Gliális sejttípusok az idegrendszerben

Átírás

1 Gliális sejttípusok az idegrendszerben neuroektodermális eredet (kivéve mikroglia) mezodermális eredet neuronok neuroglia erek falát és agyhártyákat alkotó sejtek asztroglia oligodendroglia ependyma mikroglia * asztrociták * II. típusú asztrociták * radiális glia * Bergmann glia * Müller glia * Pituicita (hipofízis) * tanycita * glia limitans sejtjei GLIA: gyűjtőfogalom!!! gliák * oligodendrociták * NG2 sejtek * szatellitasejtek * olfactory nerve ensheating cells (ONEC) * Schwann sejtek * corpus pineale * adenohipofízis gliasejtjei csillagsejtjei *ependymociták *choroid plexus hámsejtjei * enterális gliasejtek perivaszkuláris periszinaptikus pericelluláris * rezidens mikroglia *bevándorolt makrofágok perinodális asztrociták

2 Oligodendrocita progenitor II. típusú asztrocita O2A progenitorok izolálása perinatális patkány látóidegből (később kisagyból, cortexből, gerincvelőből is) 1983, Martin C. Raff Izolálás után 1 nappal. 70% O2A progenitor, 30% type-2 asztrocita Izolálás után 3 héttel, 90% GFAP+ type- 2 asztrocita A2B5- A2B5+ Liu, Rao

3 Oligodendrocita progenitor II. típusú asztrocita 5 napos patkány, látóideg 1983, Martin C. Raff Type 1. astrocyte Type 2. astrocyte: A2B5+, GFAP+ A2B5 4 hetes, passzált tenyészet GFAP A2B5: sejtfelszíni gangliozid epitop - gangliozid: glikoszfingolipid+sziálsav - eredetileg csirke embrionális retina elleni immunizáltatásból származó antitest - megjelöl: thymus epitélt, pancreas szigetsejteket, agyban: retina neuronokat és bipotens glia progenitorokat a látóidegben

4 Oligodendrocita progenitor II. típusú asztrocita A2B5- A2B5+, PDGFRa+, NG2+ A2B5+, FGFR+, Ran2+ - O2A progenitor oligodendrocitává differenciálódik thyroid hormon, retinsav és CNTF hatására - Type II asztrocitává is differenciálódhat - csak in vitro? (type 2 asztro = in vitro műtermék!!!???) O2A/OPC (oligo progenitor) tud asztrocitát létrehozni

5 Oligodendrocita progenitor II. típusú asztrocita A2B5 : cell surface ganglioside epitop NG2 : Neuron-glial antigen 2 (NG2), chondroitin sulfate proteoglycan 4 PDGF : platelet derived growth factor Ran2 : Rat neural antigen-2, a GPI-anchored form of ceruloplasmin II. típusú asztrocita, GFAP+ (réz-kötő fehérje a vérben, vas metabolizmusban is szerepe van) (Ilyen is van...: type-2 asztrocita sejtvonal: RBA-2)

6 Sauvageot and Stiles, 2012

7 Oligodendrocita CNS

8 Oligodendrocita 1928, Rio Del Hortega - kevesebb nyúlvány: oligo - 4 típus (Hortega alapján) Type I ODG: - kis, kerekded sejttest primer nyúlvány axon myelinálása, radiálisan um internodális táv - előagy, kisagy, gerincvelő Type III ODG: - nagyobb sejttest axon myelinálása um internodális táv - pedunculák, nyúltvelő, gerincvelő Type II ODG: - hasonló, mint Type I, de inkább parallel futó rostok myelinálása - fehérállományban a leggyakoribb sejttípus Type IV ODG: - nincs nyúlványa - egy hosszú myelinhüvely um internodális táv - agyidegek CNS-be lépésénél

9 Oligodendrocita Type I Type III Type II Type II - III Type IV Adult rat anterior medullary. RIP antibody Kettenmann H., Ransom B.: Neuroglia

