomoción.
Un receptor de acetilcolina consta de cinco subunidades, y hay muchos tipos de subunidades (29 en C. elegans) a partir de los cuales se puede ensamblar un receptor. La composición de subunidades de un receptor y, en particular, de su poro transmembrana, que está revestido con un dominio transmembrana de cada subunidad, determina cómo responde a la acetilcolina y qué efectos tiene esta respuesta en la célula. Debido al número de posibles combinaciones de subunidades, es muy difícil identificar la composición específica de la célula de un receptor de acetilcolina.
En este estudio, los autores empezaron por identificar una cepa mutante de C. elegans en la que los músculos estaban sobreestimulados, lo que provocaba que los gusanos se «encogieran», ya que todos sus músculos se contraían al ser tocados. La caracterización molecular de la mutación reveló que se trataba de una mutación activadora en una subunidad del receptor de acetilcolina llamada ACR-2. En concreto, la mutación se encuentra en el dominio transmembrana formador de poros, en una posición que se cree que influye en la selectividad de iones del canal.
Cuando los autores utilizaron genes reporteros en los que las proteínas fluorescentes estaban controladas por el promotor de acr-2, descubrieron que la subunidad ACR-2 se expresa en las motoneuronas colinérgicas del cordón ventral del gusano. La expresión de acr-2 de tipo salvaje o de un «minigén» que contenía parte del gen en los gusanos mutantes revirtió el defecto de «encogimiento», confirmando que el defecto era consecuencia de la mutación de acr-2. Los gusanos en los que acr-2 presentaba una pérdida de función o una mutación nula no mostraban una hipercontracción de los músculos, sino que se movían lentamente, y el análisis electrofisiológico mostraba que la liberación de acetilcolina de las neuronas motoras estaba reducida en estos animales.
En los gusanos con la mutación activadora de acr-2, la liberación de acetilcolina de las neuronas motoras estaba aumentada. Además, se redujo la neurotransmisión de las motoneuronas inhibidoras liberadoras de GABA. Sin embargo, el ACR-2 no se encuentra en las neuronas GABAérgicas, por lo que es probable que esta reducción de la neurotransmisión GABA sea un resultado indirecto de los efectos de la mutación en las neuronas colinérgicas.
Para averiguar qué otras subunidades se combinan con el ACR-2 para formar un receptor funcional en las motoneuronas colinérgicas, los autores buscaron mutaciones en otros genes que suprimieran los efectos de la mutación activadora del acr-2. Se encontraron varias mutaciones de este tipo, y la mayoría de estas mutaciones se asignaron a otros tres genes de la subunidad del receptor de acetilcolina -acr-12, unc-38 y unc-63-. Otras mutaciones supresoras se asignaron a genes necesarios para el transporte del receptor de acetilcolina a la superficie celular.
Para confirmar la composición de subunidades del receptor de acetilcolina, los autores reconstituyeron el receptor en oocitos de Xenopus y descubrieron que, además de las subunidades ACR-2, ACR-12, UNC-38 y UNC-63, el receptor funcional también requería ACR-3. El gen acr-3 está muy cerca del acr-2, por lo que es probable que las dos subunidades se coexpresen.
En conjunto, estos resultados muestran que el receptor neuronal de acetilcolina ACR-2 gestiona la interacción entre la excitación y la inhibición en los músculos en C. elegans. También demuestran que una mutación de ganancia de función en el dominio formador de poros de una subunidad del receptor puede influir en la función farmacológica del canal del receptor, de modo que aumenta la liberación de transmisores de la neurona portadora del receptor. Por último, los autores muestran cómo el análisis de las mutaciones supresoras puede utilizarse para abordar el reto de definir la composición de las subunidades de un receptor heteromérico.
Un estudio más profundo de cómo el ACR-2 modula la excitación y la inhibición de los músculos podría dar una idea de cómo se mantiene este equilibrio en otros contextos neuronales, y cómo puede ser perturbado, por ejemplo en algunas formas de epilepsia. Será especialmente interesante investigar cómo una mutación activadora en un receptor de una neurona colinérgica puede influir en la actividad de las neuronas GABAérgicas que no llevan el canal mutado.
Jospin M, Qi YB, Stawicki TM, Boulin T, Schuske KR, et al. (2009) Un receptor neuronal de acetilcolina regula el equilibrio de la excitación y la inhibición muscular en C. elegans. doi:10.1371/journal.pbio.1000265