Protons Act as a Transmitter for Muscle Contraction in C. elegans

Beg A. A., Ernstrom G. G., Nix P., Davis M. W. and Jorgensen E. M.

 2008. Cell 132, 149-160

Speaker: Yute Chang (張有德)                    Time: 15:00-16:00; Feb 20, 2008

Commentator: Dr. Meng-Ru Shen (沈孟儒老師)     Place: Room 601

Abstract:

        秀麗隱桿線蟲 (Caenorhabditis elegans, C. elegans) 是遺傳學研究上的一種模式生物，其構造的單純性和方便操作的特性是最大的優點¹。並且由於C. elegans已知的基因約有三分之一在哺乳動物身上可以對應到相類似的基因，對於C. elegans 基因有更多了解可以幫助我們研究高等動物的基因功能。C. elegans的排便循環 (defecation cycle) 是很適合做為探討基因功能的一個model，因為其重現時間短 (約50-60秒一次) 而且受功能專一的基因調控。這個循環由三個動作構成：身體後段肌肉的收縮、身體前段肌肉的收縮和腸道肌肉的收縮，最終將排泄物釋出。過去的研究發現，由腸道細胞所啟動的鈣離子波 (calcium wave) 總是發生在後段肌肉收縮之前，因此可能調控著後段肌肉的收縮。然而腸道和身體後段肌肉間是一個空腔而不是連續的肌肉細胞，同時也有文獻指出破壞C. elegans的神經元或是神經訊息傳遞系統有缺陷的C. elegans都有正常的後段肌肉收縮，代表從腸道細胞引發的鈣離子波是透過和鈣離子波有關的非神傳導機制來引起後段肌肉收縮。從後段肌肉收縮有缺陷的C. elegans中作者篩選出兩個基因－pbo-4和pbo-5，pbo-4是一個783個胺基酸組成的蛋白，和第一型人類鈉氫離子交換蛋白 (Na⁺/H⁺ exchangers I, NHE1) 的胺基酸序列有26%的一致性。藉由在PBO-4的第一個N端環 (N-terminal loop) 接上一個對pH值敏感的superecliptic pHluorin GFP (螢光會在酸性環境下消失)並表現在pbo-4突變的C. elegans中。藉由觀察螢光的位置作者發現pHluorin::PBO-4這個轉殖基因 被表現在腸道的基底側邊，與後段肌肉並排，而且原先異常的後段肌肉收縮也回復正常。同時作者觀察到這些基因轉殖C. elegans在後段肌肉收縮前，PBO-4會運送質子到腸道與肌肉間的空腔，使空腔的環境在肌肉收縮前變酸。此外，PBO-5蛋白則是被表現在後段肌肉細胞。儘管PBO-5蛋白具有cys-loop ligand-gated ion channel subunit的一些特徵，但目前已知的神經傳導物質都沒辦法活化注射入PBO-5的非洲爪蟾卵母細胞，然而單獨質子本身卻可以。總結來說這篇文章提出了一套理論來解釋C. elegans排便循環中後段肌肉收縮的分子機制：由PBO-4這個假想的鈉氫離子交換蛋白釋出的質子作為訊息傳遞分子來活化由PBO-5等等的次單元所組成的PBO受體，使訊息能從腸道跨越空腔傳遞到後段肌肉。

Reference:

1. Jorgensen E. M. and Mango S. E. 2002. The Art and Design of Genetic Screens: Caenorhabditis elegans. Nat. Rev. Gen. 3. 356-369.