Journal Club (October 2, 2023)

Nature. 2020 Jan;577(7789): 249-253. doi: 10.1038/s41586-019-1843-6. Epub 2019 Dec 18.

IL-17a promotes sociability in mouse models of neurodevelopmental disorders (IL-17aは神経発達障害モデルマウスにおいて社交性を促進する)

Michael Douglas Reed # 1 2, Yeong Shin Yim # 1 2, Ralf D Wimmer 1 2 3, Hyunju Kim 4, Changhyeon Ryu 1 2, Gwyneth Margaret Welch 1 2, Matias Andina 1 2, Hunter Oren King 2, Ari Waisman 5, Michael M Halassa 1 2 3, Jun R Huh 6 7, Gloria B Choi 8 9

https://picower.mit.edu/gloria-choi

*マサチューセッツ工科大学ピコワー学習記憶研究施設は、マクガヴァン脳研究所および脳認知科学部とともに、MITの3つの神経科学グループの1つである。研究所は、学習と記憶のすべての側面を研究することに焦点を当てている。アルツハイマー病、統合失調症、および同様の疾患を研究するために5,000万米ドル以上を受け取っている。

Abstract

自閉スペクトラム症(ASD)の小児の一部は、全身性炎症の徴候である発熱の経過中に行動症状の改善を示すようである。この論文では、マウスの社会的行動障害に対する炎症の有益な作用の根底にある分子的・神経的メカニズムを解明する。著者らは、胚発生期に母体免疫活性化(MIA)に曝露した神経発達障害の環境モデルマウスと、コンタクチン関連タンパク質様2(Cntnap2)、脆弱X精神遅滞1(Fmr1)、Sh3および多重アンキリン反復ドメイン3(Shank3)を遺伝的に欠損させたモデルマウスを比較した。Reedらは、MIAに暴露された子供の社会的行動障害が、リポ多糖(LPS)投与によって誘発される炎症反応によって一時的に救済されることを立証した。この行動的レスキューは、一次体性感覚皮質dygranular zone(S1DZ, 異顆粒性皮質)のニューロン活性の低下を伴っていた。S1DZの神経細胞活性亢進は、以前にMIAに暴露された子どもに関連する行動表現型の発現に関与していることが示唆された。対照的に、単遺伝子モデルでは、LPSによる社会性欠損の救済は観察されなかった。著者らは、MIAモデルと遺伝的ASDモデルのLPS処理に対する反応性の違いが、サイトカイン産生レベルの違いから生じていることを証明した。S1DZにIL-17aを直接投与することにより、この違いを回避することができ、MIAの子供と同様に単系統遺伝的変異マウスの社交性を促進するのに十分であった。逆に、S1DZのニューロンにおけるIL-17受容体サブユニットa(IL-17Ra)の発現を阻害すると、LPSがMIA子孫の社交性の表現型を逆転させる能力は消失した。このデータは、炎症時のIL-17a産生が、中枢神経系の神経細胞活動に直接影響を与えることによって、社会的行動障害の発現を改善するという、神経発達障害の根底にある神経免疫メカニズムを支持するものである。

Introduction

感染とそれに伴う炎症が神経疾患に及ぼす有益な影響は、以前から指摘されている。例えば、自閉スペクトラム症(ASD)の小児の一部は、全身性炎症の徴候である発熱のエピソード中に、一時的ではあるが行動症状のかなりの改善を示す。しかし、発熱に関連した免疫応答が、分子レベルでも神経レベルでも、どのようにして行動の緩和につながるのか、そのメカニズムについての理解は不足している。ASDの病因には、環境的リスク因子と遺伝的リスク因子の両方が含まれている。ASDリスク遺伝子(Cntnap25、Fmr16、Shank37など)に変異を持つASDモデルマウスは、社会的相互作用の障害を含む行動異常を示す。同様の行動異常は、母体の炎症への曝露など、ASD発症の環境的リスク因子のマウスモデルでも観察されている。われわれは、神経発達障害の遺伝モデルマウスと環境モデルマウスの両方を用いて、発熱に伴う社交性障害の救済を可能にするメカニズムを探ろうとした。

