Funktionelle Bedeutung non-neuronaler nikotinerger Acetylcholinrezeptoren im Kolonepithel der Ratte
von Lena LottigDas Signalmolekül Acetylcholin (ACh) bildet gemeinsam mit den zugehörigen Syntheseenzymen, Transportern und Abbauenzymen das cholinerge System des Organismus und damit einen zentralen Regulator physiologischer Funktionen. Lange ging man davon aus, dass ACh lediglich von Neuronen synthetisiert und freigesetzt wird, also den Prototypen eines Neurotransmitters darstellt. Neue Evidenzen belegten jedoch die Expression von Bestandteilen des cholinergen Systems auch in nicht-erregbaren Zellen, wie bespielweise Immunzellen und diversen Epithelien. Interessanterweise wurden auf Zellen dieses non-neuronalen cholinergen Systems auch nikotinerge Acetylcholinrezeptoren (nAChR) nachgewiesen, von denen man lange annahm, dass sie nur auf erregbaren Zellen des Nerven- und Muskelgewebes exprimiert werden. Auch im Kolonepithel der Ratte gelang der Nachweis eines non-neuronalen cholinergen Systems, welches neben dem Signalmolekül ACh und dessen Syntheseenzymen auch Untereinheiten von nAChR einschließt. Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass die Chloridsekretion als essentielle Funktion des Kolonepithels nicht nur durch die Aktion von Acetylcholin an muskarinergen Rezeptoren (mAChR), sondern auch über epitheliale nAChR stimuliert werden kann. Ziel dieser Arbeit war, diese nAChR im Kolonepithel näher zu charakterisieren sowie ihre Funktionsweise und ihre physiologische Relevanz näher zu beleuchten.
Da der neuronale Subtyp der nAChR als Liganden-gesteuerter Ionenkanal fungiert, schien es von besonderem Interesse zu untersuchen, ob diese Funktionsweise auch für den epithelialen nAChR in Kolonozyten vorliegt. Für diese Fragestellung wurden Krypten aus dem distalen Kolon der Ratte isoliert und deren Membranpotenzial mit Hilfe einer Mikroelektrode erfasst. Unter Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen wurden zudem Änderungen der zytosolischen Konzentrationen von Na+ und Ca2+ gemessen. Während es nach Ligandenbindung (z. B. von Nikotin) am neuronalen Subtyp zu einer Öffnung des Ionenkanals mit nachfolgendem Einstrom von Kationen (meist Na+ oder Ca2+) kommt, konnte ein solches Geschehen an Kolonkrypten für den epithelialen nAChR nicht belegt werden. Vielmehr kommt es durch Stimulation der nAChR im Kolonepithel zu einer Hyperpolarisation der Membran, verbunden mit einem Abfall der Na+-Konzentration in der Zelle, der auf eine Stimulation der Na+-K+-Pumpe zurückzuführen ist. Zur Untersuchung der möglichen Signaltransduktion wurde der Pumpstrom durch die basolaterale Membran an apikal permeabilisierten Epithelien gemessen. Der Nikotin-induzierte Pumpstrom erwies sich als abhängig von der Verfügbarkeit von Ca2+ und ließ sich durch Blocker von Proteinkinase(n) C unterdrücken, was auf eine metabotrope Funktionsweise der nAChR im Kolonepithel hindeutet. Experimente mit Blockern, die selektiv bestimmte Untereinheiten von nAChR hemmen, ergaben, dass insbesondere heteromere nAChR, zusammengesetzt aus α- und β-Untereinheiten, an der Regulation der Pumpe über diesen Signalweg beteiligt sind. Dabei überwiegt im Kolonepithel der Ratte quantitativ die Expression der α7-Untereinheit, gezeigt durch RT-PCR Messungen an diesem Gewebe.
Eine weitere Fragestellung galt einer möglichen agonistischen oder auch antagonistischen Interaktion von muskarinergen und nikotinergen Rezeptoren am Kolonepithel in Bezug auf die Stimulation der Chloridsekretion. Messungen des Ionentransportes am Epithel ergaben eine Potenzierung der Signalwege muskarinerger und nikotinerger Rezeptoren, welche in einer massiven Chloridsekretion mündet, wenn beide Rezeptortypen simultan stimuliert werden. Mögliche physiologische Funktionen der nAChR im Kolonepithel leiten sich damit aus einer Verstärkung der cholinergen Signale am Epithel ab.
