Electrophysiological mechanisms underlying Zn2+ -enhanced excitability of dopamine neurons in rat substantia nigra

Abstract

Zinc in extracellular fluid is suggested to play important roles in modifying cellular excitability as either neurotransmitter or channel modulator. In substantia nigra, the zinc level is known higher in Parkinsonian brains than that in normal brains. However, the effect of zinc ions (Zn2^+) on the neuronal excitability of dopaminergic neurons in rat substantia nigra (SN) has not been elucidated. In this study, the effect of Zn2^+ on intrinsic electrical properties of SN dopaminergic neurons was examined and its underlying mechanisms were found. At first, I conducted a current clamp recording in order to find the effect of Zn2^+ on the activities of dissociated SN dopaminergic neurons. Zn2^+ hyperpolarized SN dopaminergic neurons at resting state. Also Zn2^+ increased the excitability; Zn2^+ shortened the duration of evoked spikes, developed a fast after-hyperpolarization, and increased their firing frequency. To determine which intrinsic cellular mechanisms underlie the action of Zn2^+, I examined the effect of Zn2^+ on membrane properties of using a whole-cell voltage-clamp method. Zn2^+ did not affect the TTX-sensitive inward currents, whereas Zn2^+ greatly influenced the transient and the sustained outward currents. The transient outward K^+ currents (IA) can control the cell excitability profile, caused by induction and maintenance of repolarization of action potential. Zn2^+ significantly altered the activities of IA. Zn2^+ either decreased or increased IA depending on membrane potentials. At hyperpolarized membrane potentials, Zn2^+ decreased IA, which resulted from the rightward shift of voltage dependence of inactivation. At physiological resting potentials, Zn2^+ increased IA, which was mainly due to the slowness of activation kinetics and the shift of voltage dependence of activation in the right direction. Especially, the potentiation of IA around ?55 mV by Zn2^+ probably is the underlying mechanism for the diminution of spike duration, which was one of the alterations of the excitability by Zn2^+. In SN dopaminergic neurons, there are two-type sustained outward currents; Ca^2+ -sensitive and Ca^2+ -insensitive K^+ currents. Among them, Ca^2+ -sensitive K^+ currents have an important role in the regulation of interspike intervals. I used a single channel recording technique to examine the direct effect of Zn2^+ on Ca^2+ -activated K^+ currents. In dissociated SN neuron, a large-conductance Ca^2+ -activated K^+ channel (130 pS) was found, and which were not sensitive to apamin. Zn2^+ did not significantly affect the Ca^2+ -activated K^+ currents. Meanwhile, Zn2^+ secondarily was supposed to influence the Ca^2+ -activated K^+ currents by the reduction of Ca^2+ influx through the voltage-gated Ca^2+ channels. The decrease of the Ca^2+ -activated K^+ currents might have an important role in the increase of the firing frequency in SN dopaminergic neurons by Zn2^+. Zn2^+ also affected the activities of other ionic channels. Ca^2+ -insensitive K^+ currents were divided into two components; TEA-sensitive and resistant. Zn2^+ enhanced TEA-resistant currents more than TEA-sensitive currents. The increase of Ca^2+ -insensitive K^+ currents was due to the increase of the inactivation