10 Oligodendrocita 1932, Wilder Graves Penfield was first to suggest myelin is made by oligodendrocytes, not axons , Canadian neurosurgeon epilepszia kezelése, érző és motor cortex feltérképezése... That these cells have to do with the formation and maintenance of the myelin sheath is born out by the facts they are very numerous, especially in the white matter, and the position and relation of their cytoplasmic expansions to the myelin sheaths is similar to the arrangement of the sheath of Schwann Penfield A: 1924, Penfield rajza oligodendrocitákról (O) és neurogliáról/asztrocitáról (N) Myelin nem festődött direkt bizonyték O myelináló képességéről csak az ELMI felfedezésekor jött B: egér látóideg MBP/oligodendrocita Emery 2010

11 Oligodendrocita Jianrong Li Kachar et al.,

12 Oligodendrocita Dr H. Jastrow myelin - hüvely oligodendrocita 1878, Louis-Antoine Ranvier, dicovered the nodes of Ranvier , French physician, pathologist, anatomist and histologist

13 Oligodendrocita Golgi mitkokondriumok axonok myelinhüvellyel Több axonnal kapcsolatban álló oligodendrocita

14 Oligodendrocita myelin Development of oligodendroglial cells O2A precursor ODG blast pre ODG immature ODG myelinating ODG

15 idegsejt képződés E12,5 Egér, E12.5 embrió, koronális metszet LGE: lateral ganglionic eminence MGE: medial ganglionic eminence Sárga: GABA-erg interneuronok vándorlása Piros: glutamaterg neuronok migrációja striatum

16 előagyban gerincvelőben Oligodendrocita progenitorok (OPC) - korai embrionális korban: velőcső ventrális neuroepitéliumának azon doménjében, ahol először a motoneuronok keletkeznek - késői embrionális/korai posztnatális korban: dorzális gerincvelő OPC sejtek innen migrálnak a gerincvelő teljes területére és végül myelináló ODC-vá differenciálódnak ezek adják a teljes gerincvelői OPC pool %-át - 1. hullám: az előagyban az első OPCk a mediális gangliondombokban és az anterior entopedunculáris area területéről - 2. hullám: OPCk a laterális és/vagy caudális gangliondombokban - 3. hullám: OPCk a posztnatális cortexben a teljes embrionális/posztnatális telencephalon területét ellátják, beleértve a cortexet Bármelyik hullám hibádzik: másik gerenerációs hullámok pótolják a kiesett sejteket! Redundancia... Nicoletta Kessaris et al. 2006

17 NG2 sejtek ( NG2 glia ) - sok oligodendroglia-progenitor (OPC) markert expresszálnak 1980s, William Stallcup és mtsai írják le az NG2+ sejteket a felnőtt agyban NG2: neuron-glial antigen 2 (NG2) = kondroitin szulfát proteoglikán 4 (CSPG4) (pl. PDGFRa) - érett oligo, asztro markereket nem expresszálnak - myelináló oligodendroglia sejteket (Sox10+ ODG lineage) és további NG2+ sejteket hoznak létre de neuront (?) és asztrocitát is generálhatnak (őssejtek???) - kis sejttest, elágazó nyúlványok A) cortex of a P13 Sox10-GFP mouse showing the near-uniform distribution of oligodendrocyte lineage cells, mainly NG2-glia. B) A single NG2-glial cell in the cerebellum Richardson 2011

18 NG2+ sejtek, ezüsttel intenzifikált DAB festés (dark granules on the surface and in the cytoplasm). Bab alakú, ovális magvú sejtek, heterokromatin magmembrán mellett és nukleoplazmában is. A: neuron mellett, C: kapilláris mellett NG2 sejtek ( NG2 glia ) Klb. nyúlványrendszerű NG2+ sejtek a cortexben (o=oligodendrocita sejttest az A képen) Peters, Sethares 2004

