Effect of Calpain Inhibitors on $Ca^{2+}-Induced$ Suppression of Neurite Outgrowth in Isolated Hippocampal Pyramidal Neurons

해마추상체 신경세포에서 칼슘에 의한 신경섬유 성장억제에 대한 칼파인 억제제의 영향

$Ca^{2+}$ is an important regulator of neurite elongation and growth cone movements but the mechanism(s) mediating these $Ca^{2+}-dependent$ effects is unclear. Since cytoskeletal proteins are rapidly degraded by $Ca^{2+}-dependent $ proteinases (calpains) in vitro and in vivo, we investigated whether $Ca^{2+}-induced$ pruning or regression of neuronal processes is mediated by calpains. Isolated hippocampal pyramidal-like neurons were cultured and the ability of the membrane-permeable calpain inhibitors EST (etyl (+)-(2S,3S)-3-[(S)-methyl-1-(3-methlbutylcarbamoyl)-butylcarbamoyl]2-oxiranecarboxylate) and MDL28170 (carbobenzoxyl-Val-Phe-H) to block the $Ca^{2+}$ ionophore A23187-induced suppression in neurite outgrowth was investigated. Addition of 100 nM A23187 to the culture medium resulted in a retraction of dendrites without altering axonal elongation. The addition of 300 nM A23187 to the culture medium resulted in a signiciant decrease in the rate of axonal elongation as well as a retraction of dendritic processes. Administration of EST $(5\;or\;20{\mu}M)$ to the culture medium completely blocked the pruning effect of 100 nM A23187 on dendrites and of 300 nM A23187 on axons, while EST alone did not significantly affect neurite outgrowth rate. MDL 28170 $(20\;{\mu}M)$ showed the same effect as EST in preventing ionophore-induced pruning of dendrites and axons at 100 nM and 300 nM concentrations, respectively, of A23187. EST $(20\;{\mu}M)$ did not block the A23187-induced rise of $[Ca^{2+}]_{i}$ as measured with fura-2. These results show that $Ca^{2+}-induced$ pruning of neurites in isolated hippocampal pyramidal neurons is mediated by calpains.

칼슘이온은 신경섬유 성장의 중요한 조절인자이나 그 정확한 작용기전은 불명확하다. 세포골격 단백은 in vivo 및 in vitro에서 칼슘의존성 단백분해효소(칼파인)에 의해 신속히 분해되므로, 칼슘이온에 의한 신경섬유의 퇴행에 있어서 칼파인의 관련성을 추구하기위하여, 배양된 해마신경세포에서 칼슘이온 ionophore인 A23187에 의한 신경섬유의 성장억제가 칼파인의 억제제인 EST 및 MDL 28170에 의해 차단되는지를 조사하였다. A23187은 100nM의 농도에서 축삭에는 영향이 없이 수상돌기의 퇴행을 유발하였으나, 300 nM의 농도에서는 축삭의 성장을 억제하였다. EST(5 혹은 20 uM) 및 MDL 28170(20 uM)은 100 nM A23187의 수상돌기에 대한 작용과 300 nM A23187의 축삭에 대한 작용을 효과적으로 차단하였다. EST는 A23187에의한 세포내 칼슘이온의 증가를 차단하지 못하였다. 이상의 결과는 해마추상체세포에서 칼슘에 의한 신경섬유의 퇴행이 칼파인에 의해 매개됨을 시사한다.