SNPs in in Acetylcholine Receptoren bij CVS

Onderstaand artikel is een vervolg op ‘SNPs in TRP ion-kanalen bij CVS’.

De acetylcholine-receptor (AChR) is een membraan-proteïne dat als een receptor werkt. De neurotransmitter acetylcholine is de belangrijkste stof die er op bindt en voor fysiologische responsen zorgt. Er zijn 2 types acetylcholine-receptoren (op basis van hun affiniteit en gevoeligheid voor andere molekulen): de nicotinerge acetylcholine-receptor (nAChR) en de muscarine acetylcholine-receptor (mAChR). De eerste (ook bekend als ‘ionotrope’ acetylcholine-receptoren) zijn responsief op nicotine en werken als ion-kanalen (wijzigen de doorlaatbaarheid van de cel). De tweede (ook bekend als ‘metabotrope’ acetylcholine-receptoren – ze werken via een ‘tweede boodschapper’ om signalen naar de cel te geven) zijn responsief op muscarine.

We schreven hier al over een suggestie van cholinergische anti-inflammatoire signalisering (zie ‘Het Cholinergisch Anti-inflammatoir Mechanisme’). Dr Vance Spence en zijn collega’s aan de Dundee University maakten ook al gewag van “verhoogde cholinergische aktiviteit in de perifere micro-circulatie aan bij patiënten met CVS” en “cerebrale hypo-perfusie gelinkt met abnormaliteiten in het cholinergisch metabolisme” (zie ‘Bloed-circulatie abnormaal bij mensen met CVS’). De research-groep van Stefania Fulle (Universiteit van Chieti in Italië) vond ook dat het belangrijk was dat “de expressie van een gen coderend voor een component van de nicotine-cholinergische receptor-bindingsplaats verminderd” bleek (zie ‘Transcriptie-profiel van spieren bij CVS’).

Hier wordt nu een mogelijke kadering voor aangereikt…

 

————————-

Immunology and Immunogenetics Insights 2015: 7

Examination of Single Nucleotide Polymorphisms in Acetylcholine Receptors in Chronic Fatigue Syndrome Patients

Sonya Marshall-Gradisnik (1,2), Peter Smith (2), Bernd Nilius (3) & Donald R. Staines (2)

1 School of Medical Science, Griffith University, Gold Coast, Australia

2 The National Centre for Neuroimmunology and Emerging Diseases, Menzies Health Institute, Griffith University, Gold Coast, Australia

3 Department of Cellular and Molecular Medicine, Laboratory of Ion Channel Research, KU Leuven, Belgium

SAMENVATTING

DOELSTELLING: Chronische Vermoeidheid Syndroom/ Myalgische Encefalomyelitis (CVS/ME) is een aandoening gekenmerkt door uitputtende vermoeidheid vergezeld van pijn en stoornissen van het geheugen, de cognitie en concentratie. Acetylcholine (ACh) heeft een groot aantal rollen bij neuronale en neuromusculaire transmissie. Er zijn 2 types Ach-receptoren, muscarine and nicotinerge, bestaande uit 17 verschillende subunits van de nicotinerge Ach-receptor (nAChR) en 5 verschillende subtypes van de muscarine receptor (mAChR) die bij mensen werden geïdentificeerd. Het doel van deze studie was om de rol van ACh receptor (nAChRs and mAChRs) ‘single’ nucleotide polymorfismen (SNPs) bij CVS/ME-patiënten te bepalen.

METHODES: 115 CVS/ME-patiënten (leeftijd = 48,68 ± 1,06 jaar) en 90 niet-vermoeide controles (leeftijd = 46,48 ± 1,22 jaar) nemen deel aan deze studie, waar de CVS/ME-patiënten werden gedefinieerd volgens de 1994 CDC criteria. Er werd een totaal aantal van 464 SNPs in 9 Ach-receptor genen (M1, M2, M3, M4, M5, alfa- 2, 5, 7 & 10) onderzocht.

