Estudio de la evolución adaptativa del receptor colinérgico nicotínico alfa9 alfa 10

Marcovich, Irina

Registro:

Documento:	Tesis Doctoral
Disciplina:	biologia
Título:	Estudio de la evolución adaptativa del receptor colinérgico nicotínico alfa9 alfa 10
Título alternativo:	Study of the adaptative evolution of the alfa9 alfa10 nicotinic cholinergic receptor subunits
Autor:	Marcovich, Irina
Editor:	Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
Filiación:	Instituto de Ingeniería Genética y Biología Molecular ''Dr. Héctor N. Torres'' (INGEBI)
Publicación en la Web:	2019-10-31
Fecha de defensa:	2019-04-03
Fecha en portada:	2019
Grado Obtenido:	Doctorado
Título Obtenido:	Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Biológicas
Director:	Elgoyhen, Ana Belén
Director Asistente:	Plazas, Paola
Consejero:	Katz, Eleonora
Jurado:	Rela, Lorena; Refojo, Damián; Faivovich, Julián
Idioma:	Español
Formato:	PDF
Handle:	http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6649_Marcovich
PDF:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n6649_Marcovich.pdf
Registro:	https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n6649_Marcovich
Ubicación:	Dep.BIO 006649
Derechos de Acceso:	Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Marcovich, Irina. (2019). Estudio de la evolución adaptativa del receptor colinérgico nicotínico alfa9 alfa 10. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6649_Marcovich

Resumen:

Los receptores nicotínicos de acetilcolina (nAChRs) son receptores ionotrópicos excitatorios pertenecientes a la superfamilia de receptores pentaméricos activados por ligando. Estos se forman a partir de cinco subunidades iguales o diferentes (homoméricos y heteroméricos, respectivamente). En vertebrados, los nAChRs se clasifican funcionalmente y según el sitio de expresión en neuronales y no neuronales. Los neuronales pueden ensamblarse a partir de al menos 9 subunidades diferentes por lo que su función puede ser regulada por la composición o estequiometría de las subunidades que se combinan para dar lugar a un receptor funcional. Las subunidades α9 y α10, que se expresan en las células ciliadas del oído interno y median la neurotransmisión en la sinapsis entre las fibras eferentes olivococleares y las células sensoriales del oído interno, constituyen un caso particular de nAChR, ya que no se co-ensamblan con otras subunidades de nAChRs, no se expresan en el sistema nervioso central y presentan una farmacología peculiar. Por ejemplo, la nicotina funciona como un antagonista de estos receptores. Respecto de la historia evolutiva, se ha determinado que, a diferencia de la mayoría de las subunidades de nAChRs neuronales que estuvieron sujetas a selección purificadora, la subunidad α10 sufrió selección positiva en el linaje de mamíferos. Más aún, se han determinado importantes diferencias en las propiedades biofísicas de los nAChRs α9α10 de rata y pollo. Dado que las subunidades α9 y α10 de los nAChRs son las únicas que se expresan en las células ciliadas de la cóclea y que no se ensamblan con otras subunidades nicotínicas, proponemos que la única fuente de adquisición de variantes funcionales adaptadas a las necesidades de las distintas especies de vertebrados ha sido la incorporación de sustituciones no sinónimas en la región codificante de la proteína. Por otro lado, dado que los nAChRs neuronales pueden ensamblarse a partir de diferentes subunidades presentes en el sistema nervioso central, la variabilidad funcional podría estar dada por la combinatoria de subunidades que se expresan en una región específica del cerebro en cada especie particular. Para poner a prueba esta hipótesis, hemos estudiado, en primer lugar, las propiedades biofísicas de los nAChRs recombinantes α9α10, α4β2 y α7 (estos dos últimos nAChRs neuronales de alta expresión en el CNS) de tres especies de vertebrados: Rattus novergicus (Mammalia), Gallus gallus (Sauropsida) y Xenopus tropicalis (Amphibia) utilizando la técnica de expresión heteróloga en oocitos seguida de fijación del voltaje con dos microelectrodos. Hemos determinado que, mientras que las propiedades biofísicas de los nAChR neuronales α4β2 y α7 no varían entre especies de vertebrados, las propiedades biofísicas de los nAChRs α9α10 difieren drásticamente entre especies. En segundo lugar, determinamos que las secuencias aminoacídicas de las subunidades que se expresan en el epitelio auditivo presentan mucha divergencia entre especies de vertebrados, mientras que las subunidades restantes presentan restricciones a los cambios en sus secuencias y estuvieron sujetas a selección purificadora. Por último, hemos estudiado en forma comparada los patrones de expresión espacial de varias subunidades neuronales en el cerebro de diferentes especies de amniotas. Los resultados demuestran que los patrones de expresión espacial de una misma subunidad neuronal son diferentes entre distintas especies, lo cual refleja divergencia de sus secuencias regulatorias. En conjunto, nuestros resultados apoyan la hipótesis de que la historia evolutiva de cada subunidad está determinada por los mecanismos con los que cuentan el oído interno y el cerebro para generar variabilidad funcional de los receptores nicotínicos.

