GABA受容体を持つミクログリアは抑制性シナプスを剪定する

ミクログリアが神経シナプスの剪定を行い、シナプスの再編や可塑性に重要な役割を果たしている事は周知の事実ですが、

その働きについては主に興奮性シナプスについて研究されてきました ^{[1, 2]}。

ただ、最近明らかになってきたように、ミクログリアには非常に広い多様性があり、それぞれのサブタイプによって働きが大きく異なります ^{[3, 4]}。

今回、アメリカ・ハーバード大学の Dr. Fishell らの研究グループは、ミクログリアの中でも特に GABA受容体を持つミクログリアが、抑制性ニューロンのシナプス剪定を行っている事を報告しました ^[5]。

GABA受容体を持つミクログリアは抑制性シナプスを剪定する

ミクログリアを除去するとニューロンのシナプス剪定が阻害される

著者らは初めに、生後２週間の新生児マウスのミクログリアを PLX5622 (colony-stimulating factor 1 receptor 阻害薬) でミクログリアを除去し、体性感覚野 (S1) を調べました。

すると、ミクログリア除去により、興奮性ニューロン上の、paralbumin (PV) + 抑制性シナプスの数が増えていました。

実際にミクログリアが抑制性シナプスの剪定に関与するのか調べるため、

Cx3cr1^GFP/+ マウスに、PV特異的エンハンサー下に synaptophisin-tdTomato を発現させた AAV ベクターを接種し、

ミクログリアと抑制性シナプスの両方を可視化できるマウスを作製しました。

すると、GFP+ ミクログリアは、抑制性シナプスにより多く接触しており、シナプス剪定に関与している可能性が示唆されました。

また、低PH耐性の蛍光標識で確認したところ、剪定された抑制性シナプスがミクログリアのリソソーム内に取り込まれる様子が観察されました。

GABA受容体を持つミクログリアが抑制性シナプスの剪定に関与

一連の観察で著者らは、同じミクログリアでもある一定の数のミクログリアが抑制性シナプスにコンタクトしている事に気づきました。

どんな特徴を持つミクログリアが PV+ボタンを貪食しているのかについて、候補として挙がってきたのが、GABA-GABA_B 受容体の有無でした。

ミクログリアの中で特定のサブセットが GABA_B 受容体を発現しており、この GABA_B 受容体を除去すると、同ミクログリアの反応性等が変化することが報告されています ^{[6, 7]}。

GABA_B 反応性には Gabbr1 と Gabbr2 が必要ですが、著者らは single molecule fluorescent in situ hybridization (smFISH) で、全ミクログリア中 50% が Gabbr1 を発現し、そのうちの半分 (つまり全体の 25%) が Garrbr2 を発現している事を確認しました。

PV+ボタンを貪食するミクログリアの多くは、この Gabbr2 を発現するミクログリア達でした。

一方で、VGlut2+ の興奮性シナプスは Gabbr2 を発現していないミクログリアで貪食されていました。

GABA_B1 受容体を欠失すると、ミクログリアの抑制性シナプス剪定が阻害される

この GABA_B 受容体を欠失するとどうなるか調べるため、

著者らは、ミクログリア特異的に GABA_B1受容体を欠失した、２種類のコンディショナルノックアウト (cKO) マウスを作製しました。

• Cx3cr1^cre/+; GABA_B1R^fl/fl
• Tmem119^CreER/+; GABA_B1R^fl/fl

すると、これらの cKO マウスでは、PV+ の抑制性シナプス特異的にシナプス剪定が障害されました。

RNAシークエンスでミクログリアのプロファイルを確認したところ、GABA受容体を発現していたミクログリアのみプロファイルが変化していました。

ミクログリアの GABA_B1 受容体を欠失すると行動異常がおこる

最後に著者らは、２つの cKO マウスの全体的な動きを motion sequencing (MoSeq) で観察しました。

cKO マウス達は、野生型と比較して、走ったりジャンプしたりという動きや、空間探索行動などの程度が少なくなっていました。

以上の結果から、新生児期には GABA_B1 を持つ特定のサブセットのミクログリアが興奮性ニューロンの抑制性シナプス剪定を行い、

高次機能形成に関与する可能性が示唆されました。

My View

ミクログリアは多様性がすごいなーといつも思いますが、今回は、GABA_B1 受容体を持つ特定のサブセットのミクログリアが選択的に抑制性シナプスの剪定を行っているというお話でした。

GABA_B1 受容体を欠失させるとこの機能が障害され、抑制性シナプスが多くなって、マウスはおとなしめになるようです。

自閉症、統合失調症、注意欠陥・多動性障害 (attention deficit/hyperactivity disorder, ADHD) 、双極性障害などの神経精神疾患の患者さん達の脳内では、 新生児期のシナプス剪定異常が関与している可能性が報告されており ^[8]、

