The Effect of Acetylcholine on the Intracellular $Ca^{2+}$ Increase of the Mouse Early 2-cell Embryos

생쥐 초기 2-세포 배의 세포내 칼슘 증가에 미치는 Acetylcholine의 영향

Many studies have shown that the development of mouse early 2-cell embryos in vitro is related with the intracellular $Ca^{2+}$ changes. In ICR strain mouse, the development of embryos arrests at early 2-cell stage, but the arrested early 2-cell embryos can be rescued by the addition of $Ca^{2+}$-related materials. Acetylcholine (ACh) increases intracellular $Ca^{2+}$ concentration ([$Ca^{2+}$]i) via the mAChR-PLC-IP3 pathway in mouse oocytes. We examined whether ACh rescues 2-cell block in mouse. In early 2-cell embryos, ACh increased [$Ca^{2+}$]i in a dose-dependent manner (p<0.001), and had an effect on rescue of 2-cell block and embryonic development. To identify the signal pathway involved in ACh-induced rescue of 2-cell block, we first applied an agonist of ACh receptor (AChR). Like ACh, carbachol increased intracellular $Ca^{2+}$ concentration ([$Ca^{2+}$]i) and atropine, an antagonist of ACh receptor, blocked the ACh-induced $Ca^{2+}$ increase. In $Ca^{2+}$-free medium, ACh also increased [$Ca^{2+}$]i, indicating that $Ca^{2+}$ increased by ACh is mainly released from the intracellular $Ca^{2+}$ store. The ACh-induced $Ca^{2+}$ increase was blocked by PLC inhibitor (U73122), ryanodine receptor (RyR) antagonist (dantrolene), and CaM KII inhibitor (KN-93), but not by IP3R antagonists (xestospongin C). These results show that ACh increases intracellular $Ca^{2+}$ concentration via mAChR/PLC/RyR, and this contributes to the rescue of 2-cell block.

체외 배양 과정 중에 나타나는 생쥐 초기 2-세포 배의 "in vitro 2-cell block" 현상은 세포내 $Ca^{2+}$ 농도 변화와 밀접한 관련이 있다. 다양한 종류의 세포에서 acetylcholine은 세포막에 존재하는 muscarnic acetylcholine receptor를 통해 세포내 $Ca^{2+}$ 농도 증가를 유도한다. 본 실험에서는 생쥐 "in vitro 2-cell block" 현상에 있어서 ACh의 영향을 알아보기 위해 세포 내 $Ca^{2+}$ 농도 조절 물질을 처리한 후, 공초점 현미경을 이용하여 세포 내 $Ca^{2+}$ 농도 변화를 기록하였다. ACh은 세포 내에서 농도 의존적으로 $Ca^{2+}$ 농도 증가를 유도하며, "in Vitro 2-cell block" 현상을 극복하여 포배기로 발생을 유도하였다. ACh에 의한 $Ca^{2+}$ 농도 증가가 세포막에 존재하는 ACh receptor를 경유하여 나타나는 반응인지를 알아보기 위해 ACh receptor의 저해제인 atropine을 전처리한 결과, ACh에 의한 $Ca^{2+}$ 농도 증가가 완전히 저해되었다. 초기 2-세포 배에서 ACh이 결합하는 receptor의 종류를 확인하기 위하여 carbachol과 nicotin tartrate를 처리 하였다. Nicotinic AChR의 agonist인 nicotine tartrate 1 mM은 세포내 $Ca^{2+}$ 농도 증가를 보이지 않았다. 따라서 초기 2-세포 배의 세포막에는 muscarnic AChR가 기능적으로 작용함을 알 수 있다. ACh에 의한 세포내 $Ca^{2+}$ 농도 증가가 $Ca^{2+}$이 제거된 배양액에서도 나타나는 것으로 보아 ACh에 의한 세포내 $Ca^{2+}$ 변화는 주로 소포체와 같은 세포내 $Ca^{2+}$ 저장고로부터 분비됨을 알 수 있었다. 이러한 세포내 $Ca^{2+}$ 저장고로부터의 $Ca^{2+}$ 분비가 어떤 신호전달체계를 통해 나타나는 지를 조사하였다. 세포막의 PLC 저해제인 U73122를 전처리한 배는 ACh에 의한 $Ca^{2+}$ 농도 증가가 나타나지 않았으며, 세포 내 $Ca^{2+}$ 통로인 IP3R와 RyR의 저해제인 xestospongin과 heparin 혹은 dantrolene을 전처리한 결과 dantrolene에 의해 세포내 $Ca^{2+}$ 농도 증가가 억제되었다. 그리고 세포내 반복적인 $Ca^{2+}$ 농도 증가에 의해 활성도가 변화는 CaMKII의 작용을 확인하기 위하여 Ca MKII의 저해제인 KN-93을 전처리한 결과 $Ca^{2+}$ 농도 증가가 억제되는 것을 확인하였다. 이상의 결과로부터 ACh은 생쥐 초기 2-세포 배에서 ryano-dine receptor를 통하여 세포내 $Ca^{2+}$ 저장고로부터 $Ca^{2+}$ 분비를 유도하며, CaM KII에 의해서도 영향을 받는 것으로 보여진다. 생쥐 초기 2-세포 배에서 "in vitro 2-cell block"의 극복은 ACh에 의해 유도된 신호전달체계를 통해 세포내에 증가하는 $Ca^{2+}$ 농도 및 이에 따른 세포내 대사 작용의 활성화에 의하여 나타나는 것으로 생각된다.