Abstract:

Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are ionotropic excitatory members of the pentameric ligand gated ion channel superfamily. These assemble from five identical (homomeric) or different (heteromeric) subunits. In vertebrates, nAChRs can be classified according to their functional properties and expression site in neuronal and non-neuronal. Neuronal nAChRs assemble from at least 9 different subunits. Thus, functional diversity can be attained by the inclusion of alternate subunits into the pentamer or by different stoichiometries. The α9 and α10 nicotinic subunits are expressed in inner ear hair cells and assemble into the nAChRs that serve cholinergic neurotransmission at the synapse between olivocochlear efferent fibers and sensory hair cells. These subunits are atypical members of the family since they are not expressed in the brain, do not co-assemble with other nAChR subunits and possess a peculiar pharmacology (for instance, nicotine is an antagonist of the α9α10 nAChRs). It has been shown that, unlike other nAChRs subunits, the α10 subunit has undergone positive selection in the mammalian lineage. Also, important differences in the biophysical properties of rat and chick α9α10 nAChRs have been reported. Given that the α9 and α10 nAChRs subunits are the only ones expressed in inner ear hair cells and that they do not co-assemble with other nicotinic subunits, the only source of functional variations that allow the receptors to adapt to the particular requirements of different species is through non-synonymous changes in their coding region. On the other hand, since neuronal nAChRs can assemble form the wide variety of subunits available in the central nervous system, functional variability can be achieved by differences in nAChR subunits expression due to changes in the noncoding regions of the genes, rather than by positive selection. In order to test this hypothesis, we have conducted a comparative study evaluating different biophysical properties of Rattus novergicus (Mammalia), Gallus gallus (Sauropsida) and Xenopus tropicalis (Amphibia) recombinant cochlear α9α10 and neuronal α4β2 and α7 nAChRs. We report that the biophysical properties of α7 and α4β2 receptors are conserved across vertebrate species, but those of α9α10 nAChRs dramatically vary. Secondly, we have determined that the amino acid sequences of the α10 subunits have diverged significantly among vertebrate species, whereas the other subunits exhibit conservation of their primary sequences on vertebrate clades, since they were subject to purifying selection. Lastly, we have performed a comparative study of the spatial expression pattern of several neuronal nAChR subunits in different amniotes species. Results show that the expression pattern of the same neuronal subunit varies among species, which most probably resulted from lack of conservation of their regulatory sequences. Altogether, our results support the hypothesis that the evolutionary history of each subunit is strongly dependent upon the mechanisms available in the inner ear or the brain to achieve nAChRs functional diversity.

Citación:

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Marcovich, Irina. (2019). Estudio de la evolución adaptativa del receptor colinérgico nicotínico alfa9 alfa 10. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6649_Marcovich

---------- CHICAGO ----------

Marcovich, Irina. "Estudio de la evolución adaptativa del receptor colinérgico nicotínico alfa9 alfa 10". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2019.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6649_Marcovich

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