RESULTATEN: 17 SNPs waren significant geassocieerd met CVS/ME-patiënten vergeleken met de controles. 9 van deze SNPs waren geassocieerd met mAChRM3 […], terwijl de rest the geassocieerd waren met nAChR alfa-10 […], alfa-5 […] en alfa-2 […].

BESLUIT: De gegevens van deze piloot-studie suggereren een verband tussen Ach-receptoren (voornamelijk M3) en CVS. Ach-receptor SNPs zouden kunnen bijdragen tot het pathomechanisme van CVS/ME.

Inleiding

De fysiologische funkties van acetylcholine (ACh) worden gemedieerd door 2 membraan-proteïnen: de muscarine (mAChR) en nicotinerge (nAChR) receptoren. Beide receptor-types hebben meerdere subtypes en zijn gelokaliseerd in het centraal en perifeer zenuwstelsel, inclusief het autonoom zenuwstelsel. ACh heeft ook een funktie in gladde spieren, zweetklieren, pancreatische β-cellen, gliale cellen, lymfocyten, cellen van de oog-lens, hersenen, het vasculair endotheel en het centraal zenuwstelsel (CZS). De afbraak van ACh in choline en acetaat wordt gekatalyseerd door het enzyme acetylcholinesterase (AChE).

Er zijn 5 mAChR subtypes: M1, M2, M3, M4 & M5, waarbij M2 & M4 inhiberende receptoren zijn, en M1, M2 & M3 stimulerende receptoren. Eens ze geaktiveerd zijn, heeft elk subtype kenmerkende funkties. Aktivatie van M1, M3 & M5 receptoren resulteert in verhoogde intracellulair calcium signalisering. In tegenstelling daarmee inhiberen geaktiveerde M2 & M4 receptoren adenylaat-cyclase [ACs; enzymen van belang bij het energie-metabolisme] aktiviteit en mediëren de werking van niet-seleltieve kation-kanalen, ‘transient receptor potential’ [TRP; zie ‘SNPs in TRP ion-kanalen bij CVS’] kanalen en kalium-kanalen.

nAChRs zijn snelle ionotrope nicotinerge receptor kanalen die de influx van kationen zoals kalium-, calcium- en natrium-ionen in de cel toelaten. Naar gelangd de combinatie van verschillende subunits, kunnen AChRs heteromeren of homomeren vormen [combinatie van verschillende of identieke subunits].

Chronische Vermoeidheid Syndroom/ Myalgische Encefalomyelitis (CVS/ME) is een aandoening die wordt gekenmerkt door uitputtende vermoeidheid gepaard met stoornissen qua geheugen, cognitie en concentratie, alsook pijn en ontregeling van de gastro-intestinale, cardiovasculaire en immuun-systemen. [Lees o.a. onze meldingen over het werk van Ekua Brenu, Don Staines & Sonya Marshall-Gradisnik op deze pagina’s]

