Spiercontractie wordt gecontroleerd door receptoren in de spiercelmembranen die reageren op de neurotransmitter acetylcholine wanneer deze vrijkomt uit motorneuronen. Acetylcholine receptoren worden ook gevonden op neuronen, waar ze een verscheidenheid aan belangrijke functies vervullen, waaronder het moduleren van cognitie en verslaving. In een nieuwe studie in PLoS Biology hebben Yishi Jin en collega’s een neuronale acetylcholine receptor in de Caenorhabditis elegans geïdentificeerd en gekarakteriseerd, die de kleine worm in staat stelt zich voort te bewegen. De receptor regelt het evenwicht tussen excitatie en inhibitie in de spieren, en draagt zo bij tot de gecoördineerde contractie en relaxatie van spieren aan tegenovergestelde zijden van het lichaam, wat resulteert in voortbeweging.
Een acetylcholine receptor bestaat uit vijf subeenheden, en er zijn vele subeenheden (29 in C. elegans) waaruit een receptor kan worden samengesteld. De subunit samenstelling van een receptor, en, in het bijzonder, van zijn transmembraan porie, die bekleed is met één transmembraan domein van elke subunit, bepaalt hoe hij reageert op acetylcholine en welke effecten deze reactie heeft op de cel. Vanwege het aantal mogelijke combinaties van subeenheden, is het zeer moeilijk om de celspecifieke samenstelling van een acetylcholine receptor te identificeren.
In deze studie begonnen de auteurs met het identificeren van een mutantstam van C. elegans waarbij de spieren overgestimuleerd werden, waardoor de wormen “krompen”, omdat al hun spieren samentrokken wanneer ze werden aangeraakt. Moleculaire karakterisering van de mutatie bracht aan het licht dat het ging om een activerende mutatie in een acetylcholine receptor subeenheid, ACR-2 genaamd. Meer specifiek bevindt de mutatie zich in het porievormende transmembraandomein, op een positie waarvan wordt gedacht dat die de ionenselectiviteit van het kanaal beïnvloedt.
Toen de auteurs reportergenen gebruikten waarin fluorescerende eiwitten werden aangestuurd door de acr-2 promoter, ontdekten zij dat de ACR-2 subeenheid tot expressie komt in cholinerge motorneuronen in het ventrale koord van de worm. Expressie van wild-type acr-2 of een “mini-gen” dat een deel van het gen bevat in de gemuteerde wormen keerde het “krimpen” defect om, wat bevestigde dat het defect het gevolg was van de acr-2 mutatie. Wormen waarin acr-2 een “loss-of-function” of “null” mutatie bevatte, vertoonden geen hypercontractie van de spieren, maar bewogen traag, en elektrofysiologische analyse toonde aan dat de afgifte van acetylcholine uit de motorneuronen in deze dieren verminderd was.
In wormen met de activerende mutatie van acr-2, was de afgifte van acetylcholine uit motorneuronen verhoogd. Bovendien was de neurotransmissie van remmende GABA-afgevende motorneuronen verminderd. ACR-2 wordt echter niet aangetroffen in GABA-erge neuronen, zodat deze vermindering in GABA neurotransmissie waarschijnlijk een indirect resultaat is van de effecten van de mutatie op cholinerge neuronen.
Om uit te zoeken welke andere subeenheden samen met ACR-2 een functionele receptor vormen op cholinerge motorneuronen, zochten de auteurs naar mutaties in andere genen die de effecten van de activerende acr-2 mutatie onderdrukten. Verscheidene van deze mutaties werden gevonden, en de meeste van deze mutaties kwamen voor in drie andere acetylcholine receptor subeenheid genen – acr-12, unc-38, en unc-63. Andere suppressormutaties werden toegewezen aan genen die nodig zijn voor het transport van de acetylcholine receptor naar het celoppervlak.
Om de samenstelling van de subeenheden van de acetylcholine receptor te bevestigen, reconstitueerden de auteurs de receptor in Xenopus oöcyten en ontdekten dat naast de ACR-2, ACR-12, UNC-38, en UNC-63 subeenheden, de functionele receptor ook ACR-3 nodig had. Het acr-3 gen ligt zeer dicht bij acr-2, zodat de twee subeenheden waarschijnlijk samen tot expressie komen.
Samen tonen deze resultaten aan dat de ACR-2 neuronale acetylcholine receptor de wisselwerking tussen excitatie en inhibitie in de spieren in C. elegans regelt. Zij tonen ook aan dat een ‘gain-of-function’ mutatie in het porievormende domein van een receptorsubeenheid de farmacologische functie van het receptorkanaal kan beïnvloeden, zodat de afgifte van transmitters uit het receptordragende neuron wordt verhoogd. Tenslotte laten de auteurs zien hoe de analyse van suppressormutaties kan worden gebruikt om de uitdaging aan te gaan van het bepalen van de subeenheidssamenstelling van een heteromere receptor.
Verder onderzoek naar hoe ACR-2 de excitatie en inhibitie van spieren moduleert zou inzicht kunnen geven in hoe dit evenwicht wordt gehandhaafd in andere neuronale contexten, en hoe het kan worden verstoord, bijvoorbeeld bij sommige vormen van epilepsie. Het zal bijzonder interessant zijn om te onderzoeken hoe een activerende mutatie in een receptor op een cholinerge neuron de activiteit kan beïnvloeden van GABA-erge neuronen die het gemuteerde kanaal niet dragen.
Jospin M, Qi YB, Stawicki TM, Boulin T, Schuske KR, et al. (2009) A Neuronal Acetylcholine Receptor Reguleert de Balans van Spier Excitatie en Inhibitie in C. elegans. doi:10.1371/journal.pbio.1000265