Die Ergebnisse dieser Arbeit erscheinen insofern bedeutsam, als dass sie ein völlig neues Funktionsprinzip für diesen erst kürzlich im Kolonepithel entdeckten Rezeptortyp belegen, das entschieden von der aus erregbaren Geweben bekannten Funktionsweise der nAChR abweicht. Zudem steht das gesamte non-neuronale cholinerge System, einschließlich der nAChR auf nicht-erregbaren Zellen, in Verdacht, neben der Regulation physiologischer Prozesse auch an der Pathogenese diverser Erkrankungen beteiligt zu sein. So werden dem cholinergen System im Kolon, wie auch in anderen Geweben, proliferative Effekte zugeschrieben, die über den nAChR vermittelt werden und u. a. bei der Entstehung von Kolonkarzinomen eine Rolle spielen. Diese Arbeit liefert Ansätze für das Verständnis der physiologischen Bedeutung der nAChR im Kolonepithel und bildet damit auch die Basis für mögliche therapeutische Aspekte in Bezug auf die steigende Bedeutung dieser Rezeptoren.
Da der neuronale Subtyp der nAChR als Liganden-gesteuerter Ionenkanal fungiert, schien es von besonderem Interesse zu untersuchen, ob diese Funktionsweise auch für den epithelialen nAChR in Kolonozyten vorliegt. Für diese Fragestellung wurden Krypten aus dem distalen Kolon der Ratte isoliert und deren Membranpotenzial mit Hilfe einer Mikroelektrode erfasst. Unter Verwendung von Fluoreszenzfarbstoffen wurden zudem Änderungen der zytosolischen Konzentrationen von Na+ und Ca2+ gemessen. Während es nach Ligandenbindung (z. B. von Nikotin) am neuronalen Subtyp zu einer Öffnung des Ionenkanals mit nachfolgendem Einstrom von Kationen (meist Na+ oder Ca2+) kommt, konnte ein solches Geschehen an Kolonkrypten für den epithelialen nAChR nicht belegt werden. Vielmehr kommt es durch Stimulation der nAChR im Kolonepithel zu einer Hyperpolarisation der Membran, verbunden mit einem Abfall der Na+-Konzentration in der Zelle, der auf eine Stimulation der Na+-K+-Pumpe zurückzuführen ist. Zur Untersuchung der möglichen Signaltransduktion wurde der Pumpstrom durch die basolaterale Membran an apikal permeabilisierten Epithelien gemessen. Der Nikotin-induzierte Pumpstrom erwies sich als abhängig von der Verfügbarkeit von Ca2+ und ließ sich durch Blocker von Proteinkinase(n) C unterdrücken, was auf eine metabotrope Funktionsweise der nAChR im Kolonepithel hindeutet. Experimente mit Blockern, die selektiv bestimmte Untereinheiten von nAChR hemmen, ergaben, dass insbesondere heteromere nAChR, zusammengesetzt aus α- und β-Untereinheiten, an der Regulation der Pumpe über diesen Signalweg beteiligt sind. Dabei überwiegt im Kolonepithel der Ratte quantitativ die Expression der α7-Untereinheit, gezeigt durch RT-PCR Messungen an diesem Gewebe.
Eine weitere Fragestellung galt einer möglichen agonistischen oder auch antagonistischen Interaktion von muskarinergen und nikotinergen Rezeptoren am Kolonepithel in Bezug auf die Stimulation der Chloridsekretion. Messungen des Ionentransportes am Epithel ergaben eine Potenzierung der Signalwege muskarinerger und nikotinerger Rezeptoren, welche in einer massiven Chloridsekretion mündet, wenn beide Rezeptortypen simultan stimuliert werden. Mögliche physiologische Funktionen der nAChR im Kolonepithel leiten sich damit aus einer Verstärkung der cholinergen Signale am Epithel ab.
Die Ergebnisse dieser Arbeit erscheinen insofern bedeutsam, als dass sie ein völlig neues Funktionsprinzip für diesen erst kürzlich im Kolonepithel entdeckten Rezeptortyp belegen, das entschieden von der aus erregbaren Geweben bekannten Funktionsweise der nAChR abweicht. Zudem steht das gesamte non-neuronale cholinerge System, einschließlich der nAChR auf nicht-erregbaren Zellen, in Verdacht, neben der Regulation physiologischer Prozesse auch an der Pathogenese diverser Erkrankungen beteiligt zu sein. So werden dem cholinergen System im Kolon, wie auch in anderen Geweben, proliferative Effekte zugeschrieben, die über den nAChR vermittelt werden und u. a. bei der Entstehung von Kolonkarzinomen eine Rolle spielen. Diese Arbeit liefert Ansätze für das Verständnis der physiologischen Bedeutung der nAChR im Kolonepithel und bildet damit auch die Basis für mögliche therapeutische Aspekte in Bezug auf die steigende Bedeutung dieser Rezeptoren.