19 IC domén TM domén EC domén N-terminális NG2: kondroitin szulfát proteoglikán 4 (CSPG4) = neuron-glial antigen 2 (NG2) C-terminális 15 CSPG repeat+ a single CS-GAG Növekedési faktor kötés (core CSPGs) Integrin és mátrix-metalloproteináz kötés (CS-GAG) The extracellular domain contains an N-terminal globular subdomain (D1) consisting of laminin G-type regions (LG) and disulfide bonds. The D2 subdomain consists of 15 CSPG repeats and, in NG2, a single chondroitin sulfate glycosaminoglycan (CS-GAG) chain. This region of the core protein is known to bind certain soluble growth factor ligands, and the CS-GAG is responsible for CSPG4 binding to integrin and matrix metalloproteinases (MMPs). CS modification is also associated with distinct membrane distribution patterns of CSPG4/NG2 on the cell surface. CSPG4/NG2 can be expressed with or without CS modification. Proximal to the plasma membrane, the D3 globular subdomain contains sites for N-linked carbohydrate modification, binding sites for lectins (e.g., galectin 3), and proteolytic cleavage by MMPs or other proteases. The transmembrane region of CSPG4 contains a cysteine residue (C) at position 2230 that may play a role in CSPG4 membrane localization, although this is yet to be evaluated. The CTD contains tyrosine residues (T) that serve as phosphoacceptor sites for PKCa and ERK 1,2 (CSPG4 residues 2252 and 2310, respectively). The proline-rich region (PR) may comprise a non-canonical SH3 protein interaction domain, and the C- terminus contains a 4 residue PDZ domain-binding motif (PDZ) that is responsible for interactions with various PDZ domain-containing binding partners. Price A., et al, 2011

20 Oligodendrociták (ODC) és progenitorjaik (OPC) polydendrocita = OPC, NG2 sejt * polydendrocyte elnevezést Nishiyama et al. javasolták (2002) The cellular source of each mature cell type is shown. The thickness of the arrows represents the relative contribution of the precursor population. Most polydendrocytes arise from the medial ganglionic eminence (MGE) and the anterior entopeduncular region (AEP), with a minor contribution from radial glia. Polydendrocytes give rise to ODCs and a subpopulation of protoplasmic astrocytes in the grey matter but do not give rise to white matter astrocytes. Other sources of astrocytes include cells in the subventricular zone (SVZ) and radial glia. Nishiyama 2009

21 NG2 cells respond to extrinsic stimuli and injury but do not generate neurons even though they can express some preneuronal markers. *

22 NG2 sejtek ( NG2 glia ) Még egy elnevezés: synantocytes synanto (greek) = contact Egyes elképzelések szerint az NG2 sejtek nem simán ODC progenitorok hanem különálló glia-típusnak tekinthetőek: asztro, oligo, mikro, OPC ÉS NG2 - a tetrapartite synapse tagjai - neuronok környezetében, neuronális aktivitást érzékelik Synantociták szoros kapcsolatban a neuronokkal. NG2 és toluidine kék festés. (A) HC CA1 area: némelyik szoros kapcsolatban piramissejtekkel (B) Perineuronális network, HC neuron (csillag) körbeölelése (C) Kérgi piramissejt körül Butt 2005

23 Verkhratsky, Butt 2012

24 NG2 sejtek ( NG2 glia ) synantocytes NG2-expresszáló glia (synantocita) a felnőtt agyban. (A) NG2 szaggitális metszeten (B) hippocampusban erős jelölődés CA1, CA2, CA3 régiókban - akár extracelluláris jelölődés is lehet (C) kisagyban ott vannak Purkinje neuronok között (PCL), a molekuláris (ML) és a szemcsesejt-rétegben (GCL) és a fehér-állományban (WM) is (itt polarizáltak, nyúlványaik az axon-kötegek mentén futnak). Butt 2005

25 NG2 sejtek ( NG2 glia ) synantocytes Synantociták a Ranvier-befűződések körül (antrior medullary velum) NG2, myelin basic protein, ankyrin-3g (A) egyedi NG2 sej több nodussal is kapcsolatban van és nyúlványuk követi a myelinált axont (minden NG2-re igaz ezen a területen!) (B) dekonvolvált kép: nodus és paranodus kapcsolatok a myelinhüvelyen ankyrin-3g: axon-iniciális szegmensben és Ranvier-féle befűződésben, Na-csatornák kihorgonyzása