Belangrijk: er werd opgemerkt dat de perifere cholinerge werking abnormaal is bij CVS/ME-patiënten die worden blootgesteld aan Ach, waarbij het langer duurt voor bloeddoorstroming-pieken naar normale waarden terugkeren. Er werd ook verhoogde gevoeligheid voor ACh in het perifeer vasculair endotheel gemeld. [Khan F, Kennedy G, Spence VA, Newton DJ, Belch JJ. Peripheral cholinergic function in humans with Chronic Fatigue Syndrome, Gulf War syndrome and with illness following organophosphate exposure. Clin Sci (2004) 106: 183-189 /// Spence VA, Khan F, Kennedy G, Abbot NC, Belch JJ. Acetylcholine mediated vasodilatation in the microcirculation of patients with Chronic Fatigue Syndrome. Prostaglandins Leukot Essent Fatty Acids (2004) 70: 403-407; zie ook ‘Bloed-circulatie abnormaal bij mensen met CVS’] ACh beïvloedt de funktie van immuun-cellen en wordt aangemaakt en gesecreteerd door een brede waaier immuun-cellen, inclusief lymfocyten. Wij hebben, samen met anderen, gerapporteerd over veranderingen in immuun-cel fenotype en funktie, alsook cardiale en neurologische effekten bij de ziekte aangestipt. Daarnaast hebben we gerapporteerd over ‘single’ nucleotide polymorfismen (SNPs) in ‘transient receptor potential’ (TRP) ion-kanalen bij CVS/ME-patiënten. [zie ‘SNPs in TRP ion-kanalen bij CVS’] SNPs komen voor in de coderende sequenties, niet-coderende gebieden of inter-genitische regionen, waarbij deze SNPs – afhankelijk van hun locatie en de invloed van bijkomende ‘splicing’-mechanismen [Splicing: tijdens het verwerken van RNA (na de transcriptie van DNA) worden de niet-coderende stukken (intronen) uit het pre-mRNA geknipt en de exonen van het pre-mRNA aan elkaar geplakt.] – kunnen leiden tot ziekte. Gezien deze rapporten, en de rol van TRPs en AChRs bij cellulaire funkties, was het doel van de huidige studie om SNPs in AChRs te onderzoeken bij dezelfde groep CVS/ME-patiënten waarbij we eerder TRP SNP-anomalieën hadden gerapporteerd.

Methodologie

Individuen. […] 1994 CDC criteria voor CVS. 115 CVS/ME-patiënten en 90 niet-vermoeide controles. […]

DNA-extractie. […]

SNP-genotypering studies. […]. Er werden aangepaste testen ontwikkeld voor 464 SNPs over 9 (zoogdier) acetylcholine receptor genen (M1, M2, M3, M4, M5 alfa 2, 5, 7 & 10) […].

Statistische analyse. […] significantie P-waarde 0.05.

Resultaten

Deelnemers. Er werd een totaal van 115 CVS/ME-patiënten (leeftijd = 48,68 ± 1,06 jaar) – 84 (73,04%) vrouwen en 31 (26,96%) mannen – gerecruteerd. De 90 niet-vermoeide controles (leeftijd = 46,48 ± 1,22 jaar) omvatten 59 (65,56%) vrouwen en 31 (34,44%) mannen. Alle deelnemers waren van Europese afkomst. Alle deelnemers waren tussen 25 en 65 jaar, en sommigen werden uitgesloten op basis van symptomen en antwoorden op vragenlijsten (medicatie, co-morbide chronische ziekte, psychose of epilepsie, zwangerschap/borstvoeding, roken). […]

SNP-associatie studies. Van de 464 SNPs onderzocht in deze studie, werden er 393 succesvol geïdentificeerd bij beide deelnemende groepen. Van de 393 bleken er 17 significant geassocieerd met CVS. 9 van deze SNPs waren geassocieerd met mAChRM3 […], terwijl de rest geassocieerd was met nAChR alfa-10 […], alfa-5 ([…] en alfa-2 […].

Bespreking

Deze piloot-studie onthulde een aantal AChR SNP-variaties bij CVS/ME-patiënten. Specifiek: binnen de coderende sequenties van 9 AChR-genen (op 464 onderzochte SNPs), werden 17 allelen gevonden die significant geassocieerd zijn met CVS/ME vergeleken met niet-vermoeide controles. Bovendien waren deze allelen gelegen in de gen-sequentie van één van de muscarine acetylcholine receptoren (mAChRM3) en 3 nicotinerge acetylcholine alfa receptoren (nAChRa2, nAChRa5 & nAChRa10). Interessant was dat we, in onze eerdere studie, een aantal SNPs identificeerden in de TRP-familie, nl. TRPM3. Het belang van SNPs in mAChRM3 en TRPM3 is dat de laatste met mAChRM3 koppelt en geaktiveerd kan worden door ACh.