kinetics but not the shift of the voltage dependence. Zn2^+ might help the fast repolarization through the enhancement of Ca^2+ -insensitive K^+ currents. Inward rectifying K^+ current was also influenced by Zn2^+. Its modulation by Zn2^+ can play a role in controlling the membrane potentials. Its mechanism needs the further study. Zn2^+ increased the excitability of SN dopaminergic neurons through the direct or indirect modulations of the various ionic channels; IA, Ca^2+ -sensitive and Ca^2+ -insensitive sustained K^+ -currents, and inward rectifying K^+ currents. The potentiation of the excitability by Zn2^+ seemed to transform the firing pattern from tonic to bursting mode. The bursting mode is more efficient to release dopamine than tonic mode. Therefore, I suggested, Zn2^+ improve the dopamine processing in the circuit of basal ganglia, through the modification of the excitability in SN dopaminergic neurons. ; 세포 외액에 존재하는 아연은 신경전달 물질 혹은 이온 통로 조절 물질로 작용하여, 세포의 활성을 변화시키는 중요한 역할을 하리라 생각된다. 흑질에서는 아연의 양이 보통 뇌보다 파킨슨씨 병에 걸린 뇌에서 높게 나타났다. 그러나 쥐의 흑질에 존재하는 도파민성 신경 세포의 활성이 이러한 아연에 의해 어떻게 변화되는지에 대해서는 밝혀진 바가 거의 없었다. 본 실험에서는 아연이 흑질의 도파민성 세포의 내재적 활성에 미치는 영향과 그 아래 깔려있는 메커니즘을 연구하였다. 우선 본 실험자는 한 개의 독립된 세포로 분리한 흑질의 도파민성 세포의 활성이 아연에 의해 어떻게 변화하는지를 직접 알아 보기 위해 자극에 따른 세포 전압의 변화를 측정해 보았다. 아연은 흑질의 도파민성 세포를 휴지기 상태보다 더 과분극 되게 만들었다. 또한 아연은 세포의 활성을 눈에 띄게 증가 시켰다. 즉, 아연은 세포의 단일한 활동 전위의 폭을 감소시켰고, 활동 전위 후의 과분극 현상을 강화시켰으며, 활동 전위의 발생수를 증가시켰다. 아연의 작용에 대한 메커니즘을 알아보기 위해 자극에 의해 세포막을 통해 이동하는 이온의 흐름을 조사해 보았다. 아연은 TTX에 민감한 세포 내향적 이온 통로와는 뚜렷한 관계를 가지고 있지 않은 반면, 외향적 이온 통로에는 커다란 영향을 미쳤다. 빠르게 활성화 되었다가 뒤이어 바로 불활성화가 되는 외향적 이온 통로 (IA) 가 있는데, 이러한 IA는 세포의 활동 전위 발생 후 만들어지는 과분극을 유발하거나, 유지하여서 세포의 활성을 조절하는 중요한 역할을 한다. 아연은 특히 IA의 활성을 크게 바꾼다. 아연은 세포막 전위에 따라 IA를 증감시키는 효과를 가져온다. 과분극 상태에서 아연은 불활성화 문의 전위 의존도를 오른쪽으로 이동시킴으로 IA를 감소시킨다. 생리학적 휴지기 전위에서 아연은 IA의 활성화 문의 작동 속도를 늦추거나, 활성화 문의 전위 의존도를 비록 약하지만 오른쪽으로 이동 시키는 방법을 통해 IA를 감소시킨다. -55mV 주변에서의 아연에 의한 IA의 증가는 아마도 아연에 의해 활성화가 변화하는 것들 중 특히 활동 전위의 폭을 줄이는 것과 밀접한 관계가 있으리라 생각된다. 흑질의 도파민성 세포에는 두 종류의 지속성 외향적 이온 (K^+) 통로가 존재한다. 즉, 이온 통로의 활성이 세포 내 Ca^2+에 의존적인 것과 그렇지 않은 것이 있다. 이들 중에서, Ca^2+에 의존적인 K^+의 흐름은 활동 전위와 활동 전위 사이의 간격을 조절하는 중요한 역할을 한다. 그래서 본 실험자는 아연이 Ca^2+에 의존적인 K^+ 이온 통로에 직접적으로 어떠한 여향을 미치는지 조사하기 위해 단일 이온 통로를 통한 이온의 흐름을 조사해 보기로 하였다. 단일 세포로 분리한 흑질 세포에서는 130pS의 이온 통로가 얻어졌고, 이러한 이온 통로는 아파민에 의해 반응을 보이지 않았다. 아연은 Ca^2+ 의존적인 K^+ 이온 통로에 직접적인 영향을 주지도 않았다. 반면 아연은 전위차에 민감하게 반응하는 Ca^2+ 이온 통로의 문을 막음으로, 세포 내로 유입되는 Ca^2+의 양을 줄여서 이차적으로 Ca^2+ 의존적인 K^+ 이온 통로에 영향을 주는 것이라 예상된다. 결국 이러한 이온 통오의 감소는 흑질의 도파민성 세포의 활동 전위간의 간격을 좁히는데 기여하게 될 것이다. 아연은 그 외의 다양한 이온 통로에도 영향을 미친다. Ca^2+에 비의존적인 지속성 K^+ 이온 통로는 크게 TEA에 의해 감소되는 것과 그렇지 않은 것으로 나누는데, 특히 아연은 TEA에 둔감한 지속성 이온 통로의 활성을 증가 시킨다. 이러한 증가는 아연에 의해 이온 통로의 불활성화 문이 닫히는 것이 느려짐으로 생겨난다. 아연은 이처럼 Ca^2+에 비의존적인 이온 통로를 통한 이온의 흐름을 증가시킴으로 세포가 활동전위 발생 후 빠르고 크게 발생하는 과분극을 도우리라 생각된다. 또한 내향적 K^+ 이온 통로도 역시 아연의 영향을 받는데, 이러한 이온 통로의 활성 변화는 세포막 전위 변화에 중요한 작용을 할 것이다. 이러한 메커니즘에 대해서는 좀더 깊은 연구가 계속 될 필요가 있다. 아연은 흑질의 도파민성 세포의 막에 존재하는 다양한 이온 통로들(IA, Ca^2+ 의존적 혹은 비의존적 지속성 K^+ 이온 통로, 혹은 내향적 K^+ 이온통로)의 활성을 직접 혹은 간접적으로 변화시킨다. 아연에 의한 세포의 활성 강화는 단순한 흥분성의 증가라기 보다는 활성화 방식의 변화라고 보여진다. 즉, 활동 전위가 어우러져서 만들어 내는 활동 전위의 유형이 달라짐을 의미하는데, 아연은 규칙적으로 비교적 긴 시간 동안 활동전위가 발생하는 유형(강직성 활동 전위)에서 짧은 시간 동안 맹렬히 활동 전위를 만드는 방식(폭발적 활동 전위)으로 세포의 활성 변화를 유발한다고 생각된다. 강직성의 활동 전위 보다는 폭발적 활동 전위가 도파민을 분비하는데 유리하다. 결국 아연은 흑질의 도파민성 세포의 활성을 증가시켜서 대뇌기저핵 내의 도파민 신호 전달을 용이하게 만드는 게 아닐까 생각해 본다.