26 NG2 sejtek ( NG2 glia ) Még egy elnevezés: GluR cell/complex cell 1992, Steinhauser C. patch clamp: 2 glia-populáció passzív komplex kapcsolt, Glu és GABA Transzporterek, GFAP+: asztro - GluT sejtek nem kapcsolt, gyakran GFAP-, de S100b+: éretlen asztro GluT GluR később (2004) ezeket GluR sejteknek is nevezik, ionotróp GluR (AMPAR) expresszió miatt (és GABAAR+, Glu transzporter-) TODAY (2010) : emerging consensus: (i) NG2 cells and GluR/complex cells represent overlapping populations of glia (ii) NG2 cells represent a fourth class of neuroglial cells in the adult CNS

27 Oligodendrocita NG2 progenitorok és O2A progenitorok viszonya asztrocita O2A progenitor is NG2+ A2B5: cell surface ganglioside epitope

28 előagyban gerincvelőben Oligodendrocita progenitorok (OPC) - korai embrionális korban: velőcső ventrális neuroepitéliumának azon doménjében, ahol először a motoneuronok keletkeznek - késői embrionális/korai posztnatális korban: dorzális gerincvelő OPC sejtek innen migrálnak a gerincvelő teljes területére és végül myelináló ODC-vá differenciálódnak ezek adják a teljes gerincvelői OPC pool %-át - 1. hullám: az előagyban az első OPCk a mediális gangliondombokban és az anterior entopedunculáris area területéről - 2. hullám: OPCk a laterális és/vagy caudális gangliondombokban - 3. hullám: OPCk a posztnatális cortexben a teljes embrionális/posztnatális telencephalon területét ellátják, beleértve a cortexet Bármelyik hullám hibádzik: másik gerenerációs hullámok pótolják a kiesett sejteket! Redundancia... Nicoletta Kessaris et al. 2006

29 NG2 sejtek eredete és sorsa Heterogeneous origin and fate of NG2 cells in the forebrain. During mid-gestation, NG2 cells in the forebrain are generated from the ganglionic eminences (MGE (purple) and LGE (blue) defined by the transcriptional factors Nkx2.1 and Gsh2, respectively. The LGE-derived cells expand and constitute the majority of NG2 cells in the subpallial forebrain but also migrate dorsally to populate the corpus callosum and to a lesser extent the neocortex. Subsequently, from late embryonic stages to early postnatal period, additional NG2 cells are generated from the dorsal VZ defined by the Emx1 transcriptional factor (Emx1, green). After the VZ has ceased to produce new neurons and glia, a minor population of NG2 cells is generated from the SVZ (red). NG2 cells produced from all of these sources are capable of generating oligodendrocytes. In addition, those from the ventral germinal zones differentiate into protoplasmic astrocytes, constituting up to 40% of the protoplasmic astrocytes in the ventral posterior gray matter of the forebrain. It is not yet known whether the astrogliogenic NG2 cells originate in MGE or LGE or both. As soon as NG2 cells exit the germinal zone, they acquire one or more processes, thus already exhibiting the polydendrocytic morphology from as early as mid-embryonic stages. Hill, Nishiyama 2014

30 Oligodendrociták (ODC) és progenitorjaik (OPC) NG2 cell * Nishiyama 2009

31 Oligodendrociták (ODC) és progenitorjaik (OPC) Markerek Bradl, Lassmann NG2 - PDGFRa - OLIG2 - SOX10 - O4 - MBP - Nkx2.2 - CA II - CNP - Kir4.1 - MAG - MOG - NogoA - PLP - RIP - TPP/p25 - O1 - GalC - Cx32

32 Oligodendrociták - szigetelés, ingerületvezetés MS, szklerózis multiplex (agy, gerincvelő) - axon tápanyagellátása

33 P: Purkinje neuron AIS: axon initial segment: ioncsatorna clusterek, akciós potenciál generáció Node: Na+ csatornák, akciós-potenciál propagálás Paranode: myelin rétegek és axolemma kapcsolatai JXP: juxtaparanode, delayed-rectifier K+ csatornák Internode: kompakt myelin KV1.2 : K+ ioncsatorna NF186: Nfasc186 (neurofascin: L1 family immunoglobulin cell adhesion molecule) Caspr : contactin-associated protein-2: neurexin család tagja, sejtadhéziós molekula/receptor Calb: calbindin MBP: myelin basic protein

