La contrazione muscolare è controllata da recettori nelle membrane delle cellule muscolari che rispondono al neurotrasmettitore acetilcolina quando viene rilasciato dai motoneuroni. I recettori dell’acetilcolina si trovano anche sui neuroni, dove svolgono una varietà di funzioni importanti, tra cui la modulazione della cognizione e la dipendenza. In un nuovo studio su PLoS Biology, Yishi Jin e colleghi hanno identificato e caratterizzato un recettore neuronale dell’acetilcolina nel Caenorhabditis elegans che permette al piccolo verme di dimenarsi. Il recettore regola l’equilibrio tra eccitazione e inibizione nei muscoli, e quindi contribuisce alla contrazione e al rilassamento coordinato dei muscoli sui lati opposti del corpo che risulta nella locomozione.
Un recettore dell’acetilcolina consiste di cinque subunità, e ci sono molti tipi di subunità (29 in C. elegans) da cui un recettore può essere assemblato. La composizione delle subunità di un recettore e, in particolare, del suo poro transmembrana, che è rivestito da un dominio transmembrana di ogni subunità, determina come risponde all’acetilcolina e quali effetti ha questa risposta sulla cellula. A causa del numero di possibili combinazioni di subunità, è molto difficile identificare la composizione cellula-specifica di un recettore dell’acetilcolina.
In questo studio, gli autori hanno iniziato identificando un ceppo mutante di C. elegans in cui i muscoli erano sovrastimolati, causando la “contrazione” dei vermi, poiché tutti i loro muscoli si contraevano quando venivano toccati. La caratterizzazione molecolare della mutazione ha rivelato che consisteva in una mutazione attivante in una subunità del recettore dell’acetilcolina chiamata ACR-2. In particolare, la mutazione è nel dominio transmembrana che forma i pori, in una posizione che si pensa influenzi la selettività ionica del canale.
Quando gli autori hanno usato geni reporter in cui le proteine fluorescenti erano controllate dal promotore acr-2, hanno scoperto che la subunità ACR-2 è espressa nei neuroni motori colinergici nel midollo ventrale del verme. L’espressione di acr-2 wild-type o di un “mini-gene” contenente parte del gene nei vermi mutanti ha invertito il difetto di “restringimento”, confermando che il difetto derivava dalla mutazione acr-2. I vermi in cui acr-2 conteneva una mutazione loss-of-function o null non mostrano ipercontrazione dei muscoli, ma piuttosto si muovevano lentamente, e l’analisi elettrofisiologica ha mostrato che il rilascio di acetilcolina dai motoneuroni era ridotto in questi animali.
Nei vermi con la mutazione attivante di acr-2, il rilascio di acetilcolina dai motoneuroni era aumentato. Inoltre, la neurotrasmissione dai motoneuroni inibitori a rilascio di GABA era ridotta. Tuttavia, ACR-2 non si trova nei neuroni GABAergici, quindi questa riduzione della neurotrasmissione GABA è probabile che sia un risultato indiretto degli effetti della mutazione sui neuroni colinergici.
Per scoprire quali altre subunità si combinano con ACR-2 per fare un recettore funzionale sui motoneuroni colinergici, gli autori hanno cercato mutazioni in altri geni che hanno soppresso gli effetti della mutazione acr-2 attiva. Diverse mutazioni di questo tipo sono stati trovati, e la maggior parte di queste mutazioni mappato a tre altri geni subunità del recettore dell’acetilcolina-acr-12, unc-38 e unc-63. Altre mutazioni di soppressione mappate ai geni che sono richiesti per il trasporto del recettore dell’acetilcolina alla superficie cellulare.
Per confermare la composizione delle subunità del recettore dell’acetilcolina, gli autori hanno ricostituito il recettore in oociti di Xenopus e hanno scoperto che oltre alle subunità ACR-2, ACR-12, UNC-38 e UNC-63, il recettore funzionale richiede anche ACR-3. Il gene acr-3 è molto vicino a acr-2, in modo che le due subunità sono probabilmente coespresse.
Insieme, questi risultati mostrano che il recettore neuronale dell’acetilcolina ACR-2 gestisce l’interazione tra eccitazione e inibizione nei muscoli in C. elegans. Essi dimostrano anche che una mutazione gain-of-function nel dominio che forma i pori di una subunità del recettore può influenzare la funzione farmacologica del canale del recettore in modo che il rilascio del trasmettitore dal neurone portatore del recettore sia aumentato. Infine, gli autori mostrano come l’analisi delle mutazioni soppressorie può essere usata per affrontare la sfida di definire la composizione delle subunità di un recettore eteromerico.
Ulteriori studi su come ACR-2 modula l’eccitazione e l’inibizione dei muscoli potrebbero dare un’idea di come questo equilibrio sia mantenuto in altri contesti neuronali e come possa essere perturbato, per esempio in alcune forme di epilessia. Sarà particolarmente interessante indagare come una mutazione attivante in un recettore su un neurone colinergico possa influenzare l’attività dei neuroni GABAergici che non portano il canale mutato.
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