Skurcz mięśni jest kontrolowany przez receptory w błonach komórkowych mięśni, które reagują na neuroprzekaźnik acetylocholiny, gdy jest on uwalniany z neuronów ruchowych. Receptory acetylocholiny znajdują się również na neuronach, gdzie pełnią wiele ważnych funkcji, w tym modulują procesy poznawcze i uzależnienia. W nowym badaniu opublikowanym w PLoS Biology, Yishi Jin i współpracownicy zidentyfikowali i scharakteryzowali neuronalny receptor acetylocholiny u Caenorhabditis elegans, który umożliwia temu małemu robakowi poruszanie się. Receptor reguluje równowagę między pobudzeniem i hamowaniem w mięśniach, a tym samym przyczynia się do skoordynowanego kurczenia i rozkurczania mięśni po przeciwnych stronach ciała, co skutkuje lokomocją.
Receptor acetylocholiny składa się z pięciu podjednostek i istnieje wiele typów podjednostek (29 w C. elegans), z których receptor może być złożony. Skład podjednostkowy receptora, a w szczególności jego pory transmembranowej, która jest wyłożona jedną domeną transmembranową z każdej podjednostki, decyduje o tym, jak reaguje on na acetylocholinę i jakie skutki wywołuje ta odpowiedź w komórce. Ze względu na liczbę możliwych kombinacji podjednostek, bardzo trudno jest zidentyfikować specyficzny dla komórki skład receptora acetylocholiny.
W tym badaniu autorzy rozpoczęli od zidentyfikowania zmutowanego szczepu C. elegans, w którym mięśnie były nadmiernie stymulowane, powodując „kurczenie się” robaków, ponieważ wszystkie ich mięśnie kurczyły się, gdy były dotykane. Molekularna charakterystyka mutacji ujawniła, że składała się ona z aktywującej mutacji w podjednostce receptora acetylocholiny zwanej ACR-2. W szczególności, mutacja znajduje się w tworzącej pory domenie transmembranowej, w pozycji, która ma wpływać na selektywność jonową kanału.
Kiedy autorzy użyli genów reporterowych, w których białka fluorescencyjne były kontrolowane przez promotor acr-2, odkryli, że podjednostka ACR-2 ulega ekspresji w cholinergicznych neuronach ruchowych w rdzeniu brzusznym robaka. Ekspresja dzikiego typu acr-2 lub „minigenu” zawierającego część tego genu u zmutowanych robaków odwróciła defekt „kurczenia się”, potwierdzając, że defekt ten wynikał z mutacji acr-2. Robaki, u których acr-2 zawierała mutację typu loss-of-function lub null, nie wykazywały hiperkurczliwości mięśni, ale raczej poruszały się powoli, a analiza elektrofizjologiczna wykazała, że uwalnianie acetylocholiny z neuronów ruchowych było u tych zwierząt zmniejszone.
W robakach z aktywującą mutacją acr-2, uwalnianie acetylocholiny z neuronów ruchowych było zwiększone. Ponadto, neurotransmisja z hamujących neuronów ruchowych uwalniających GABA była zmniejszona. Jednakże ACR-2 nie występuje w neuronach GABAergicznych, więc ta redukcja neurotransmisji GABA jest prawdopodobnie pośrednim wynikiem działania mutacji na neurony cholinergiczne.
Aby dowiedzieć się, które inne podjednostki łączą się z ACR-2 w celu stworzenia funkcjonalnego receptora na cholinergicznych neuronach ruchowych, autorzy szukali mutacji w innych genach, które tłumiły efekty aktywującej mutacji acr-2. Znaleziono kilka takich mutacji, a większość z nich mapowała się do trzech innych genów podjednostek receptora acetylocholinowego – acr-12, unc-38 i unc-63. Inne mutacje supresorowe mapowały się do genów, które są wymagane do transportu receptora acetylocholiny na powierzchnię komórki.
Aby potwierdzić skład podjednostkowy receptora acetylocholiny, autorzy odtworzyli receptor w oocytach Xenopus i odkryli, że oprócz podjednostek ACR-2, ACR-12, UNC-38 i UNC-63, funkcjonalny receptor wymagał również ACR-3. Gen acr-3 jest bardzo blisko acr-2, tak że te dwie podjednostki są prawdopodobnie współekspresjonowane.
Wszystkie te wyniki pokazują, że neuronalny receptor acetylocholinowy ACR-2 zarządza wzajemnym oddziaływaniem między pobudzeniem i hamowaniem w mięśniach u C. elegans. Pokazuj± one również, że mutacja gain-of-function w domenie tworz±cej pory podjednostki receptora może wpływać na farmakologiczn± funkcję kanału receptorowego tak, że uwalnianie przekaźnika z neuronu nosz±cego receptor jest zwiększone. Wreszcie, autorzy pokazują, jak analiza mutacji supresorowych może być wykorzystana do rozwiązania problemu określenia składu podjednostkowego heteromerycznego receptora.
Dalsze badania nad tym, jak ACR-2 moduluje pobudzenie i hamowanie mięśni, mogą dać wgląd w to, jak ta równowaga jest utrzymywana w innych kontekstach neuronalnych i jak może być zaburzona, na przykład w niektórych formach padaczki. Szczególnie interesujące będzie zbadanie, jak aktywująca mutacja w receptorze na neuronie cholinergicznym może wpłynąć na aktywność neuronów GABAergicznych, które nie posiadają zmutowanego kanału.
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