Russian Journal of PhysiologyRussian Journal of PhysiologyРоссийский физиологический журнал им. И.М. Сеченова0869-81392658-655XThe Russian Academy of Sciences65152810.31857/S086981392309008XOROECOEXPERIMENTAL ARTICLESЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИThe Na+/K+-ATPase Inhibitor Ouabain Has Different Effects on the Electrophysiological Properties of Excitatory and Inhibitory Neurons in the Entorhinal Cortex EИнгибитор Na+/K+-АТФазы уабаин по-разному влияет на электрофизиологические характеристики возбуждающих и тормозных нейронов энторинальной корыProskurinaE. Yu.ПроскуринаЕ. Ю.elena.yu.proskurina@gmail.comSinyakD. S.СинякД. С.elena.yu.proskurina@gmail.comZaitsevA. V.ЗайцевА. В.elena.yu.proskurina@gmail.comAlmazov National Medical Research CentreНациональный медицинский исследовательский центр им. В.А. Алмазова Минздрава РоссииSechenov Institute of Evolutionary Physiology and Biochemistry of RASИнститут эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН0109202310991247126001022025Copyright ©; 2023, Е.Ю. Проскурина, Д.С. Синяк, А.В. ЗайцевCopyright ©; 2023, Е.Ю. Проскурина, Д.С. Синяк, А.В. Зайцев2023Е.Ю. Проскурина, Д.С. Синяк, А.В. ЗайцевЕ.Ю. Проскурина, Д.С. Синяк, А.В. Зайцевhttps://transsyst.ru/0869-8139/article/view/651528

Na+/K+-ATPase maintains the neuron’s resting potential and the transmembrane gradient of K+ and Na+ cations, thus regulating ion transport and cellular volume. Mutations in Na+/K+-ATPase genes that impair its function can cause significant impairments in the nervous system function, including the development of epilepsy, if not lethal. Different forms of Na+/K+-ATPase are expressed in various classes of neurons and exhibit different characteristics. Thus, the impaired function of Na+/K+-ATPase may differentially affect the functioning of inhibitory and excitatory neurons. This study aims to determine the effects of the Na+/K+-ATPase antagonist ouabain on the electrophysiological characteristics of pyramidal cells and fast-spiking interneurons, as well as its impact on synaptic transmission. The results indicate that exposure to 5 µM ouabain results in depolarization of the resting membrane potential by 5 mV, as well as decreased amplitude and increased duration of the action potential of pyramidal neurons. Furthermore, ouabain caused a decrease in the amplitude of afterhyperpolarization in fast-spiking i-nterneurons. Moreover, both types of neurons exhibited a decrease in the threshold of action potential generation and the current at which depolarization block occurs. The addition of ouabain did not alter other electrophysiological characteristics of neurons. Furthermore, ouabain rapidly attenuates GABAergic transmission without affecting e-xcitatory synaptic transmission. These new findings on the effects of ouabain on excitatory pyramidal neurons and inhibitory interneurons contribute to the understanding of the mechanism underlying changes in the balance of excitation and inhibition in neural networks under Na+/K+-ATPase function impairment.

Na+/K+-АТФаза обеспечивает поддержание потенциала покоя в нейроне и трансмембранного градиента катионов K+ и Na+, воздействуя таким образом на ионный транспорт и регулируя клеточный объем. Мутации генов Na+/K+-АТФазы, ослабляющие ее функционирование, если не являются летальными, могут приводить к существенным нарушениям функционирования нервной системы, в том числе к развитию эпилепсии. В разных классах нейронов экспрессируются различные формы Na+/K+-АТФазы, различающиеся по своим характеристикам. Поэтому ослабление функций Na+/K+-АТФазы может по-разному сказываться на функционировании тормозных и возбуждающих нейронов. В данной работе мы исследовали, какие электрофизиологические характеристики пирамидных клеток и быстроразряжающихся интернейронов изменяются под действием антагониста Na+/K+-АТФазы уабаина и как он влияет на синаптическую передачу. Мы выявили, что 5 мкМ уабаина деполяризует мембранный потенциал покоя обоих типов нейронов, уменьшает амплитуду и увеличивает длительность потенциала действия пирамидных нейронов. У быстроразряжающихся интернейронов уабаин уменьшал амплитуду следовой гиперполяризации. У обоих типов нейронов понижался порог генерации потенциала действия и ток, при котором возникает деполяризационный блок. Прочие электрофизиологические характеристики нейронов не менялись при добавлении уабаина. Кроме того, уабаин приводил к быстрому ослаблению ГАМКергической передачи, при этом на возбуждающую синаптическую передачу он не оказывал влияния. Эти новые данные об эффектах действия уабаина на возбуждающие пирамидные нейроны и тормозные интернейроны помогают лучше понять механизм изменения баланса возбуждения и торможения в нервных сетях при ослаблении функций Na+/K+-АТФазы.