34 Oligodendrociták Mielináció 2 modellje

35 A, új mielin képződésekor a vezető él (leading edge = innermost tongue) folyamatosan tekeredik rá az axonra B, ezzel párhuzamosan, az újonnan képződő egyedi rétegek koordinált módon oldalirányban kiterjednek: így szorosan egymásra fekvő paranodális régiók (loops) alakulnak ki

36 C, a növekvő mielinhüvelyen belül citoplazma-csatornák teszik lehetővé a membránalkotó molekulák szállítását a vezető élhez D, e csatornák többsége eltűnik a fejlődés befejeztével de képes újra kialakulni ( kinyílni ) felnőttben is, kísérletesen a phosphatidylinositol-(3,4,5)- triphosphate szint növelésével ami újraindítja a myelin növekedést Snaidero et al 2014 Cell

37 Movie S5 Snaidero et al 2014 Cell

38 P21 P60 Nagy mennyiségű membrán-asszociált riporter fehérjét kell termeltetni rövid idő alatt, hogy nyomon lehessen követni a fehérje mielinbe épülését, mielőtt túlságosan szétdiffundálna: VSV (vesicular stomatitis virus) vírus által termeltetett glycoprotein G (ez egy jól bevált membrán trafficking modell: ER Golgi PM). 1. Nagy titerű vírus injekció corpus callosum-ba (P21 vagy P60 egér) 2. 6 órával később immuno-elektron mikroszkópia P21: jel vezető élben (inner tongue) -- fejlődő P60: jel : külső mielinrétegben (outer tongue) - felnőtt (adult - when myelin biogenesis is terminated) Snaidero et al 2014 Cell

39 Oligodendrociták (ODC) és progenitorjaik (OPC) Markerek Olig2 Oligodendrocyte transcription factor 2 - bhlh transzkripciós faktor - ventrális neuroektodermális sejtsors specifikáció (motor neuron és OPC differenciáció) - diffúz gliómák univerzális markere (diagnosztikában használható marker) (Olig1 szintén oligodendrogenezis Olig3 pl. dorzális gerincvelői neuron képzés, tranziens expresszió) Sox10 transzkripciós faktor Nkx2.2 homeobox fehérje, transzkripciós faktor inkább OPC-ben Liu, Qiu 2007 Olig2 /O4 Olig2 kiütése: NG2 glia asztro irányban fog differenciálódni! Olig2 /O4 in differentiated rat cortical stem cells O4 O4 érett ODC marker sejtfelszíni antigén, sulfatide, glycosphingolipid

40 Oligodendrociták - myelin intracellular extracellular intracellular

41 Oligodendrociták Proteolipid Protein, PLP - transzmembrán proteolipid protein, a myelin fehérjéknek 50%-a - 1 génről 2 fehérje keletkezhet (alternativ splicing): a PLP és a DM-20, mindkettő rendkívül hidrofób - a myelin lamellák extracelluláris lemezeinek fúziójáért, kompakttá válásáért felelős (valószínűszeg más funkciója is van) - membránba épülése szabályozza a myelinlepedő-képződés sebességét - hiányában van myelinizáció: de axondegeneráció, korai ODC pusztulás jellemző DM20: rövidebb forma only DM20 mice: struktúra jól megtartott DM20 elég jól helyettesítheti PLP-t (Spörkel 2002) van KO egér illetve természetes mutánsok, pl. shaking, jimpy Humán: 1: Pelizaeus-Merzbacher disease Baron, Hoekstra 2010 PLP Werner Verkhratsky, Butt 2007

42 Oligodendrociták Myelin Basic Protein, MBP 1971, ekkor szekvenálták meg az MBP-t - fehérjecsalád, több izoforma - myelin fehérjéknek 20%-a - a myelin lamellák citoplazmatikus lamelláinak adhéziójáért felel - CNS-ben esszenciális fehérje mely nélkül a myelin struktúrája dezorganizálódik - PNS-ben lehet ép a myelin MBP defektus esetén is - 1 gén, sok izoforma (CNS/PNS-ben más-más eloszlásban) - MBP valószínűleg csak PLP beépülés után integrálódik a membránba - természetes mutáns: shiverer - MBP-KO: hasonló fenotípus Baron, Hoekstra 2010