これらのメカニズムや治療法を探る上で、今回の研究は重要な役割を持つんじゃないかと思いました。

例えば ADHD の患者さんは過活動を特徴とし、脳内の新皮質で抑制系の働きが悪くなっているという報告 ^[9] もありましたが、

もしかしたら新生児期になんらかの原因で GABA受容体＋のミクログリアが余計に抑制性シナプスの剪定を行い、過活動になった方もいるかもしれません（現時点では推測の域をでませんが）。

実験結果でちょっと気になったのは、抑制性シナプスは GABA＋ミクログリアと多くコンタクトをとっていましたが、それ以外のミクログリアともある程度接触しているみたい、という事。

今回明らかになったサブセット以外にも抑制性シナプス剪定を行う特定のミクログリア達がいそうだなー、と思いました。

続報を期待しています。

References

1. Paolicelli RC, Bolasco G, Pagani F, Maggi L, Scianni M, Panzanelli P, Giustetto M, Ferreira TA, Guiducci E, Dumas L, Ragozzino D, Gross CT. Synaptic pruning by microglia is necessary for normal brain development. Science. 2011 Sep 9;333(6048):1456-8. doi: 10.1126/science.1202529.Epub 2011 Jul 21. PMID: 21778362.
2. Schafer DP, Lehrman EK, Kautzman AG, Koyama R, Mardinly AR, Yamasaki R, Ransohoff RM, Greenberg ME, Barres BA, Stevens B. Microglia sculpt postnatal neural circuits in an activity and complement-dependent manner. Neuron. 2012 May 24;74(4):691-705. doi: 10.1016/j.neuron.2012.03.026. PMID: 22632727; PMCID: PMC3528177.
3. Hammond TR, Dufort C, Dissing-Olesen L, Giera S, Young A, Wysoker A, Walker AJ, Gergits F, Segel M, Nemesh J, Marsh SE, Saunders A, Macosko E, Ginhoux F, Chen J, Franklin RJM, Piao X, McCarroll SA, Stevens B. Single-Cell RNA Sequencing of Microglia throughout the Mouse Lifespan and in the Injured Brain Reveals Complex Cell-State Changes. Immunity. 2019 Jan 15;50(1):253-271.e6. doi: 10.1016/j.immuni.2018.11.004.Epub 2018 Nov 21. PMID: 30471926; PMCID: PMC6655561.
4. Deczkowska A, Keren-Shaul H, Weiner A, Colonna M, Schwartz M, Amit I. Disease-Associated Microglia: A Universal Immune Sensor of Neurodegeneration. Cell. 2018 May 17;173(5):1073-1081. doi: 10.1016/j.cell.2018.05.003. PMID: 29775591.
5. Favuzzi E, Huang S, Saldi GA, Binan L, Ibrahim LA, Fernández-Otero M, Cao Y, Zeine A, Sefah A, Zheng K, Xu Q, Khlestova E, Farhi SL, Bonneau R, Datta SR, Stevens B, Fishell G. GABA-receptive microglia selectively sculpt developing inhibitory circuits. Cell. 2021 Jul 22;184(15):4048-4063.e32. doi: 10.1016/j.cell.2021.06.018.Epub 2021 Jul 6. PMID: 34233165.
6. Kuhn SA, van Landeghem FK, Zacharias R, Färber K, Rappert A, Pavlovic S, Hoffmann A, Nolte C, Kettenmann H. Microglia express GABA(B) receptors to modulate interleukin release. Mol Cell Neurosci. 2004 Feb;25(2):312-22. doi: 10.1016/j.mcn.2003.10.023. PMID: 15019947.
7. Fontainhas AM, Wang M, Liang KJ, Chen S, Mettu P, Damani M, Fariss RN, Li W, Wong WT. Microglial morphology and dynamic behavior is regulated by ionotropic glutamatergic and GABAergic neurotransmission. PLoS One. 2011 Jan 25;6(1):e15973. doi: 10.1371/journal.pone.0015973. PMID: 21283568; PMCID: PMC3026789.
8. Eltokhi A, Janmaat IE, Genedi M, Haarman BCM, Sommer IEC. Dysregulation of synaptic pruning as a possible link between intestinal microbiota dysbiosis and neuropsychiatric disorders. J Neurosci Res. 2020 Jul;98(7):1335-1369. doi: 10.1002/jnr.24616.Epub 2020 Apr 2. PMID: 32239720.
9. Edden RA, Crocetti D, Zhu H, Gilbert DL, Mostofsky SH. Reduced GABA concentration in attention-deficit/hyperactivity disorder. Arch Gen Psychiatry. 2012 Jul;69(7):750-3. doi: 10.1001/archgenpsychiatry.2011.2280. PMID: 22752239; PMCID: PMC3970207.