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FMRPを欠損したヒト多能性幹細胞由来の皮質神経細胞は、自然発火パターンの変化を示す
Cortical neurons derived from human pluripotent stem cells lacking FMRP display altered spontaneous firing patterns.
PMID: 32560741 PMCID: PMC7304215. DOI: 10.1186/s13229-020-00351-4.
抄録
背景:
神経発達障害の一つであるフラジールX症候群（FXS）は、知的障害や自閉症スペクトラム障害の主要な原因の一つである。齧歯類やその他の前臨床モデルを用いた広範な研究により、この障害の病態生理の詳細なメカニズムが明らかになってきたにもかかわらず、ヒト幹細胞由来のニューロンがモデル系として採用されたのは比較的最近のことであり、FXSの根底にあると考えられる病態生理イベントの理解を深めるために用いられている。我々の研究では、脆弱性X精神遅滞タンパク質（FMRP）を欠失したヒト多能性幹細胞由来の皮質ニューロンの生理学的特性を評価しています。
BACKGROUND: Fragile X syndrome (FXS), a neurodevelopmental disorder, is a leading monogenetic cause of intellectual disability and autism spectrum disorder. Notwithstanding the extensive studies using rodent and other pre-clinical models of FXS, which have provided detailed mechanistic insights into the pathophysiology of this disorder, it is only relatively recently that human stem cell-derived neurons have been employed as a model system to further our understanding of the pathophysiological events that may underlie FXS. Our study assesses the physiological properties of human pluripotent stem cell-derived cortical neurons lacking fragile X mental retardation protein (FMRP).
方法:
誘導多能性幹細胞由来のヒト大脳皮質ニューロンの2つの対照系統と3つのFXS患者系統について、全細胞電圧および電流クランプの電気生理学的記録を行った。さらに、FMR1遺伝子の発現がサイレンシングされた等原性系統の特性についても記述した。
METHODS: Electrophysiological whole-cell voltage- and current-clamp recordings were performed on two control and three FXS patient lines of human cortical neurons derived from induced pluripotent stem cells. In addition, we also describe the properties of an isogenic pair of lines in one of which FMR1 gene expression has been silenced.
結果:
その結果、FMRPを欠失したニューロンでは、FMRPを発現したニューロンと比較して、自発的な活動電位発火のバーストがより頻繁に見られたが、その持続時間は短かった。コントロールニューロンにおける大コンダクタンスCa活性化K電流と持続性Na電流の阻害は、FMRPを欠くニューロンで観察された活動電位バーストを表現しているが、FMRPを欠くニューロンでは、電圧依存性Naチャネルの薬理学的増強は、コントロールニューロンで観察された活動電位バーストを表現している。自発的な活動電位発火の変化にもかかわらず、どの系統でもニューロンの本質的な特性に違いは見られなかった。さらに、どの系統においても、小型興奮性シナプス後電流の特性に違いは見られなかった。
RESULTS: Neurons lacking FMRP displayed bursts of spontaneous action potential firing that were more frequent but shorter in duration compared to those recorded from neurons expressing FMRP. Inhibition of large conductance Ca-activated K currents and the persistent Na current in control neurons phenocopies action potential bursting observed in neurons lacking FMRP, while in neurons lacking FMRP pharmacological potentiation of voltage-dependent Na channels phenocopies action potential bursting observed in control neurons. Notwithstanding the changes in spontaneous action potential firing, we did not observe any differences in the intrinsic properties of neurons in any of the lines examined. Moreover, we did not detect any differences in the properties of miniature excitatory postsynaptic currents in any of the lines.
結論:
薬理学的な操作は、コントロールとFMRP非ヌルヒト皮質ニューロンの両方の活動電位バーストプロファイルを変化させ、それらのニューロンを遺伝的に対応するもののように見せることができる。我々の研究は、げっ歯類のFXSモデルで発見されたFMRPターゲットが、ヒトをベースとしたモデルシステムにおいても潜在的なターゲットであることを示しており、活動が変化する潜在的なメカニズムを示唆している。
CONCLUSIONS: Pharmacological manipulations can alter the action potential burst profiles in both control and FMRP-null human cortical neurons, making them appear like their genetic counterpart. Our studies indicate that FMRP targets that have been found in rodent models of FXS are also potential targets in a human-based model system, and we suggest potential mechanisms by which activity is altered.