The concentration-dependent behavioral switching is regulated by a single chemosensory GPCR in C. elegans

Abstract

Animals detect and discriminate countless environmental chemicals for their wellbeing and survival. Although a single chemical can trigger opposing behavioral responses depending on its concentration, the mechanisms underlying such a concentration-dependent switching remain poorly understood. Here, we show that C. elegans exhibits either attraction or avoidance of the bacteria-derived volatile chemical dimethyl trisulfide (DMTS), depending on its concentration. This behavioral switching is mediated by two different types of chemosensory neurons, both of which express the DMTS-sensitive seven-transmembrane G protein-coupled receptor (GPCR) SRI-14. These two sensory neurons share downstream interneurons that process and translate DMTS signals via distinct glutamate receptors to generate the appropriate behavioral outcome. Thus, our results present one mechanism by which an animal connects two distinct types of chemosensory neurons detecting a common ligand to alternate downstream circuitry, thus efficiently switching between specific behavioral programs based on ligand concentration.|동물들은 그들의 생존과 번식 보존을 위해서 주변환경에서 발생하는 수많은 화학물질들을 감지하고 구별해낸다. 그 중에서 재미있는 현상 중 하나는, 여러 종의 동물들이 동일한 후각물질에 대해 농도를 다르게 감지해 내고 그 농도에 따라 정반대의 행동을 보인다는 점이다. 하지만 이러한 농도 의존적 후각 행동 전환의 분자적 기작에 대해서는 아직 잘 알려지지 않았었다. 이 연구를 통하여 본 연구자는 예쁜꼬마선충이 그들의 먹이와 감염원의 세균 종 들에서 공통으로 분비되는 DMTS라는 황화합물에 대해 그 농도에 따라 좋아하기도 하고 싫어하기도 하는 농도 의존적 후각 행동을 보임을 확인하였다. 또한 이러한 행동의 전환은 SRI-14 G 단백질 연결 수용기를 발현하고 있는 다른 두종류의 AWC 와 ASH 감각뉴런들에 의해서 매게 된다는 것을 확인하였다. 본 연구자의 돌연변이 실험에 의하면 두 감각뉴런 중 AWC 후각 뉴런이 없는 선충의 경우 낮은 농도의 DMTS에 대한 선호반응이 사라졌으며, ASH 통각 뉴런이 없는 선충의 경우 높은 농도의 DMTS에 대한 회피반응을 보이지 않는 것을 확인하였다. AWC와 ASH뉴런은 공통적으로 SRI-14 G 단백질 연결 수용기를 발현하고 있기 때문에 이 SRI-14 단백질이 DMTS를 감지한다는 가설을 세우게 되었고 SRI-14의 돌연변이에서 DMTS에 대한 선호반응과 회피반응이 모두 사라지는 것을 확인하였다. SRI-14 돌연변이들에게 SRI-14유전자를 AWC뉴런에 특정하게 재 발현시켜 주었을 경우 저농도의 DMTS에 대한 선호반응이 회복되었으나 고농도에 대한 회피반응은 회복되지 않았다. 반대로 ASH 통각 뉴런에 SRI-14 유전자를 재 발현시켜 주었을 경우 고농도 DMTS에 대한 회피반응은 돌아왔으나 저농도에 대한 선호반응은 돌아오지 않았다. 따라서 본 연구자는 AWC 후각 뉴런에 발현하는 SRI-14 수용기가 낮은 농도에 대한 DMTS 선호반응을 매개하고 ASH 통각 뉴런에 발현하는 SRI-14 수용기는 DMTS에 대한 회피반응을 매개한다는 것을 확인하였다. 다음으로 1) SRI-14가 본래는 발현하지 않는 ADL 감각뉴런에 SRI-14를 발현시킨 형질전환 동물들은 ADL 뉴런의 칼슘이미징에서 DMTS에 대한 비정상적인 Ca2+ 반응이 생성된다는 점에서, 2) 또한 인간세포에 SRI-14 수용기를 발현시켰을 때 이 세포는 DMTS 노출에 따라 반응을 나타냄을 확인함으로써, SRI-14가 실제로 DMTS에 결합하는 수용기임을 증명했다. 다음으로, 본 연구자는 선충이 이러한 농도 의존적 행동 전환을 보이기 위해 ASH 와 AWC 하위의 인터뉴런이 DMTS 신호를 어떻게 번역하고 처리하는지를 조사했다. 본 연구자는 AWC와 ASH 뉴런에서 신호를 수신하는 AIB interneuron이 DMTS의 농도에 따라 뚜렷한 Ca2+ 반응을 보인다는 것을 발견했다. 또한, AIB interneuron을 없앴을 경우 DMTS에 대한 선호와 회피반응이 약해짐을 확인하였다. 선행 연구에 의하여 AWC와 ASH뉴런은 글루타메이트를 통하여 하위 뉴런에 신호를 보낸다는 것이 알려져 있었다. 따라서 DMTS에 대한 신호들도 글루타메이트를 통해 전달될 것이라 가설을 세웠고 글루타메이트의 수송 단백질의 돌연변이 동물들의 경우 DMTS에 대한 선호반응과 회피반응이 약해지는 것을 확인하였다. 다음으로 AIB 인터뉴런이 어떠한 수용기를 통해서 AWC와 ASH로부터 오는 DMTS 정보를 받아들이는지 알아보았다.