Molecular Identification of Voltage-gated K+ Channels Responsible for Electrophysiological Characteristics in Hypothalamic Paraventricular Nucleus Neurons

Abstract

시상하부에 존재하는 뇌실곁핵(hypothalamic paraventricular nucleus

PVN)은 구조적으로 또는 기능적으로 구별되는 이질적인 세포들로 이루어져 있다. 이들 세포들의 전기생리학적 특성과 A-type K+ 전류(IA)의 관련성은 잘 알려져 있지만, 그 분자적 특성에 대해서는 밝혀진 바가 없다. 따라서, 본 연구에서는 IA를 인코딩하는 전압의존성 K+ 통로(voltage-gated K+ channel

Kv 통로)가 PVN의 전리생리학적인 특성에 관여할 것이라고 가정하고, 성격이 다른 세포 형태(type I, type II)에서의 Kv 통로 발현차이와, 심부전이나 에스트로겐에 의해 그 활성이 변화하는 교감신경조절세포에서의 Kv 통로 발현변화를 살펴보고자 하였다. PVN에서 특정 세포에서의 분자적 정보를 얻기 위해, 단일세포 역전사-중합효소연쇄반응법(single cell reverse transcription-polymerase chain reaction

single cell RT-PCR) 또는 단일세포 실시간 역전사-중합효소연쇄반응법 (single cell real-time RT-PCR)을 실시하였다. 그 결과, type I, type II 모두에서 다양한 Kv 채널 subunit들의 발현이 관찰되었는데 그 중, Kv4.2와 Kv4.3은 그 발현 정도에 있어서 type II에서보다 type I에서 유의적으로 높게 나타났다. 교감신경조절세포에서도 Kv4.2와 Kv4.3의 발현이 관찰되었는데, 심부전 유발에 따라 그 발현이 다르게 조절되었다. Kv4.2는 증가되고 Kv4.3은 감소되었다. 반면 에스트로겐에 의해서는 Kv4.2만이 선택적으로 감소되었으며 Kv4.3은 변화가 없었다. 또한 IA 의 감소도 함께 관찰되었다. 이러한 에스트로겐의 영향은 바소프레신이 특이적으로 적게 분포되어 있는 dorsal cap 영역에서만 관찰되었다. 위의 연구결과는 Kv4.2와 Kv4.3이 PVN의 type I, type II를 구별하고 교감신경조절세포의 전기생리학적 활성을 조절하는 데 주요하게 작용하며, 질병이나 호르몬 변화에 의해 서로 독립적으로 조절되고 있음을 보여준다. 따라서, Kv 통로는 자율신경계와 내분비계의 기능 이상에 따른 PVN의 신경전달 변화에 참여하는 하나의 기전으로 여겨진다.

The hypothalamic paraventricular nucleus (PVN) comprises anatomically and functionally distinct neuronal populations. The A-type K+ current (IA) is involved in their different electrophysiological properties, but the molecular identity responsible for these differences remains unknown. Accordingly, I hypothesized that voltage-gated K+ (Kv) channels encoding IA are molecular components underlying the determination of electrophysiological characteristics, and compared expressions of Kv channel subunits between distinct neuronal populations in the PVN, using single cell analysis (single cell reverse transcription-polymerase chain reaction [RT-PCR] or single cell real-time RT-PCR). Results revealed that several Kv channel subunits were expressed in type I and type II PVN neurons which are electrophysiologically distinct. However, the expression density of Kv4.2 and Kv4.3 was significantly higher in type I than in type II neurons. These two subunits were also expressed in the presympathetic neurons, which project to the rostral ventrolateral medulla (RVLM

PVN-RVLM), but were differentially regulated during heart failure: Kv4.2 was up-regulated whereas Kv4.3 was down-regulated. In contrast, estrogen replacement into ovariectomized female rats down-regulated Kv4.2 mRNA levels, but did not affect Kv4.3 in the PVN-RVLM neurons. Estrogen also diminished IA density. These estrogenic effects occurred specifically in the dorsal cap parvocellular subdivision where vasopressin is remarkably sparse. Taken together, Kv4.2 and Kv4.3 are important molecular components underlying the determination of electrophysiological characteristics of different cell types and the modulation of neuronal properties of the presympathetic neurons. The finding of the differential and selective regulations of these two subunits under different pathophysiological conditions suggests that Kv4.2 and Kv4.3 play different roles independently of each other in the coordination of responses of the PVN to various types of stimuli.