Nicotinic receptors of parasitic insects: biochemical and pharmacological studies

Abstract

Nicotinic acetylcholine receptors (nAChRs) are ligand-controlled cation channels, which act in fast neurotransmission at cholinergic synapses in vertebrates and invertebrates. They are the binding sites for nicotinoid drugs, such as nicotine and epibatidine. Insect nicotinic acetylcholine receptors are targets of several insecticide classes, such as the neonicotinoids, spinosyns and nereis toxins. This study is the first report about the gene identification of the a1 and a2 subunits (Lca1 and Lca2) from the sheep blowfly Lucilia cuprina as well as the full length cDNA cloning of these two subunits, and of the three Ctenocephalides felis (cat flea) nAChR a subunit genes Cfa1, Cfa2, and Cfa3 previously not available as full length versions. Expression of these subunits in Xenopus laevis oocytes as hybrid receptors with the Gallus gallus (chicken) b2 nAChR (Ggb2) subunit resulted in functional acetylcholine-responsive ion channels, as judged from our voltage clamp experiments. Cfa2/Ggb2 and Lca2/Ggb2 proved to be insensitive to a-bungarotoxin, while acetylcholine-induced currents of the Cfa1/Ggb2 and Lca1/Ggb2 combinations were completely blocked by this snake toxin. These characteristics of a-bungarotoxin sensitivity have been considered hallmarks of the a1 and a2 gene families and are confirmed here for two additional examples. The pharmacological profiles of Cfa1/Ggb2, Cfa2/Ggb2 and the chicken neuronal receptor Gga4/Ggb2 for acetylcholine, two nicotinoids and 6 insecticidal neonicotinoids were determined and compared on the basis of EC50, Hill coefficient and maximal current (relative to acetylcholine, Imax). Particularly remarkable was the finding that Cfa1/Ggb2 was far more sensitive to acetylcholine, nicotine and neonicotinoid agonists than either Cfa2/Ggb2 or Gga4/Ggb2: for the anti-flea neonicotinoid market compound imidacloprid the respective EC50 values were 0.02 müM, 1.31 müM and 13.8 müM. These results were also confirmed for two other insect species, Drosophila melanogaster and Lucilia cuprina, where the pharmacological profile of the Dma1, Dma2, Lca1 and Lca2 subunits as hybrid receptors with Ggb2 in Xenopus oocyte expressions resulted in similar sensitivity patterns as those identified for the Ctenocephalides felis orthologs. For Cfa3/Ggb2, functional expression could be achieved, but detailed analysis of acetylcholine and other agonists used in this study could not be performed in electrophysiological experiments, due to the low signals. Collectively, the results of this study show that at least in a Ggb2 hybrid receptor setting, with respect to EC50, insect a1 subunits confer a 9 to 65 fold higher sensitivity to neonicotinoids than seen with a2 subunits, which may contribute in vivo to the insect-selective action of this pesticide class. In an attempt to elucidate ligand structure-activity relationships, eight close derivatives of acetylcholine were chemically synthesized and, together with five purchased compounds, analysed in voltage clamp experiments for Lca1/Ggb2, Lca2/Ggb2 and Gga4/Ggb2. Comparison of the data for insect versus chicken nAChR a subunits allowed the definition of novel structure-activity and structure-selectivity relationships. In the case of N-ethyl-acetylcholine, the EC50 value of the chicken Gga4/Ggb2 was increased almost by a factor of 1000, while for both Lca1/Ggb2 and Lca2/Ggb2, potency remained similar to that of acetylcholine. Further derivatives with strong insect nAChR selectivity potential were acetyl-a-methylcholine and trimethyl-(3-methoxy-3-oxopropyl) ammonium, followed by acetylhomocholine and trimethyl-(4-oxopentyl) ammonium. Identification of these insect-specific structure-activity relationship features may provide guidance for identification or design of insect nAChR agonists by structure-based or in silico methods.

