Muskelkontraktion styrs av receptorer i muskelcellmembranen som reagerar på neurotransmittorn acetylkolin när den frisätts från motorneuronerna. Acetylkolinreceptorer finns också på neuronerna, där de utför en rad viktiga funktioner, bland annat för att modulera kognition och beroende. I en ny studie i PLoS Biology har Yishi Jin och kollegor identifierat och karakteriserat en neuronal acetylkolinreceptor i Caenorhabditis elegans som gör att den lilla masken kan slingra sig fram. Receptorn reglerar balansen mellan excitering och hämning i musklerna och bidrar därmed till den samordnade sammandragning och avslappning av muskler på motsatta sidor av kroppen som resulterar i rörelseförmåga.
En acetylkolinreceptor består av fem subenheter, och det finns många subenhetstyper (29 i C. elegans) från vilka en receptor kan sättas samman. Underenheternas sammansättning av en receptor, och i synnerhet av dess transmembranpora, som är fodrad med en transmembrandomän från varje underenhet, bestämmer hur den reagerar på acetylkolin och vilka effekter detta svar har på cellen. På grund av antalet möjliga kombinationer av underenheter är det mycket svårt att identifiera den cellspecifika sammansättningen av en acetylkolinreceptor.
I den här studien började författarna med att identifiera en mutantstam av C. elegans där musklerna överstimulerades, vilket ledde till att maskarna ”krympte”, eftersom alla deras muskler drog ihop sig när de berördes. Molekylär karakterisering av mutationen visade att den bestod av en aktiverande mutation i en acetylkolinreceptorunderenhet som kallas ACR-2. Specifikt ligger mutationen i den porbildande transmembrandomänen, i en position som tros påverka kanalens jonselektivitet.
När författarna använde sig av reportergener där fluorescerande proteiner styrdes av acr-2-promotorn upptäckte de att ACR-2-underenheten uttrycks i kolinerga motoriska neuroner i maskens ventrala sträng. Uttryck av acr-2 av vildtyp eller en ”minigen” som innehåller en del av genen i de muterade maskarna reverserade ”krympningsdefekten”, vilket bekräftade att defekten berodde på acr-2-mutationen. Maskar där acr-2 innehöll en loss-of-function- eller nollmutation uppvisar ingen hyperkontraktion av musklerna, utan rörde sig snarare långsamt, och elektrofysiologisk analys visade att frisättningen av acetylkolin från motorneuronerna var minskad hos dessa djur.
I maskar med den aktiverande mutationen av acr-2 var frisättningen av acetylkolin från motorneuronerna ökad. Dessutom minskade neurotransmissionen från hämmande GABA-frisättande motorneuroner. ACR-2 finns dock inte i GABAergiska neuroner, så denna minskning av GABA-neurotransmission är sannolikt ett indirekt resultat av mutationens effekter på kolinerga neuroner.
För att ta reda på vilka andra subenheter som kombineras med ACR-2 för att bilda en funktionell receptor på kolinerga motoriska neuroner, letade författarna efter mutationer i andra gener som undertryckte effekterna av den aktiverande acr-2 mutationen. Flera sådana mutationer hittades, och de flesta av dessa mutationer kartlades till tre andra gener för acetylkolinreceptorunderenheter – akr-12, unc-38 och unc-63. Andra suppressormutationer kartlades till gener som krävs för transport av acetylkolinreceptorn till cellytan.
För att bekräfta acetylkolinreceptorns underenhetssammansättning rekonstituerade författarna receptorn i Xenopus oocyter och upptäckte att den funktionella receptorn förutom underenheterna ACR-2, ACR-12, UNC-38 och UNC-63 även krävde ACR-3. ACR-3-genen ligger mycket nära ACR-2, vilket innebär att de två underenheterna sannolikt samuttrycks.
Dessa resultat visar sammantaget att den neuronala acetylkolinreceptorn ACR-2 hanterar samspelet mellan excitation och hämning i musklerna i C. elegans. De visar också att en gain-of-function-mutation i den porbildande domänen hos en receptorunderenhet kan påverka receptorkanalens farmakologiska funktion så att transmittorfrisättningen från den receptorbärande neuronen ökar. Slutligen visar författarna hur analysen av suppressormutationer kan användas för att ta itu med utmaningen att definiera underenhetssammansättningen hos en heteromerisk receptor.
Fortsatta studier av hur ACR-2 modulerar excitering och hämning av muskler kan ge insikt i hur denna balans upprätthålls i andra neuronala sammanhang, och hur den kan rubbas, till exempel i vissa former av epilepsi. Det blir särskilt intressant att undersöka hur en aktiverande mutation i en receptor på ett kolinergt neuron kan påverka aktiviteten hos GABAergiska neuroner som inte bär den muterade kanalen.
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