筋収縮は、神経伝達物質であるアセチルコリンが運動ニューロンから放出されると、それに反応する筋細胞膜の受容体によって制御されます。 アセチルコリン受容体は神経細胞にも存在し、認知や中毒の調節など、さまざまな重要な機能を担っています。 PLoS Biology誌に掲載されたYishi Jinらの新しい研究では、線虫の神経細胞アセチルコリン受容体を同定し、その特徴を明らかにした。線虫は、小さな虫で体をくねらせたりすることができる。 この受容体は、筋肉の興奮と抑制のバランスを調節することで、運動量につながる体の反対側の筋肉の協調的な収縮と弛緩に寄与しています。
アセチルコリン受容体は5つのサブユニットからなり、受容体が組み立てられるサブユニットの種類は多く（線虫では29種類）、このうち1つのサブユニットで構成されているのは、神経細胞から分泌されるアセチルコリンと、筋肉を刺激するサブユニットだけです。 受容体のサブユニット構成、特に各サブユニットの膜貫通ドメインが並ぶ膜貫通孔の構成によって、受容体がアセチルコリンにどのように応答し、その応答が細胞にどのような影響を与えるかが決定されます。 この研究では、まず、筋肉が過剰に刺激され、触られるとすべての筋肉が収縮して「縮んで」しまう線虫の変異株を同定し、その変異株を用いてアセチルコリン受容体の細胞特異的な構造を明らかにしました。 この変異の分子的特徴を調べると、ACR-2と呼ばれるアセチルコリン受容体サブユニットの活性化変異であることが判明した。 具体的には、この変異は孔形成膜貫通ドメインにあり、チャネルのイオン選択性に影響を与えると考えられている位置にあります。
ACR-2 プロモーターによって蛍光タンパク質を制御するレポーター遺伝子を用いたところ、ACR-2 サブユニットが虫の腹髄のコリン作動性運動ニューロンで発現していることがわかりました。 野生型のacr-2またはその遺伝子の一部を含む「ミニ遺伝子」を変異体ワームに発現させると、「縮み」の欠損が回復し、この欠損はacr-2の変異に起因することが確認された。 acr-2の機能喪失変異またはヌル変異を含むワームは、筋肉の過収縮を示さず、むしろゆっくりと動く。電気生理学的分析により、これらの動物では運動ニューロンからのアセチルコリンの放出が減少していた。
acr-2の活性化突然変異を持つワームでは、運動ニューロンからのアセチルコリンの放出が増加した。 また、抑制性のGABA放出運動神経細胞からの神経伝達が減少した。 しかし、ACR-2はGABA作動性ニューロンには存在しないので、GABA神経伝達のこの減少は、コリン作動性ニューロンに対する突然変異の影響の間接的な結果であると思われた。 そのような突然変異がいくつか見つかり、そのほとんどは他の3つのアセチルコリン受容体サブユニット遺伝子、acr-12、unc-38、unc-63にマッピングされた。 アセチルコリン受容体のサブユニット構成を確認するために、著者らは Xenopus 卵母細胞で受容体を再構成し、ACR-2、ACR-12、UNC-38、UNC-63 サブユニットに加えて、機能的受容体は ACR-3 も必要とすることを見出した。 ACR-3遺伝子はACR-2と非常に近い位置にあり、2つのサブユニットが共発現している可能性が高い。
これらの結果から、神経性アセチルコリン受容体ACR-2は線虫の筋肉における興奮と抑制の間の相互作用を管理していることがわかった。 また、受容体サブユニットの孔形成ドメインの機能獲得変異が受容体チャネルの薬理機能に影響を与え、受容体を持つ神経細胞からの伝達物質放出を増加させることも明らかにした。 最後に、著者らはサプレッサー変異の解析が、ヘテロマー受容体のサブユニット組成を定義するという難題に取り組むためにどのように利用できるかを示している。 特に、コリン作動性ニューロンの受容体の活性化変異が、変異チャネルを持たないGABA作動性ニューロンの活性にどのように影響するかを調べることは、興味深いことでしょう。
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