刺胞動物と双子動物の共通祖先における神経細胞と非神経細胞の役割の特徴を明らかにした

Characterization of nAChRs in supports neuronal and non-neuronal roles in the cnidarian-bilaterian common ancestor.

• Dylan Z Faltine-Gonzalez
• Michael J Layden

抄録

背景:

ニコチン性アセチルコリン受容体とムスカリン性アセチルコリン受容体は、刺胞動物と双生動物の共通祖先で進化した可能性が高い。両性動物の化学的シナプスでの役割は、両性動物で最もよく知られているが、両性動物の中では非神経性シグナル伝達受容体としての役割も記述されている。ニコチン受容体とムスカリン受容体のいずれかの機能がいつ進化したのかは不明である。刺胞動物を対象としたこれまでの研究では、アセチルコリンの神経細胞的役割は刺胞動物と双生動物の分岐以前に存在していたことが示唆されているが、潜在的な非神経細胞的機能については言及されていなかった。そこで、ニコチン性アセチルコリン受容体の神経機能と非神経機能の起源を明らかにするために、刺胞動物のアセチルコリン受容体の系統的な位置を調べ、ニコチン性受容体の時空間的な発現パターンを特徴づけ、他の刺胞動物における先行研究と薬理学的研究を比較した。

Background: Nicotinic and muscarinic acetylcholine receptors likely evolved in the cnidarian-bilaterian common ancestor. Both receptor families are best known for their role at chemical synapses in bilaterian animals, but they also have described roles as non-neuronal signaling receptors within the bilaterians. It is not clear when either of the functions for nicotinic or muscarinic receptors evolved. Previous studies in cnidarians suggest that acetylcholine's neuronal role existed prior to the cnidarian-bilaterian divergence, but did not address potential non-neuronal functions. To determine the origins of neuronal and non-neuronal functions of nicotinic acetylcholine receptors, we investigated the phylogenetic position of cnidarian acetylcholine receptors, characterized the spatiotemporal expression patterns of nicotinic receptors in , and compared pharmacological studies in to the previous work in other cnidarians.

結果:

他の刺胞動物で報告されている活性と同様に、アセチルコリンを投与すると、刺胞イソギンチャクの触筋収縮が誘発された。 系統解析から、ゲノムには26個のニコチン受容体（nAChR）と無ムスカリン受容体（mAChR）がコードされており、nAChRは刺胞動物と双生動物の系統で独立して放射されていることが示唆されている。nAChRアゴニストであるニコチンはアセチルコリンと同様の触手収縮を誘導し、nAChRアンタゴニストであるメカミラミンはアセチルコリンとニコチンの両方で誘導される触手収縮を抑制した。このことから、触手の収縮は実際にはnAChRによって媒介されていることが示唆された。ニコチンは橈骨筋の収縮も誘発した。橈骨筋は体幹の口腔-卵殻軸に沿って伝播する蠕動波の一部として収縮する。橈骨筋の収縮および蠕動波は、メカミラミンによって抑制された。ニコチンがアセチルコリン反応を模倣する能力と、アセチルコリンとニコチン誘発性収縮を抑制するメカミラミンの能力は、刺胞動物におけるアセチルコリンのニューロン機能を支持するものである。発達中および若年性ポリープにおけるnAChR（）の時空間的な発現を調べたところ、ニューロン、筋肉、生殖腺、および発達のパターニングにおける役割と一致することが知られている大領域で発現していることが確認された。これらのパターンは、nAChRが神経細胞と非神経細胞の両方の能力で

Results: Consistent with described activity in other cnidarians, treatment with acetylcholine-induced tentacular contractions in the cnidarian sea anemone Phylogenetic analysis suggests that the genome encodes 26 nicotinic (nAChRs) and no muscarinic (mAChRs) acetylcholine receptors and that nAChRs independently radiated in cnidarian and bilaterian linages. The namesake nAChR agonist, nicotine, induced tentacular contractions similar to those observed with acetylcholine, and the nAChR antagonist mecamylamine suppressed tentacular contractions induced by both acetylcholine and nicotine. This indicated that tentacle contractions are in fact mediated by nAChRs. Nicotine also induced the contraction of radial muscles, which contract as part of the peristaltic waves that propagate along the oral-aboral axis of the trunk. Radial contractions and peristaltic waves were suppressed by mecamylamine. The ability of nicotine to mimic acetylcholine responses, and of mecamylamine to suppress acetylcholine and nicotine-induced contractions, supports a neuronal function for acetylcholine in cnidarians. Examination of the spatiotemporal expression of nAChRs () during development and in juvenile polyps identified that are expressed in neurons, muscles, gonads, and large domains known to be consistent with a role in developmental patterning. These patterns are consistent with nAChRs functioning in both a neuronal and non-neuronal capacity in

結論:

このことから、触手の収縮を制御するためにnAChR受容体が化学的シナプスで機能していることが示唆された。アセチルコリンに対する同様の反応は刺胞動物でもよく報告されており、神経機能はnAChRの先祖代々の役割を表していることが示唆された。nAChR の発現パターンは、刺胞動物におけるアセチルコリンのニューロン的役割と非ニューロン的役割の両方と一致している。これらの結果から、先祖代々のnAChRの神経機能と非神経機能の両方が刺胞動物と両生類の共通祖先に存在していたことが示唆された。このように、両生類で報告されている両方の役割は、おそらくnAChRの進化の基底またはその近くで生じたものであると考えられる。

Conclusion: Our data suggest that nAChR receptors functioned at chemical synapses in to regulate tentacle contraction. Similar responses to acetylcholine are well documented in cnidarians, suggesting that the neuronal function represents an ancestral role for nAChRs. Expression patterns of nAChRs are consistent with both neuronal and non-neuronal roles for acetylcholine in cnidarians. Together, these observations suggest that both neuronal and non-neuronal functions for the ancestral nAChRs were present in the cnidarian-bilaterian common ancestor. Thus, both roles described in bilaterian species likely arose at or near the base of nAChR evolution.

© The Author(s) 2019.