Caracterización del receptor de acetilcolina nicotínico (nAChR) en la sinapsis neuromuscular de la especie Branchiostoma lanceolatum

Abstract

La unión neuromuscular (UNM) es la sinapsis periférica entre neuronas motoras y fibras musculares que controla el movimiento coordinado de una gran variedad de organismos. El estudio de la UNM se ha realizado en distintos modelos animales. En dicho contexto, una alternativa concreta para adquirir conocimiento sobre los requerimientos celulares y moleculares básicos de las sinapsis es conocer los procesos evolutivos que han dado lugar a los primeros contactos neuromusculares. Los cordados se dividen en el subfilo de los urocordados, cefalocordados y vertebrados. Los cefalocordados o anfioxos (en el caso de esta tesis, la especie Branchiostoma lanceolatum) son particularmente interesantes, pues poseen una anatomía que comparte estructuras similares con los vertebrados. Entre ellas destacan la presencia de un tubo neural, una notocorda (presente en etapa embrionaria y adulta) y miotomas (músculos esqueléticos del tronco). Diversos estudios estructurales han determinado que el tubo neural establece contactos con la región dorsal de la notocorda mediante estructuras llamadas astas notocordales, las cuales emergen de placas musculares transversales que la notocorda posee en su interior. Además, se han observado procesos citoplasmáticos que emergen desde las láminas musculares de los miotomas y que establecen contacto con las regiones ventrolaterales del tubo neural. En cuanto a la identidad de dichos contactos sinápticos, se desconoce la naturaleza de los receptores que cumplen esta función en los anfioxos. Al respecto, diferentes experimentos de hibridación in situ y detección enzimática de acetilcolinesterasa han identificado componentes colinérgicos en la interacción del tubo neural con la notocorda y con los procesos citoplasmáticos de los miotomas, lo que sugiere la presencia de sinapsis colinérgicas en la UNM de los anfioxos. Aun cuando en la UNM de vertebrados la despolarización de las fibras musculares y la consecuente contracción muscular dependen del receptor de acetilcolina nicotínico (nAChR), en el anfioxo no se ha identificado la presencia ni identidad de los receptores presentes en estas sinapsis neuromusculares. En base a estos antecedentes, se propone como hipótesis que “En la especie Branchiostoma lanceolatum, se encuentran nAChR en las interacciones neuromusculares que establece el tubo neural tanto con proyecciones de los miotomas como con la región dorsal de la notocorda”. Nuestros estudios de histología y detección de sondas y anticuerpos específicos en cortes de anfioxos adultos muestran una distribución de nAChRs en regiones delineadas alrededor y dentro de la porción ventral del tubo neural. Sorprendentemente, estas regiones muestran una distribución segmentada en el eje antero-posterior del tubo neural. Nuestros estudios in silico arrojaron la presencia de genes ortólogos para las subunidades α1, α3, α5-11 y β2-4 del nAChR, lo que sugiere que la conformación neuromuscular del receptor es diferente a la de los vertebrados. Estos hallazgos en B. lanceolatum amplían nuestros conocimientos sobre los requisitos celulares y moleculares básicos de las sinapsis que dieron lugar a los primeros contactos neuromusculares mediante el análisis comparativo entre vertebrados e invertebrados.

The neuromuscular junction (NMJ) is the peripheral synapse between motor neurons and muscle fibers that controls coordinated movement in a wide variety of organisms. The study of the NMJ has been performed in different animal models. In this context, a concrete alternative to gain knowledge about the basic cellular and molecular requirements of synapses is to learn about the evolutionary processes that led to the first neuromuscular contacts. Chordates are divided into the subphylum of urochordates, cephalochordates and vertebrates. Cephalochordates or amphioxus (in the case of this thesis, the species Branchiostoma lanceolatum) are particularly interesting, as they have an anatomy that shares similar structures with vertebrates. These include the presence of a neural tube, a notochord (present in embryonic and adult stages) and myotomes (skeletal muscles of the trunk). Several structural studies have determined that the neural tube establishes contacts with the dorsal region of the notochord through structures called notochordal horns, which emerge from transverse muscular plates that the notochord has in its interior. In addition, cytoplasmic processes have been observed that emerge from the muscular laminae of the myotomes and establish contact with the ventrolateral regions of the neural tube. As for the identity of these synaptic contacts, the nature of the receptors that perform this function in amphioxus is unknown. In this regard, different in situ hybridization experiments and enzymatic detection of acetylcholinesterase have identified cholinergic components in the interaction of the neural tube with the notochord and with the cytoplasmic processes of the myotomes, suggesting the presence of cholinergic synapses in the UNM of amphioxus. Even though in the vertebrate UNM the depolarization of muscle fibers and the consequent muscle contraction depend on the nicotinic acetylcholine receptor (nAChR), in amphioxus the presence and identity of the receptors present in these neuromuscular synapses have not been identified. Based on this background, it is hypothesized that "In Branchiostoma lanceolatum species, nAChRs are found in the neuromuscular interactions established by the neural tube with both myotome projections and the dorsal region of the notochord". Our histology studies and detection of specific probes and antibodies in adult amphioxus slices show a distribution of nAChRs in delineated regions around and within the ventral portion of the neural tube. Surprisingly, these regions show a segmented distribution along the antero-posterior axis of the neural tube. Our in silico studies yielded the presence of orthologous genes for the α1, α3, α5-11 and β2-4 subunits of the nAChR, suggesting that the neuromuscular conformation of the receptor is different from that of vertebrates. These findings in B. lanceolatum extend our knowledge of the basic cellular and molecular requirements of the synapses that gave rise to the first neuromuscular contacts through comparative analysis between vertebrates and invertebrates.