Nikotinische Acetylcholinrezeptoren (nAChRs) gehören zu den ligandengesteuerten Kationenkanälen, welche in der schnellen neuronalen Übertragung an cholinergen Synapsen der Vertebraten und Invertebraten mitwirken. Sie binden nikotinoide Wirkstoffe wie Nikotin und Epibatidin. Nikotinische Acetylcholinrezeptoren von Insekten sind Angriffspunkte von einigen Insektizidklassen, wie Neonikotinoide, Spinosyne und Nereistoxine. Diese Arbeit beschreibt zum ersten Mal die Genidentifizierung der a1 und a2 Untereinheiten (Lca1 und Lca2) der Schaf-Schmeissfliege Lucilia cuprina und die cDNA-Klonierung dieser zwei Untereinheiten, wie auch der drei Ctenocephalides felis (Katzenfloh) nAChR a-Untereinheiten Cfa1, Cfa2 und Cfa3, deren vollständige Gensequenz bis dahin noch nicht bekannt war. Die Expression der Untereinheiten in Xenopus laevis Oozyten als hybride Rezeptoren zusammen mit der Gallus gallus (Huhn) b2 nAChR (Ggb2) Untereinheit führten zur Ausbildung von Acetylcholin-gesteuerten Ionenkanälen, was durch Voltage-Clamp Experimente bestätigt wurde. Cfa2/Ggb2 und Lca2/Ggb2 waren insensitiv gegenüber a-Bungarotoxin, während Acetylcholin-induzierte Ströme von Cfa1/Ggb2 und Lca1/Ggb2 durch das Schlangengift komplett blockiert werden konnten. Diese Merkmale der a-Bungarotoxin-Antwort wurden als kennzeichnend für die a1 und a2 nAChR-Genfamilien betrachtet und in dieser Arbeit für zwei weitere Beispiele bestätigt. Die pharmakologischen Profile von Cfa1/Ggb2, Cfa2/Ggb2 und vom neuronalen Rezeptor des Huhns Gga4/Ggb2 für Acetylcholin, zwei Nikotinoide und 6 insektizide Neonikotinoide wurden auf der Basis vom EC50, Hill-Koeffizienten und maximalen Strom (relativ zu Acetylcholin, Imax) bestimmt und miteinander verglichen. Besonders bemerkenswert war die Erkenntnis, dass Cfa1/Ggb2 wesentlich sensitiver gegenüber Acetylcholin, Nikotin und Neonikotinoide war als Cfa2/Ggb2 oder Gga4/Ggb2: für das Anti-Floh-Neonikotinoid Imidacloprid waren die jeweiligen EC50-Werte 0,02 müM, 1,31 müM und 13,8 müM. Diese Ergebnisse konnten ebenfalls für zwei weitere Insekten-Species, Drosophila melanogaster und Lucilia cuprina, bestätigt werden: die pharmakologischen Profile von Dma1, Dma2, Lca1 und Lca2 Untereinheiten exprimiert als Hybridrezeptoren zusammen mit Ggb2 in Xenopus-Oozyten ergaben ähnliche Sensitivitätmuster, wie die für die C. felis-Orthologen identifizierten. Cfa3/Ggb2 konnte zwar funktionell exprimiert werden, aufgrund nur kleiner Signale war allerdings eine detaillierte elektrophysiologische Analyse von Acetylcholin und anderer Agonisten, die hier untersucht wurden, nicht möglich. Insgesamt zeigen die Ergebnisse dieser Arbeit, dass, zumindest im Rahmen eines Hybridrezeptors zusammen mit Ggb2, Insekten a1 Untereinheiten eine 9 bis 65 fache höhere Sensitivität in Bezug auf EC50-Werte gegenüber Neonikotinoiden aufweisen als a2 Untereinheiten. Dies könnte die insektenselektive Wirkung, die bei dieser Pestizidklasse in vivo beobachtet wird, erklären. In einem Versuch die Liganden-Struktur-Aktivitätsbeziehungen aufzuklären, wurden 8 Strukturanaloga von Acetylcholin chemisch synthetisiert und zusammen mit 5 kommerziell erworbenen Verbindungen in Voltage-Clamp Experimenten mit Lca1/Ggb2, Lca2/Ggb2 und Gga4/Ggb2 analysiert. Ein Vergleich der Daten für Insekten versus Huhn nAChR a Untereinheiten ermöglichte es neue Struktur-Wirkungs- und Struktur-Selektivitätsbeziehungen zu erkennen. Im Fall von N-Ethyl-Acetylcholin erhöhte sich der EC50-Wert für Huhn Gga4/Ggb2 nahezu um den Faktor 1000 relativ zu ACh, während sowohl für Lca1/Ggb2 als auch für Lca2/Ggb2 die Wirksamkeit bei einem ähnlichen Wert blieb wie der von Acetylcholin. Weitere Derivate mit deutlichem Selektivitätspotential gegenüber Insekten-nAChR waren Acetyl-a-Methylcholin und Trimethyl-(3-Methoxy-3-Oxopropyl) Ammonium, gefolgt von Acetylhomocholin und Trimethyl-(4-Oxopentyl) Ammonium. Die Identifizierung dieser insektenspezifischen Eigenschaften der Struktur-Aktivitätsbeziehungen könnte eine Orientierung zur Identifizierung oder zum Design von Agonisten der Insekten-nAChR mithilfe strukturbasierter oder in silico Methoden liefern.