Contracția musculară este controlată de receptorii din membranele celulelor musculare care răspund la neurotransmițătorul acetilcolină atunci când acesta este eliberat de neuronii motori. Receptorii acetilcolinei se găsesc, de asemenea, pe neuroni, unde îndeplinesc o varietate de funcții importante, inclusiv modularea cogniției și a dependenței. Într-un nou studiu publicat în PLoS Biology, Yishi Jin și colegii săi au identificat și caracterizat un receptor neuronal de acetilcolină la Caenorhabditis elegans care permite micului vierme să se miște. Receptorul reglează echilibrul dintre excitație și inhibiție în mușchi și, astfel, contribuie la contracția și relaxarea coordonată a mușchilor de pe laturile opuse ale corpului, care are ca rezultat locomoția.
Un receptor de acetilcolină este format din cinci subunități și există multe tipuri de subunități (29 la C. elegans) din care poate fi asamblat un receptor. Compoziția subunitară a unui receptor și, în special, a porului său transmembranar, care este căptușit cu un domeniu transmembranar din fiecare subunitate, determină modul în care acesta răspunde la acetilcolină și ce efecte are acest răspuns asupra celulei. Din cauza numărului de combinații posibile de subunități, este foarte dificil de identificat compoziția specifică unei celule a unui receptor de acetilcolină.
În acest studiu, autorii au început prin a identifica o tulpină mutantă de C. elegans în care mușchii erau suprastimulați, ceea ce făcea ca viermii să se „micșoreze”, deoarece toți mușchii lor se contractau atunci când erau atinși. Caracterizarea moleculară a mutației a arătat că aceasta consta într-o mutație de activare a unei subunități a receptorului de acetilcolină numită ACR-2. În mod specific, mutația se află în domeniul transmembranar de formare a porilor, într-o poziție despre care se crede că influențează selectivitatea ionică a canalului.
Când autorii au folosit gene reporter în care proteinele fluorescente au fost controlate de promotorul acr-2, au descoperit că subunitatea ACR-2 este exprimată în neuronii motori colinergici din cordonul ventral al viermilor. Exprimarea acr-2 de tip sălbatic sau a unei „mini-gene” care conține o parte a genei în viermii mutanți a inversat defectul de „micșorare”, confirmând că defectul a rezultat din mutația acr-2. Viermii la care acr-2 conținea o mutație de pierdere a funcției sau o mutație nulă nu prezintă o hipercontracție a mușchilor, ci mai degrabă se mișcă încet, iar analiza electrofiziologică a arătat că eliberarea de acetilcolină de la neuronii motori a fost redusă la aceste animale.
La viermii cu mutația activatoare a acr-2, eliberarea de acetilcolină de la neuronii motori a fost crescută. În plus, neurotransmisia de la neuronii motori inhibitori care eliberează GABA a fost redusă. Cu toate acestea, ACR-2 nu se găsește în neuronii GABAergici, astfel încât această reducere a neurotransmisiei GABA este probabil să fie un rezultat indirect al efectelor mutației asupra neuronilor colinergici.
Pentru a afla ce alte subunități se combină cu ACR-2 pentru a face un receptor funcțional pe neuronii motori colinergici, autorii au căutat mutații în alte gene care au suprimat efectele mutației activatoare acr-2. Au fost găsite mai multe astfel de mutații, iar cele mai multe dintre acestea au fost localizate în alte trei gene ale subunităților receptorului de acetilcolină – acr-12, unc-38 și unc-63. Alte mutații supresoare s-au cartografiat la gene care sunt necesare pentru transportul receptorului de acetilcolină la suprafața celulară.
Pentru a confirma compoziția subunităților receptorului de acetilcolină, autorii au reconstituit receptorul în ovocite Xenopus și au descoperit că, pe lângă subunitățile ACR-2, ACR-12, UNC-38 și UNC-63, receptorul funcțional necesită și ACR-3. Gena acr-3 este foarte apropiată de acr-2, astfel încât este probabil ca cele două subunități să fie coexprimate.
Împreună, aceste rezultate arată că receptorul neuronal de acetilcolină ACR-2 gestionează interacțiunea dintre excitație și inhibiție în mușchi la C. elegans. Ele demonstrează, de asemenea, că o mutație de câștig de funcție în domeniul de formare a porilor unei subunități a receptorului poate influența funcția farmacologică a canalului receptorului, astfel încât eliberarea transmițătorului de către neuronul purtător al receptorului să fie crescută. În cele din urmă, autorii arată modul în care analiza mutațiilor supresoare poate fi utilizată pentru a aborda provocarea de a defini compoziția subunității unui receptor heteromeric.
Studiul suplimentar al modului în care ACR-2 modulează excitația și inhibiția mușchilor ar putea oferi o perspectivă asupra modului în care acest echilibru este menținut în alte contexte neuronale și cum poate fi perturbat, de exemplu, în unele forme de epilepsie. Va fi deosebit de interesant să se investigheze modul în care o mutație de activare a unui receptor pe un neuron colinergic poate influența activitatea neuronilor GABAergici care nu poartă canalul mutant.
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