Lihaksen supistumista ohjaavat lihassolukalvoissa olevat reseptorit, jotka reagoivat välittäjäaine asetyylikoliiniin, kun sitä vapautuu motoneuroneista. Asetyylikoliinireseptoreita on myös neuroneissa, joissa niillä on monia tärkeitä tehtäviä, kuten kognition ja riippuvuuden modulointi. Uudessa PLoS Biology -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa Yishi Jin ja kollegat ovat tunnistaneet ja luonnehtineet Caenorhabditis elegansin hermosolujen asetyylikoliinireseptoria, joka mahdollistaa pienen madon kiemurtelun. Reseptori säätelee lihasten herätteen ja eston välistä tasapainoa ja vaikuttaa siten osaltaan kehon vastakkaisilla puolilla sijaitsevien lihasten koordinoituun supistumiseen ja rentoutumiseen, mikä johtaa liikkumiseen.
Asetyylikoliinireseptori koostuu viidestä alayksiköstä, ja alayksiköitä, joista reseptori voidaan koota, on monia erilaisia (C. elegansissa 29). Reseptorin alayksikkökokoonpano ja erityisesti sen transmembraanihuokos, joka on vuorattu yhdellä transmembraanidomeenilla kustakin alayksiköstä, määrää sen, miten reseptori reagoi asetyylikoliiniin ja mitä vaikutuksia tällä vasteella on soluun. Mahdollisten alayksikkökombinaatioiden lukumäärän vuoksi asetyylikoliinireseptorin solukohtaisen koostumuksen tunnistaminen on hyvin vaikeaa.
Tässä tutkimuksessa kirjoittajat aloittivat tunnistamalla C. elegans -lajin mutanttikannan, jonka lihakset olivat ylistimuloituja, mikä aiheutti matojen ”kutistumisen”, koska kaikki niiden lihakset supistuivat, kun niitä koskettiin. Mutaation molekulaarinen karakterisointi paljasti, että se koostui aktivoivasta mutaatiosta asetyylikoliinireseptorin alayksikössä nimeltä ACR-2. Erityisesti mutaatio on huokosta muodostavassa transmembraanidomeenissa, paikassa, jonka ajatellaan vaikuttavan kanavan ioniselektiivisyyteen.
Kun kirjoittajat käyttivät reportterigeenejä, joissa fluoresoivia proteiineja ohjattiin acr-2:n promoottorilla, he havaitsivat, että ACR-2-alayksikkö ilmentyy koliinergisissä motoneuroneissa madon ventraalisessa napanuorassa. Villityyppisen acr-2:n tai geenin osan sisältävän ”minigeenin” ilmentäminen mutanttimadoissa kumosi ”kutistumisvian”, mikä vahvisti, että vika johtui acr-2-mutaatiosta. Madoissa, joissa acr-2 sisälsi toimintakyvyttömyys- tai nollamutaation, ei ilmennyt lihasten hyperkontraktiota, vaan ne liikkuivat hitaasti, ja elektrofysiologinen analyysi osoitti, että asetyylikoliinin vapautuminen motoneuroneista oli vähentynyt näissä eläimissä.
Madoissa, joissa oli acr-2:n aktivoiva mutaatio, asetyylikoliinin vapautuminen motoneuroneista oli lisääntynyt. Lisäksi neurotransmissio inhiboivista GABA:ta vapauttavista motoneuroneista väheni. ACR-2:ta ei kuitenkaan esiinny GABAergisissa neuroneissa, joten tämä GABA-neurotransmission väheneminen on todennäköisesti epäsuora seuraus mutaation vaikutuksista kolinergisiin neuroneihin.
Voidakseen selvittää, mitkä muut alayksiköt yhdistyvät ACR-2:n kanssa muodostaakseen toimivan reseptorin kolinergisissä motoneuroneissa, kirjoittajat etsimällä etsivät mutaatioita muissa geeneissä, jotka tukahduttivat aktivoivan acr-2-mutaation vaikutukset. Tällaisia mutaatioita löytyi useita, ja suurin osa näistä mutaatioista kohdistui kolmeen muuhun asetyylikoliinireseptorin alayksikön geeniin – acr-12, unc-38 ja unc-63. Muut suppressorimutaatiot karttuivat geeneihin, joita tarvitaan asetyylikoliinireseptorin kuljettamiseen solun pinnalle.
Vahvistaakseen asetyylikoliinireseptorin alayksikkökoostumuksen kirjoittajat rekonstruoivat reseptorin Xenopusin oosyyteissä ja havaitsivat, että toimivaan reseptoriin tarvittiin ACR-2:n, ACR-12:n, UNC-38:n ja UNC-63:n alayksiköiden lisäksi ACR-3:a. Acr-3-geeni on hyvin lähellä acr-2:ta, joten nämä kaksi alayksikköä todennäköisesti ekspressoituvat yhdessä.
Kokonaisuutena nämä tulokset osoittavat, että ACR-2:n hermosolujen asetyylikoliinireseptori hallitsee herätteen ja eston välistä vuorovaikutusta C. elegansin lihaksissa. Ne osoittavat myös, että reseptorin alayksikön huokosta muodostavan domeenin gain-of-function-mutaatio voi vaikuttaa reseptorikanavan farmakologiseen toimintaan siten, että lähettimen vapautuminen reseptoria kantavasta neuronista lisääntyy. Lopuksi kirjoittajat osoittavat, miten suppressorimutaatioiden analyysia voidaan käyttää heteromeerisen reseptorin alayksikkökoostumuksen määrittelyn haasteeseen.
Jatkotutkimus siitä, miten ACR-2 moduloi lihasten kiihottumista ja estymistä, saattaa antaa tietoa siitä, miten tämä tasapaino säilyy muissa neuronaalisissa yhteyksissä ja miten se voi häiriintyä esimerkiksi joissakin epilepsiamuodoissa. Erityisen mielenkiintoista on tutkia, miten kolinergisen hermosolun reseptorin aktivoiva mutaatio voi vaikuttaa sellaisten GABAergisten hermosolujen aktiivisuuteen, joissa ei ole mutaatiokanavaa.
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