ベッツィンガー複合体前介在ニューロンのTrpm4イオンチャネルは呼吸運動パターンには必須であるが、リズムには必須ではない

Trpm4 ion channels in pre-Bötzinger complex interneurons are essential for breathing motor pattern but not rhythm.

• Maria Cristina D Picardo
• Yae K Sugimura
• Kaitlyn E Dorst
• Prajkta S Kallurkar
• Victoria T Akins
• Xingru Ma
• Ryoichi Teruyama
• Romain Guinamard
• Kaiwen Kam
• Margaret S Saha
• Christopher A Del Negro

抄録

吸気呼吸運動は、カルシウム(Ca2+)で活性化された非選択的カチオン電流(ICAN)を発現するプレ・ベッツィンガー複合体(プレBötC)介在ニューロンに依存しており、この介在ニューロンは強力な神経バーストを発生させている。ICANを減少させると、呼吸が遅くなったり、止まったりすることが予想され、運動パターンへの影響は運動の大きさ（出力）に反映されると考えられる。我々は、逆遺伝学的手法を用いて、生体内のプレBötCニューロンのイオンチャネルTrpm4またはTrpc3を減少させることで、ICANの役割を検証した。Trpm4を標的としたショートヘアピンRNA(shRNA)を導入した成体マウスでは、呼吸回数は驚くほど増加したが、呼吸量は徐々に減少した。Trpc3を標的としたshRNAを導入したマウスは呼吸に変化はなく生存した。マウススライスのpreBötCからのパッチクランプとフィールド記録はまた、Trpm4アンタゴニスト9-フェナントロールの存在下でpreBötCの神経バーストの周波数の増加とマグニチュードの減少を示したが、Trpc3アンタゴニストピラゾール-3（pyr-3）はマグニチュードに一貫性のない効果を示し、周波数には何の効果もなかった。これらのデータは、Trpm4がICANを媒介していることを示唆しており、その周波数への影響は、リズム発生における直接的な役割とは相反するものである。これらの結果から、Trpm4が媒介するICANは運動出力には不可欠であるが、呼吸中枢パターン発生器のリズム発生の中核機構には不可欠ではないことが示唆された。

Inspiratory breathing movements depend on pre-Bötzinger complex (preBötC) interneurons that express calcium (Ca2+)-activated nonselective cationic current (ICAN) to generate robust neural bursts. Hypothesized to be rhythmogenic, reducing ICAN is predicted to slow down or stop breathing; its contributions to motor pattern would be reflected in the magnitude of movements (output). We tested the role(s) of ICAN using reverse genetic techniques to diminish its putative ion channels Trpm4 or Trpc3 in preBötC neurons in vivo. Adult mice transduced with Trpm4-targeted short hairpin RNA (shRNA) progressively decreased the tidal volume of breaths yet surprisingly increased breathing frequency, often followed by gasping and fatal respiratory failure. Mice transduced with Trpc3-targeted shRNA survived with no changes in breathing. Patch-clamp and field recordings from the preBötC in mouse slices also showed an increase in the frequency and a decrease in the magnitude of preBötC neural bursts in the presence of Trpm4 antagonist 9-phenanthrol, whereas the Trpc3 antagonist pyrazole-3 (pyr-3) showed inconsistent effects on magnitude and no effect on frequency. These data suggest that Trpm4 mediates ICAN, whose influence on frequency contradicts a direct role in rhythm generation. We conclude that Trpm4-mediated ICAN is indispensable for motor output but not the rhythmogenic core mechanism of the breathing central pattern generator.