Development of fully functional, species-specific nicotinic acetylcholine receptor models from arthropods

Elektriske signaler overføres fra celle til celle ved hjelp av signalstoffer som frisettes fra den ene cellen og aktiverer spesielle reseptorer i den neste cellen. Et svært viktig signalstoff er acetylcholin og reseptorene kalles acetylcholinreseptorer. Det finnes flere varianter av disse, den varianten som overfører signaler mellom nerveceller eller mellom nerve- og muskelceller kalles for nikotinerge acetylcholinreseptorer fordi de også aktiveres av nikotin. Denne reseptoren er satt sammen av fem ulike proteiner. En av de mest brukte gruppene insektsmidler i verden, neonikotinoidene, aktiverer disse reseptorene på samme måte som nikotin, men med lengre virkningstid. Denne gruppen insektmidler er kommet i et sterkt, negativt søkelys fordi de kan ha uønskede effekter på nyttige insekter, f.eks. bier. De er både direkte giftige, men kan i lavere doser ha andre uønskede effekter, så som at biene mister orienteringsevnen. Det har vært vanskelig å studere disse effektene på reseptornivå fordi ingen tidligere har klart å uttrykke en komplett reseptor fra insekter og andre leddyr i et eksperimentelt modellsystem. Vår gruppe klarte imidlertid dette fra en viktig parasitt på fisk, lakselus, ved å klone de nødvendige genene inn i froskeegg, og vi kunne deretter gjøre nøyaktige målinger av effekten neonikotinoider har på denne reseptoren fra lakselus. Det var nødvendig å samtidig få uttrykket tre hjelpeproteiner for at reseptoren skulle fungere. I dette prosjektet vil det bygges videre på disse resultatene. Selv om denne reseptortypen har betydelige likhetstrekk mellom ulike leddyr, er de ikke identiske. Derfor må reseptoren uttrykkes for hver art man vil studere. Målsettingen er å gjøre dette for to insekter (bier og moskitomygg), samt spinnmidd og skogflått. I prosjektet vil også den nøyaktige romlige plassering av de fem separate underenhetene som reseptoren er satt sammen av bli bestemt.

Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) mediate chemical neurotransmission in the nervous system and at neuromuscular junctions in vertebrates. The natural transmitter is acetylcholine, but they are also the direct targets for neonicotinoids, some of the worlds largest selling insecticides. These chemicals are widely used against ectoparasites, arthropod vectors and agricultural pests. There are significant concerns regarding adverse effects of neonicotinoids on beneficial insects, and some neonicotinoids are now banned for out-door use in many countries. In-depth studies on the function of these receptors in arthropods are surprisingly scarce. Until 2020, no research groups had managed to express functional nAChRs in an ex-vivo system, using genes coding for both a- and ß-subunits from the target arthropod species. Co-expression of nAChR a-subunits from insects and ß-subunits from vertebrates (mainly chicken) had been the only feasible way of obtaining functional receptors with both subunit types in Xenopus laevis oocytes. In 2020, two groups independently overcame this hurdle, one being the applicant here. We managed to express two nAChRs from the marine arthropod Lepeophtheirus salmonis into Xenopus laevis oocytes using genes from this species only. In this project, these results will be used to attempt cloning of nAChRs from other arthropods like bees, mites, ticks, and mosquitos and test their sensitivity towards natural transmitters, antiparasitic agents, pesticides and other compounds. Thus, the present project aims to lead to a greatly improved way of obtaining nAChRs from arthropods, with a switch from arthropod-vertebrate chimeric nAChRs to arthropod-specific native nAChRs. These nAChRs will further serve as tools for fundamental research on the function of the arthropod nervous system and serve as elegant models to determine the effect of various existing and novel compounds on these receptors from parasites, pests, and non-target organisms.