a, Body temperature profile after injection of saline (vehicle) or LPS in offspring of mothers injected with PBS (PBS offspring) (vehicle, n = 11 and LPS, n = 11 mice, from 5 independent experiments). The initial spike in body temperature is due to handling stress. bc, Mice were tested for sociability (percentage of time spent investigating social object/total time spent investigating both social and inanimate objects) one day before LPS injection (pre-test; pre). Mice were then tested for sociability four hours after injection with vehicle or LPS (test). PBS offspring + vehicle, n = 10; PBS offspring + LPS, n = 9; MIA offspring + vehicle, n = 10; MIA offspring + LPS, n = 12; wild type (WT) + vehicle, n = 8; wild type + LPS, n = 11; Cntnap2 mutant + vehicle, n = 11; Cntnap2 mutant + LPS, n = 11; Fmr1 mutant + vehicle, n = 11; Fmr1 mutant + LPS, n = 15; Shank3 mutant + vehicle, n = 8; Shank3 mutant + LPS, n = 10; from 3 independent experiments. I.p., intraperitoneal. d, Virus encoding the inhibitory DREADD (AAV2-hSyn-DIO-hM4D(Gi)-mCherry) was targeted to the ventral part of the lateral preoptic nucleus (vLPO) of Vgat–Cre MIA mice. Scale bar, 2 mm. e, Body temperature profile after injection with vehicle or CNO. fg, Mice were tested for sociability one day before injection (pre). On the following two days, mice received counterbalanced injections of either vehicle or CNO. Sociability was assessed two hours after injection. For experiments in d–gn = 9 for all groups, from 2 independent experiments. All n values refer to the number of mice used. *P < 0.05, **P < 0.01, calculated by two-way repeated-measures analysis of variance (ANOVA) with Bonferroni’s (ae) or Sidak’s (c) post-hoc tests, or one-way repeated-measures ANOVA with Tukey’s post-hoc test (g). Graphs are mean ± s.e.m.
a, Mice were tested for sociability one day before injection (pre). The following day, blocking antibody against IL-17a (anti-IL-17a) or isotype-control antibody (isotype) was administered intracerebroventricularly (i.c.v.), 30 min before injection of vehicle or LPS. Sociability was assessed four hours after injection of vehicle or LPS (test). PBS offspring + vehicle + isotype, n = 9; PBS offspring + LPS + isotype, n = 11; MIA offspring + vehicle + isotype, n = 10; MIA offspring + LPS + isotype, n = 10; MIA offspring + LPS + anti-IL-17a, n = 10; from 7 independent experiments. bd, Firing rate of neurons of the S1DZ before and four hours after injection of vehicle or LPS, in PBS and MIA offspring pre-treated with isotype-control antibody or blocking antibody against IL-17a. c, Example raster plot with firing rate profile before (baseline) and after (test) treatment with LPS, from an PBS mouse and MIA mouse pre-treated with isotype-control antibody. d, Normalized firing-rate (FR) change after treatment represented as box-and-whisker plots, indicating median, interquartile range and data limits as defined by Tukey. PBS offspring + vehicle + isotype, n = 65 cells; PBS offspring + LPS + isotype, n = 42 cells; PBS offspring + LPS + anti-IL-17a, n = 40 cells; MIA offspring + vehicle + isotype, n = 75 cells; MIA offspring + LPS + isotype, n = 48 cells; MIA offspring + LPS + anti-IL-17a, n = 43 cells; from 2 PBS offspring and 2 MIA offspring in 12 independent experiments. e, Lentivirus encoding either EYFP or enhanced green fluorescent protein (EGFP) fused to nuclear Cre (nCre) was bilaterally injected into the S1DZ of IL-17Rafl/fl MIA offspring. Scale bar, 200 μm. fg, Mice were tested for sociability one day before injection (pre). The following day, mice were tested for sociability four hours after LPS injection (test). For experiments in efIl-17rafl/fl;EYFPn = 9 and Il-17rafl/fl;EGFP:nCren = 10; from 5 independent experiments. Unless otherwise indicated, n values refer to the number of mice used. Statistics calculated by two-way repeated-measures ANOVA with Bonferroni’s post-hoc test (af) or two-way ANOVA with Tukey’s post-hoc test (d). Graphs are mean ± s.e.m.

Discussion

マウスを用いたこれまでのデータから、妊娠中の母親におけるIL-17a産生の増加が、子どもの神経発達障害の危険因子となる可能性が示唆されている。今回の知見に基づき、成体MIA児においても同じサイトカインが有益であり、炎症エピソード中の社会性の表現型を改善することを提案する。LPSで処理すると、血中のIL-17a濃度はMIAの子孫で選択的に上昇したが、他の単系統変異マウスでは上昇しなかった。このことは、炎症反応が有益な効果をもたらすのは、出生前に免疫活性化にさらされたり、他の環境因子によって免疫系がプライミングされた個体のみであることを示唆している。神経発達障害患者におけるプライミングされた免疫系の役割をよりよく理解することは、発熱に関連した炎症にさらされた後に行動症状が改善する可能性の高い患者を同定するのに役立つかもしれない。さらに、IL-17aが、そのアップレギュレーションが起こる時期(胚の脳発達期または成人の脳)によって、相反する2つの行動学的結果を誘発するメカニズムを解明することは、ASDに関連する行動症状に対する予防的治療だけでなく、治療的治療を考案する機会を提供するかもしれない。

Comment in
Interleukin-17: A Social Cytokine.
Hoogenraad CC, Riol-Blanco L.
Cell. 2020 Apr 30;181(3):517-519. doi: 10.1016/j.cell.2020.03.060.
PMID: 32359435

Figure 1. IL-17 Promotes Sociability in Mice with Neurodevelopmental Disorders
(A) In comparison with control mice, maternal immune inflammation (MIA) offspring display increased neural activity of the dysgranular zone of the primary somatosensory cortex of the brain (S1DZ), which is manifested as (1) an increase in the number of FOS+ neurons and (2) higher firing rates of neurons of the S1DZ. This neural hyperactivity induces a sociability deficit in mice.
(B) LPS injection increases IL-17 levels systemically, which reaches the brain and binds its receptor, IL17RA, on the surface of S1DZ cortical neurons, bringing neural activity down to normal levels, which translates into a temporal rescue in sociability.
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