Er is weinig informatie beschikbaar over de rol van deze AChR SNPs. Gewijzigde ‘splicing’ in de niet-coderende sequenties zou echter een significante, onverwachte uitkomst van het ‘splicing’-mechanisme van de gen-transcripten kunnen hebben. ‘Splicen’ van genetische varianten die intron-varianten zijn, speelt een rol bij gewijzigde ‘splicing’-mechanismen, resulterend in diverse proteïne-isoformen [verschillende vormen van één proteïne]. […] Belangrijk is dat een aantal intron-varianten in de SNPs geassocieerd was met de werking van gladde spieren en de ademhaling […], neurocognitieve funktie […], neuropathische pijn […] en maag-funktie […]. Daarnaast rapporteren we hier het SNP rs6669810, verantwoordelijk voor het gen ART1, een ADP-ribosyltransferase dat de ADP-ribosylering [De biologische funktie van ADP-ribosylering is gerelateerd met DNA-herstel, apoptose en ziekte-respons. Een hypothese stelt dat oxidanten en vrije radikalen het DNA beschadigen, oxidatieve stress zou via het ADP-ribosylering mechanisme DNA-herstel kunnen initiëren.] van arginine-residuen in proteïnen katalyseert, bij CVS/ME-patiënten. Mono-ADP-ribosylering is een post-translationele modificatie [verandering in de eiwitten na de vertaling vanuit RNA] van proteïnen aangetast door een waaier aan bakteriële toxinen, inclusief cholera, kinkhoest en hitte-labiele enterotoxinen van Escherichia coli. Interessant is dat researchers melding hebben gemaakt van verhoogde virale ladingen, met ademhaling geassocieerde ziekten, neurocognitieve veranderingen en neuropathische pijn bij CVS/ME-patiënten. [Meeus M, Nijs J. Central sensitization: a biopsychosocial explanation for chronic widespread pain in patients with fibromyalgia and Chronic Fatigue Syndrome. Clin Rheumatol (2007) 26: 465-473 /// Ocon AJ, Messer ZR, Medow MS, Stewart JM. Increasing orthostatic stress impairs neurocognitive functioning in Chronic Fatigue Syndrome with postural tachycardia syndrome. Clin Sci (2012) 122: 227-238; zie ‘Neurocognitie & cerebrale bloeddoorstroming bij CVS+POTS’ /// Smith AP, Thomas M, Borysiewicz L, Llewelyn M. Chronic Fatigue Syndrome and susceptibility to upper respiratory tract illness. Br J Health Psychol (2010) 4: 327-335]

Er werden SNPs gevonden in mAChR receptoren die verantwoordelijk zijn voor het initiëren van de samentrekking van gladde spieren, zoals in het gastro-intestinaal en genito-urinair kanaal, alsook voor effekten in immuun-cellen, epitheliale, ovariële en ooglens-cellen, en klieren. Daarnaast werden ook nAChRs gerapporteerd op T- en B-lymfocyten. Menselijke T-lymfocyten brengen de α3, α4, α7, ß2 & ß4 receptor-subunits tot expressie, terwijl bij muis en mens thymus mAChR expressie een rol bleek te spelen bij T-lymfocyten ontwikkeling en proliferatie. Er werden ook α4 of α7 subunits gerapporteerd op B-lymfocyten en die bleken proliferatie te stimuleren en antilichaam-produktie te doen dalen. Dergelijke bevindingen bieden mogelijks inzicht betreffende de hier gevonden SNPs, want eerdere onderzoeken hebben melding gemaakt van gecompromitteerde immuun-funktie bij CVS/ME. Belangrijk: veranderingen qua aantallen en werking van lymfocyten, zoals ‘natural killer’ (NK) lymfocyten en T- & B-lymfocyten, suggereren een verhoogde influx van Ca²⁺.

