Impact of Interferon-γ on neocortical inhibition

Abstract

IFN-γ is a pro-inflammatory cytokine with wide-ranging properties from host defense and suppression of tumor growth to alteration of brain function. While low levels of IFN-γ in the CNS are essential for normal social behavior, many CNS diseases including infection, epilepsy, stroke and depression go along with elevated levels of IFN-γ. In addition, therapeutically applied recombinant IFN-γ leads to frequent CNS related adverse effects as headache and fatigue and IFN-γ rises in infectious disease have been associated to sickness behavior. Previous studies on neocortical pyramidal neurons demonstrated corresponding effects of type I IFNs and IFN-γ upon the hyperpolarization activated cation current Ih but deviating effects upon neuronal excitability. Therefore, we here investigated whether acutely (20 - 45 min) elevated levels of IFN-γ (1.000 IU / ml) alter perisomatic inhibition in layer 5 pyramidal neurons in the primary somatosensory neocortex of late juvenile male Wistar rats. By analysis of evoked, spontaneous, and miniature inhibitory postsynaptic currents, we revealed that elevated levels of IFN-γ indeed augment neocortical inhibition. The strengthening of inhibition is mediated at the postsynapse, as supported by unaltered paired pulse ratios and increased inhibitory postsynaptic current amplitudes in response to pressure applied GABA. We found that the underlying mechanism of effect encloses a markable increase in synaptic GABAAR number, as demonstrated by peak-scaled non-stationary noise analysis of mIPSCs and GABAAR γ2 subunit biotinylation. Changes in GABAAR single channel properties or decreased intracellular chloride levels unlikely contributed to the observed IFN-γ effect, since we could not find alterations in single channel currents of GABAARs recorded in cell-attached mode, GABAAR driving force and in fluorescence lifetime imaging of intracellular chloride. The pro-inhibitory effect of IFN-γ depends on functional protein kinase C (PKC), but not phosphoinositide 3-kinases, as shown by blocker experiments using Wortmannin and Calphostin C and increased serine phosphorylation of PKC motifs at GABAAR γ2 subunits. The persistence of augmented inhibition due to acutely elevated IFN-γ in female and adult rats indicates that the effect is not sex dependent or restricted to late juvenile age. Our results provide a molecular basis for further research on behavioral effects of pronounced IFN-γ release and its underlying mechanisms. Moreover, they can contribute to the pathophysiological understanding of numerous CNS diseases and provide a link to future research on novel therapeutical approaches.

IFN-γ ist ein proinflammatorisches Zytokin, das nicht nur der Wirtsabwehr und der endogenen Tumorkontrolle dient, sondern auch die Gehirnfunktion beeinflusst. Während niedrige IFN-γ-Spiegel im ZNS essenziell für normales Sozialverhalten sind, gehen ZNS-Erkrankungen wie Infektionen, Epilepsie, Schlaganfall und Depression mit erhöhten IFN-γ-Spiegeln einher. Darüber hinaus führt die Therapie mit rekombinantem IFN-γ häufig zu ZNS-bezogenen Nebenwirkungen wie Kopfschmerzen und Müdigkeit, und IFN-γ-Anstiege im Rahmen von Infektionen wurden mit sickness behavior assoziiert. Frühere Studien an neokortikalen Pyramidenzellen haben gezeigt, dass Typ-I-Interferone und IFN-γ den durch Hyperpolarisation aktivierten Kationenstrom Ih gleichsam reduzieren, dass aber ihre Auswirkungen auf die neuronale Erregbarkeit voneinander abweichen. Daran anknüpfend haben wir untersucht, ob kurzfristig (20 - 45 min) erhöhte IFN-γ-Spiegel (1.000 IU / ml), die Inhibition von Pyramidenzellen der Schicht 5 im primären somatosensorischen Neokortex von spät juvenilen männlichen Wistar-Ratten verändern. Durch Analyse von elektrisch evozierten sowie spontanen und miniatur inhibitorischen postsynaptischen Strömen (e/s/m IPSCs) zeigten wir, dass erhöhte IFN-γ-Spiegel zu einer Verstärkung der Inhibition führen. Diese Verstärkung wird, entsprechend unveränderten paired pulse ratios und einem Amplitudenanstieg von IPSCs nach Präsynapsen-unabhängiger GABA-Applikation, über die Postsynapse vermittelt. Der zugrundeliegende Wirkmechanismus beinhaltet einen deutlichen Anstieg der synaptischen GABAA-Rezeptoranzahl. Dies konnten wir mittels peak-scaled nicht-stationärer Noiseanalyse von mIPSCs und der Biotinylierung von GABAAR γ2 Untereinheiten zeigen. Veränderungen der GABAAR-Einzelkanaleigenschaften oder verringerte intrazelluläre Chloridspiegel trugen wahrscheinlich nicht zu der beobachteten IFN-γ-Wirkung bei, da wir keine Veränderungen der cell-attached aufgenommenen GABAAR-Einzelkanalströme, der GABAAR driving force und in der Fluoreszenzlebensdauer-Mikroskopie von intrazellulärem Chlorid feststellen konnten. Der pro-inhibitorische Effekt von IFN-γ hängt von einer funktionierenden Proteinkinase C (PKC), nicht aber Phosphoinositid-3-Kinasen ab, wie Blockerexperimente mit Wortmannin und Calphostin C sowie ein Anstieg der Serinphosphorylierungen von PKC-Motiven an GABAAR γ2 Untereinheiten zeigten. Die Tatsache, dass die neokortikale Inhibition auch bei weiblichen und erwachsenen Ratten verstärkt wird, weist darauf hin, dass der Effekt nicht geschlechtsabhängig oder auf das spät juvenile Alter beschränkt ist. Unsere Ergebnisse bieten eine molekulare Grundlage für die weitere Erforschung verhaltensverändernder IFN-γ-Wirkungen und ihrer zugrundeliegenden Mechanismen. Darüber hinaus können sie beim Verständnis der Pathophysiologie zahlreicher ZNS-Erkrankungen helfen und einen Anknüpfungspunkt für die zukünftige Erforschung neuer Therapieansätze bieten.