43 Oligodendrociták Humanized mice glial progenitors from aborted human fetuses PSA-NCAM- and A2B5+ magnetic separation shi/shi x rag2/-/- myelin and immunodeficient mice transplantation of newborn mice ( cells into cortex) *shi/shi= shiverer MBP, myelin basic protein Cerebellum of a one year old myelin-mutant mouse transplanted with human precursor cells. Since the mutant mouse s own cells cannot make MBP, (shiverer) all the myelin has been produced by the human cells. Nuclei/Human cells/mbp Steven Goldman, Martha Windrem et al Nikon; MBP/GFAP/Hoechst

44 Oligodendrociták MBP, myelin basic protein (MBP) in adult mouse cortex. MBP in adult rat brain, corpus striatum. MBP - AXON-jelölés!! Myelin Basic Protein in Rat brain: ab40390, ab40390

45 Oligodendrociták (ODC) Dendritek borítottsága??? Van-e myelinált dendrit? - dendrit: szinaptikus input, információ-integráció fő helye myelin szigetelés nem jellemző - nem szinaptikus felszínt dendriten glia (asztrocita, Bergmann glia) végtalpak és a perineural net komponensei boríthatják - ritkán: részleges myelinborítás - PNS-ben: érző neuron A: kisagy, Purkinje sejtek dendritjeit Bergmann glia (sötét vonalak, nyílhegyek) veszik körül. A két B betű Bergmann glia sejttestét jelenti a Purkinje sejttesthez közel. Csillag: kapilláris B: S100+ Bergmann glia Purkinje mellett C-D: részlegesen myelinált (MS) mitrális sejtek (olfactory bulb) dendritjei (d) majomagyban, nyilak a nem-myelinált szakaszt mutatják Hatton, Parpura 2004

46 Oligodendrociták (ODC) és progenitorjaik (OPC) Myelin fehérjék proteomikai analízise -342 CNS myelin-asszociált protein - szeparálás, - tömegspektrometria (MS) - egy csomó új fehérje - új analízis szerint: PLP: 17%, MBP 8% (!!!csak) PDGFRa PDGF receptor alpha - korai marker - PDGF kell ODC in vitro differenciáltatásához TPPP/p25 tubulin polymerization promoting protein - MT stabilizáló szerep - myelináló oligodendrocitákban - úgy tűnik OPC differenciációban is esszenciális Lehotzky 2010 K ir inward rectifying K+ csatorna - oligodendrocita sejttesten - K ir 4.1 KO egér: gerincvelői hypomyelináció - de asztrocita perivaszkuláris/perinodális végtalpakon is)

47 Oligodendrociták (ODC) MAG (MGP), myelin associated glycoprotein - immunglobulin szupercsalád tagja - transzmembrán glikoprotein - 1 gén, két forma: L-MAG (large) embrionális, S-MAG (small) felnőtt - a molekula 30%-a cukor - mutáns egér, MAG-KO: quivering - CNS-ben csak a periaxonális területeken található, itt az axolemmától egy nm-es rést tart fenn: axon/myelin kapcsolatért felel - szignál transzdukció a myelinmembránon át - axon-növekedés (burjánzás) inhibitora Myelin associated proteins MOG, myelin oligodendrocyte glycoprotein - oligodendrocita nyúlványokon és myelinhüvely legkülső membránján - csak érett sejteken késői marker - szerepe lehet adhézióban, faszcikulációban adaxonal abaxonal Quarles 2007

48 Oligodendrociták (ODC) OMgp, Oligodendrocyte-myelin glycoprotein - kicsi, glikozilált protein - a paranodális területeken - axon-növekedés gátlása: OMgp KO egérben nodusok túl szélesek és több az axon-kollaterális! Nogo-A, neurite outgrowth inhibitory protein - neuronokon és érett oligodendrocitákon - axon-növekedés (sprouting) gátlása MOBP, myelin-associated oligodendrocytic basic protein - myelin bázikus fehérjéhez hasonló lokalizáció és funkció - több izoforma - KO egér myelinjében nem láttak abnormalitást MOSP, myelin/oligodendrocyte-specific protein - myelin extracelluláris felszínén - funkciója?? talán myelinképzés Myelin associated proteins neuron Llorens 2011