パルバルブミンの欠乏は、抑制性のPvalbニューロンのミトコンドリア量と樹状突起の分岐を増加させる

Absence of parvalbumin increases mitochondria volume and branching of dendrites in inhibitory Pvalb neurons in vivo: a point of convergence of autism spectrum disorder (ASD) risk gene phenotypes.

• Lucia Janickova
• Karin Farah Rechberger
• Lucas Wey
• Beat Schwaller

抄録

背景:

速発火性のパルバルブミン（PV）を発現する（Pvalb）介在ニューロンでは、PVは遅発性の細胞内Caシグナル調節因子として作用する。PVマウスのプルキンエ細胞では、適応的/恒常性メカニズムにより、ミトコンドリアが増加し、同様に遅発性のCa封鎖/緩衝機能を持つ小器官となる。PVとミトコンドリアの逆の調節は、PVを過剰発現させた筋管、上皮細胞、オリゴデンドロサイト様細胞を含むin vitroの細胞モデル系でも同様に行われている。このような逆の制御がすべてのPvalbニューロンに当てはまるかどうかは、現在のところ不明である。オリゴデンドロサイト様細胞では、PVはさらに細胞の自律的な方法でプロセスの成長と分岐を減少させる。

BACKGROUND: In fast firing, parvalbumin (PV)-expressing (Pvalb) interneurons, PV acts as an intracellular Ca signal modulator with slow-onset kinetics. In Purkinje cells of PV mice, adaptive/homeostatic mechanisms lead to an increase in mitochondria, organelles equally capable of delayed Ca sequestering/buffering. An inverse regulation of PV and mitochondria likewise operates in cell model systems in vitro including myotubes, epithelial cells, and oligodendrocyte-like cells overexpressing PV. Whether such opposite regulation pertains to all Pvalb neurons is currently unknown. In oligodendrocyte-like cells, PV additionally decreases growth and branching of processes in a cell-autonomous manner.

方法:

Pvalb 遺伝子の野生型またはノックアウト（PV）マウスの体性感覚野、内側前頭前野、線条体、視床網状核、海馬領域 DG、CA3、CA1、小脳に存在する EGFP を発現する抑制性 Pvalb ニューロンを対象に、PV を欠くことによる in vivo への影響を調べた。Pvalbニューロンの形態変化とPV濃度の変化を免疫蛍光を用いて測定し、その後、3D再構築と定量的画像解析を行った。

METHODS: The in vivo effects of absence of PV were investigated in inhibitory Pvalb neurons expressing EGFP, present in the somatosensory and medial prefrontal cortex, striatum, thalamic reticular nucleus, hippocampal regions DG, CA3, and CA1 and cerebellum of mice either wild-type or knockout (PV) for the Pvalb gene. Changes in Pvalb neuron morphology and PV concentrations were determined using immunofluorescence, followed by 3D-reconstruction and quantitative image analyses.

結果:

PV欠損はソーマ内のミトコンドリアの体積と密度の増加をもたらした；この効果の大きさは、野生型ニューロンの様々なPvalbニューロン亜集団における推定PV濃度と正の相関があった。選択されたPV Pvalbニューロンの樹状突起の長さと分岐、および近位樹状突起の太さの増加は、これらのPV Pvalbニューロンの樹状突起のミトコンドリアの密度と長さが増加した結果である可能性が高い。PVが存在しないことに直結する枝分かれとソーマの大きさの増加は、PVマウスの若年期に存在する大脳皮質の体積の増加に寄与していると考えられる。樹状突起の枝分かれの拡大は、自閉症スペクトラム障害（ASD）やASDマウスモデルでは、若年期にすべてのASD中核症状と皮質大頭症を含むいくつかの併存疾患を呈するPVマウスの局所的な超連結性の仮説と一致しています。

RESULTS: PV deficiency led to an increase in mitochondria volume and density in the soma; the magnitude of the effect was positively correlated with the estimated PV concentrations in the various Pvalb neuron subpopulations in wild-type neurons. The increase in dendrite length and branching, as well as thickness of proximal dendrites of selected PV Pvalb neurons is likely the result of the observed increased density and length of mitochondria in these PV Pvalb neuron dendrites. The increased branching and soma size directly linked to the absence of PV is assumed to contribute to the increased volume of the neocortex present in juvenile PV mice. The extended dendritic branching is in line with the hypothesis of local hyperconnectivity in autism spectrum disorder (ASD) and ASD mouse models including PV mice, which display all ASD core symptoms and several comorbidities including cortical macrocephaly at juvenile age.

結論:

PVはASDの病因に関与していると考えられているほとんどのメカニズムに関与している：E/Iバランスに影響を与えるCaシグナルの変化、ミトコンドリアの構造/機能の変化、樹状突起の長さと分岐の増加、局所的なハイパーコネクティビティの結果、すべての細胞の自律的な方法で起こる可能性がある。

CONCLUSION: PV is involved in most proposed mechanisms implicated in ASD etiology: alterations in Ca signaling affecting E/I balance, changes in mitochondria structure/function, and increased dendritic length and branching, possibly resulting in local hyperconnectivity, all in a likely cell autonomous way.