ouabainNa+/K+-ATPaseentorhinal cortexpyramidal neuronsfast-spiking interneuronsaction potentialуабаинNa+/K+-АТФазаэнторинальная корапирамидные клеткибыстроразряжающиеся интернейроныпотенциал действияВсе применимые международные, национальные и/или институциональные принципы ухода и использования животных были соблюдены. Все процедуры, выполненные в исследованиях с участием животных, соответствовали этическим стандартам, утвержденным правовыми актами РФ, принципам Базельской декларации и рекомендациям Комитета по биоэтике Института эволюционной физиологии и биохимии им. И.М. Сеченова РАН.Pietrini G, Matteoli M, Banker G, Caplan MJ (1992) Isoforms of the Na,K-ATPase are present in both axons and dendrites of hippocampal neurons in culture. Proc Natl Acad Sci U S A 89: 8414–8418. https://doi.org/10.1073/pnas.89.18.8414Boldyrev AA (1993) Functional activity of Na+, K+-pump in normal and pathological tissues. Mol Chem Neuropathol 19: 83–93. https://doi.org/10.1007/BF03160170Kaplan JH (2002) Biochemistry of Na,K-ATPase. Annu Rev Biochem 71: 511–535. https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.71.102201.141218Clausen MV, Hilbers F, Poulsen H (2017) The structure and function of the Na,K-ATPase isoforms in health and disease. Front Physiol 8. https://doi.org/10.3389/fphys.2017.00371Juhaszova M, Blaustein MP (1997) Na+ pump low and high ouabain affinity α subunit isoforms are differently distributed in cells. Proc Natl Acad Sci U S A 94: 1800–1805. https://doi.org/10.1073/pnas.94.5.1800Berrebi-Bertrand I, Maixent JM, Christe G, Lelièvre LG (1990) Two active Na+/K+-ATPases of high affinity for ouabain in adult rat brain membranes. Biochim Biophys Acta 1021: 148–156. https://doi.org/10.1016/0005-2736(90)90027-lZahler R, Zhang Z-T, Manor M, Boron WF (1997) Sodium Kinetics of Na,K-ATPase α Isoforms in Intact Transfected HeLa Cells. J Gen Physiol 110: 201–213. https://doi.org/10.1085/jgp.110.2.201Crambert G, Hasler U, Beggah AT, Yu C, Modyanov NN, Horisberger JD, Lelièvre L, Geering K (2000) Transport and pharmacological properties of nine different human Na,K-ATPase isozymes. J Biol Chem 275: 1976–1986. https://doi.org/10.1074/jbc.275.3.1976Dobretsov M, Hayar A, Kockara NT, Kozhemyakin M, Light KE, Patyal P, Pierce DR, Wight PA (2019) A Transgenic Mouse Model to Selectively Identify α3 Na,K-ATPase Expressing Cells in the Nervous System. Neuroscience 398: 274–294. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2018.07.018Dobretsov M, Stimers JR (2005) Neuronal function and alpha3 isoform of the Na/K-ATPase. Front Biosci 10: 2373–2396. https://doi.org/10.2741/1704Vanmolkot KRJ, Kors EE, Hottenga J-J, Terwindt GM, Haan J, Hoefnagels WAJ, Black DF, Sandkuijl LA, Frants RR, Ferrari MD, Ferrari MD, Van den Maagdenberg AMJM (2003) Novel mutations in the Na+,K+-ATPase pump gene ATP1A2 associated with familial hemiplegic migraine and benign familial infantile convulsions. Ann Neurol 54: 360–366. https://doi.org/10.1002/ana.10674Ishihara N, Inagaki H, Miyake M, Kawamura Y, Yoshikawa T, Kurahashi H (2019) A case of early onset life-threatening epilepsy associated with a novel ATP1A3 gene variant. Brain Dev 41: 285–291. https://doi.org/10.1016/j.braindev.2018.10.008de Lores Arnaiz GR, Ordieres MGL (2014) Brain Na+,K+-ATPase Activity In Aging and Disease. Int J Biomed Sci 10: 85–102.Clapcote SJ, Duffy S, Xie G, Kirshenbaum G, Bechard AR, Schack VR, Petersen J, Sinai L, Saab BJ, Lerch JP, Vilsen B, Roder JC (2009) Mutation I810N in the α3 isoform of Na+,K +-ATPase causes impairments in the sodium pump and hyperexcitability in the CNS. Proc Natl Acad Sci U S A 106: 14085–14090. https://doi.org/10.1073/pnas.0904817106Anderson TR, Huguenard JR, Prince DA (2010) Differential effects of Na+-K+-ATPase blockade on cortical layer V neurons. J Physiol 588: 4401–4414. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2010.191858Zhang D, Hou Q, Wang M, Lin A, Jarzylo L, Navis A, Raissi A, Liu F, Man H-Y (2009) Na,K-ATPase activity regulates AMPA receptor turnover through proteasome-mediated proteolysis. J Neurosci 29: 4498–4511. https://doi.org/10.1523/JNEUROSCI.6094-08.2009Proskurina EY, Zaitsev AV (2021) Photostimulation activates fast-spiking interneurons and pyramidal cells in the entorhinal cortex of Thy1-ChR2-YFP line 18 mice. Biochem Biophys Res Commun 580: 87–92. https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2021.10.002Smirnova EY, Amakhin DV, Malkin SL, Chizhov AV, Zaitsev AV (2018) Acute Changes in Electrophysiological Properties of Cortical Regular-Spiking Cells Following Seizures in a Rat Lithium–Pilocarpine Model. Neuroscience 379: 202–215. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2018.03.020Therien AG, Blostein R (2000) Mechanisms of sodium pump regulation. Am J Physiol Cell Physiol 279. https://doi.org/10.1152/ajpcell.2000.279.3.c541Silva E, Soares-da-Silva P (2012) New insights into the regulation of Na+,K+-ATPase by ouabain. Int Rev Cell Mol Biol 294: 99–132. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-394305-7.00002-1Jiao S, Johnson K, Moreno C, Yano S, Holmgren M (2022) Comparative description of the mRNA expression profile of Na+/K+-ATPase isoforms in adult mouse nervous system. J Compar Neurol 530: 627–647. https://doi.org/10.1002/cne.25234Richards KS, Bommert K, Szabo G, Miles R (2007) Differential expression of Na+/K+-ATPase alpha-subunits in mouse hippocampal interneurones and pyramidal cells. J Physiol 585: 491–505. https://doi.org/10.1113/jphysiol.2007.144733Murata K, Kinoshita T, Ishikawa T, Kuroda K, Hoshi M, Fukazawa Y (2020) Region- and neuronal-subtype-specific expression of Na,K-ATPase alpha and beta subunit isoforms in the mouse brain. J Comp Neurol 528: 2654–2678. https://doi.org/10.1002/cne.24924Hu H, Gan J, Jonas P (2014) Interneurons. Fast-spiking, parvalbumin+ GABAergic interneurons: from cellular design to microcircuit function. Science 345: 1255263. https://doi.org/10.1126/science.1255263Zaitsev AV, Povysheva NV, Gonzalez-Burgos G, Rotaru D, Fish KN, Krimer LS, Lewis DA (2009) Interneuron Diversity in Layers 2–3 of Monkey Prefrontal Cortex. Cerebr Cortex 19: 1597–1615. https://doi.org/10.1093/cercor/bhn198Proskurina EY, Chizhov AV, Zaitsev AV (2022) Optogenetic Low-Frequency Stimulation of Principal Neurons, but Not Parvalbumin-Positive Interneurons, Prevents Generation of Ictal Discharges in Rodent Entorhinal Cortex in an In Vitro 4-Aminopyridine Model. Int J Mol Sci 24: 195. https://doi.org/10.3390/ijms24010195McCarren M, Alger BE (1987) Sodium-potassium pump inhibitors increase neuronal excitability in the rat hippocampal slice: Role of a Ca2+-dependent conductance. J Neurophysiol 57: 496–509. https://doi.org/10.1152/jn.1987.57.2.496Pivovarov AS, Calahorro F, Walker RJ (2018) Na+/K+-pump and neurotransmitter membrane receptors. Invert Neurosci 19: 1. https://doi.org/10.1007/s10158-018-0221-7Blaustein MP, Juhaszova M, Golovina VA, Church PJ, Stanley EF (2002) Na/Ca exchanger and PMCA localization in neurons and astrocytes: functional implications. Ann N Y Acad Sci 976: 356–366. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.2002.tb04762.xSudhof TC (2004) The synaptic vesicle cycle. Annu Rev Neurosci 27: 509–547. https://doi.org/10.1146/annurev.neuro.26.041002.131412Chizhov AV, Zefirov AV, Amakhin DV, Smirnova EYu, Zaitsev AV (2018) Minimal model of interictal and ictal discharges “Epileptor-2.” PLoS Comput Biol 14: e1006186. https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1006186