KATPチャンネル変異が海馬ネットワーク活動と夜間ガンマ波の変化を乱す

研究背景

ATP感受性カリウム（KATP）チャンネルは、細胞の代謝と電気活動を結びつける重要なイオンチャンネルです。研究によれば、KATPチャンネルの高度な活性は、発育遅滞、癲癇、および新生児糖尿病症候群（DEND症候群）というまれな病気と関連しています。この病気に影響を受ける人々は、通常、様々な神経系および内分泌系の障害を示します。しかし、DEND症候群における糖尿病の原因は比較的よく理解されている一方で、神経症状の病態生理学的機序は依然として明確ではありません。

研究出典

この研究はMarie-Elisabeth Burkart、Josephine Kurzke、Robert Jacobi、Jorge Vera、Frances M. Ashcroft、Jens Eilers および Kristina Lippmann によって共同で行われ、彼らの所属機関はライプツィヒ大学のCarl-Ludwig-Physiology Institute、ヴュルツブルク大学のNeurophysiology Department for Physiology、ニューヨーク市ブロンクスのAlbert Einstein College of Medicine、およびイギリスのオックスフォード大学のHenry Wellcome Centre for Gene Function です。論文は2024年の《Brain》 雑誌に掲載される予定です。

研究目的

著者らは、筋カドヘリン陽性中間ニューロン（PV-IN）の活動障害がDEND症候群における癲癇と認知機能障害を引き起こす可能性があると推測しています。したがって、本研究は、DEND症候群における一般的なKATPチャンネル変異が海馬CA1領域の神経ネットワーク活動およびPV-INの役割にどのように影響するかを調べることを目的としています。

研究プロセス

実験対象とモデルの構築

実験対象には、野生型マウスとKATPチャンネル変異遺伝子Kir6.2-V59Mフラグメントを含むマウスが含まれます。すべての実験は、欧州委員会の動物実験指導原則に従って行われました。

DEND変異の影響を研究するために、著者らは遺伝子工学マウスを構築し、Cre-loxPシステムを用いてPV-INに特異的にKir6.2-V59M変異を発現させました。様々な交配を通じてKir6.2-V59M変異を持ち、PVが蛍光赤で標識されるマウス群を生み出しました。

電気生理学的および行動学的実験

全細胞パッチクランプを用いて、PV-INの内在特性、シナプス伝達、およびネットワーク活動をテストしました。局所フィールド電位（LFP）を記録して、海馬のネットワーク活動に対するPV-INの影響を評価しました。これにはシャープウェーブ（sharp waves）、ガンマ振動などが含まれます。また、長期間の無線脳波モニタリングを通じて、DENDモデルマウスの自発癲癇活動およびその昼夜リズムを研究しました。

組織学および免疫組織化学的研究

免疫組織化学染色および光シート顕微鏡技術を使用して、海馬CA1領域のPV-INの分布および形態を分析し、変異が細胞組織モジュール構造に与える影響を探りました。

研究結果

KATPチャンネル活性化がネットワーク活動に与える影響

著者らは、野生型マウスにKATPチャンネルアゴニストであるジアゾキシド（diazoxide）を適用することで、チャンネル活性化が海馬領域内の自発的に生成されるシャープウェーブの数を著しく減少させ、ガンマ振動のピーク周波数を低下させることを発見しました。この研究は、チャンネル活性化が脳のネットワーク活動を著しく乱すことを示唆しています。

DEND変異が海馬ネットワーク活動に与える影響

Kir6.2-V59M変異を持つマウスモデルを使用して、同様に海馬のシャープウェーブ発生頻度が著しく低下し、ガンマ振動が正常な周波数範囲に達していないことを観察しました。これにより、この変異が海馬ネットワーク機能を破壊することが明らかになりました。

PV中間ニューロンへの影響

Kir6.2-V59M変異はPV-INの膜電位または内在特性を直接変えませんが、細胞のガンマ振動特性（内因性振動および共振特性を含む）を著しく低下させました。また、この変異は、PV-INと錐体ニューロン間の短期シナプス抑制能力を低下させました。これらすべてが連鎖ネットワーク活動の破壊を引き起こします。

癲癇発作と夜間ガンマスペクトルの喪失

体内実験では、Kir6.2-V59M変異群マウスが明らかな癲癇活動を示し、平均して1日2.7回発作しました。しかし、LFPデータは日夜リズムの変化期間中にDENDモデルマウスが夜間のガンマスペクトルを正常に活性化できないことを示しており、これが認知および記憶機能に影響を与える可能性があります。

インドリル・ブタノアミドの薬理的拮抗作用

体内急性スライス実験では、変異遺伝子を持つマウスの脳スライスにKATP阻害剤インドリル・ブタノアミドを添加すると、シャープウェーブ数が部分的に回復しました。しかし、ガンマ共振は薬理学的阻害とは無関係であり、チャンネル構成の変異が細胞形態および接続に傾向的影響を与えることを示唆しています。

PV-INの細胞形態の変化

研究は、Kir6.2-V59M変異がPV-INのクラスター分布の増加と局所ランダム性を増加させ、これによりこの変異が海馬CA1領域のPV-INの組織配置に影響を与えることを示しました。また、PV-INの樹状突起の分岐率もわずかに増加しており、これが突変の影響を局所的に受ける程度が異なることを示しています。

結論

この研究は、DEND病因変異をモデルマウスのPV中間ニューロンに特異的に導入することにより、KATPチャンネルが脳神経ネットワークにおいて重要な調節役を果たすことを体系的に説明しました。本研究は、DEND変異がPV-INの正常なガンマ振動の生成および維持能力をどのように阻害し、認知およびネットワーク機能の障害を引き起こすかを初めて明らかにし、その治療手段の探索に重要な理論的裏付けを提供しました。また、実験モデルは、将来KATPチャンネルが他の神経細胞機能において果たす役割を直接研究するための道を開きました。