De mAChRM3 receptoren bevinden zich in het maag-darm-kanaal en worden ten dele gecontroleerd door het parasympathisch zenuwstelsel via de nervus vagus. Bovendien tonen klinische gegevens dat nAChRs betrokken zijn bij inflammatoire darm-ziekte. CVS/ME-patiënten vertonen dikwijls gastro-intestinale klachten, zoals prikkelbare darm syndroom en constipatie.

Ontregeling van mAChRM3 receptoren kan metabole en cardiale responsen beïnvloeden. In een normale alvleesklier spelen mAChRM3 receptoren een rol bij het reguleren van de insuline- en glucagon-secretie. Er werd gerapporteerd dat muscarine ACh receptoren tot expressie gebracht door pancreatische ß-cellen een significante rol spelen bij het handhaven van gepaste insuline-afgifte en glucose-homeostase. Veranderingen in Ca²⁺-gemedieerde kanalen kan resulteren in nadelige uitkomsten qua glucose-metabolisme bij CVS/ME-patiënten. Pancreatische ß-cellen zijn afhankelijk van kortstondige veranderingen in Ca²⁺ om de complexe sequentie gebeurtenissen te initiëren die resulteert in insuline-afgifte na blootstelling aan glucose. Zodoende kan worden geargumenteerd dat afwijkende intracellulaire Ca²⁺-concentraties omwille van de plooibare AChR-aktiviteit, de gebruikelijke en noodzakelijke opéénvolgende gebeurtenissen die vereist zijn om de insuline-respons op glucose te initiëren, zal verhinderen bij CVS/ME-patiënten.

Cardiale mAChRM3 receptoren hebben een ganse reeks pathologische en fysiologische funkties. mAChM2 is niet de enige muscarine receptor betrokken bij de werking van het hart. De mAChRM3 parasympathische controle van de cardiale funktie is goed gekend. […] Er zijn bevindingen die impliceren dat gebruik van een muscarine receptor agonist [stof die de mAChR aktiveert] een effekt kan hebben op de werking van de sino-atriale (SA) knoop [belangrijkste pacemaker van het hart; een groep cellen in de wand van de rechter-boezem die het hart er periodiek toe aanzet om een contractie uit te voeren], waarbij verstoringen van de gepaste cardio-regulerende mechanismen verergert, in het bijzonder in een omgeving waar intracellulaire Ca²⁺-concentraties waarschijnlijk gewijzigd zijn door de directe effekten van receptor-aktiviteit. Er zouden klinische gevolgen zoals gewijzigde orthostatische cardiovasculaire responsen voorspeld kunnen worden en dit kan overéénkomen met de symptomen van CVS/ME.

In het vasculair systeem, bevat het endotheel nAChRs, inclusief α3, α5, α7, α10, ß2, ß3 & ß4. Afhankelijk van het type gladde-spier, is een specifiek subtype nAChR aanwezig: α3 en α5 worden gevonden in arterieën, terwijl α7 wijdverspreid is (hoewel niet aanwezig in de bloedcirculatie van de nieren). nAChR α5, α7, ß2 & ß3 werden gevonden in endotheliale cellen van de hersenen en zijn een belangrijke component van de bloed-hersen-barrière. Deze studie identificeerde SNPs in de α5 en α3 nAChR subunits, wat anomalieën van de signaal-transductie in onze patiënten-groep impliceert. Er werd gerapporteerd dat nAChRs betrokken zijn bij waken, slaap en vermoeidheid, alsook die funkties die verantwoordelijk zijn voor het verwerken van pijn, geheugen en cognitie.

Besluit

We rapporteren voor de eerste keer over de aanwezigheid van SNPs in receptoren voor ACh bij patiënten met CVS/ME. Er zijn vele schadelijke gevolgen voor de fysiologische homeostase mogelijk door de afwijkende werking AChR bij deze patiënten. Deze scenario’s vergen verder onderzoek om vast te stellen of de in deze studie geïdentificeerde AChR SNPs resulteren in een gewijzigde funktie en geassocieerd zouden kunnen zijn met de pathomechanismen en symptomatologie van CVS/ME.