Gliális sejttípusok az idegrendszerben

Átírás

1 Gliális sejttípusok az idegrendszerben

2 neuroektodermális eredet (kivéve mikroglia) Sejttípusok az idegrendszerben mezodermális eredet embryonic yolk sac (YS)! idegsejtek (neuronok) neuroglia erek falát és agyhártyákat alkotó sejtek általában: minden, ami nem neuron... asztroglia oligodendroglia ependyma mikroglia

3 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 * corpus pineale * glia limitans sejtjei sejtjei GLIA: gyűjtőfogalom!!! gliák * oligodendrociták * NG2 sejtek * szatellitasejtek * olfactory nerve ensheating cells (ONEC) * Schwann sejtek * adenohipofízis csillagsejtjei *ependymociták *choroid plexus hámsejtjei * enterális gliasejtek perivaszkuláris periszinaptikus pericelluláris * rezidens mikroglia *bevándorolt makrofágok perinodális asztrociták NG2* Neuron-glial antigen 2, a chondroitin sulfate proteoglycan

4 Nothing in Biology Makes Sense Except in the Light of Evolution A Biológia bármely jelensége csak az Evolúció fényében értelmezhető A Sejtbiológia bármely jelensége csak a fejlődés-biológia fényében értelmezhető.. Mosaic medallion in the floor of the main hall of the Jordan Hall of Science, University of Notre Dame.

5 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 * corpus pineale * glia limitans sejtjei sejtjei GLIA: gyűjtőfogalom!!! gliák * oligodendrociták * NG2 sejtek * szatellitasejtek * olfactory nerve ensheating cells (ONEC) * Schwann sejtek * adenohipofízis csillagsejtjei *ependymociták *choroid plexus hámsejtjei * enterális gliasejtek perivaszkuláris periszinaptikus pericelluláris * rezidens mikroglia *bevándorolt makrofágok perinodális asztrociták Tisztességes klasszifikáció csak ismert glia-development után várható

6 NG2 itt már önálló kategória Verkhratsky, Butt 2012

7 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 * corpus pineale * glia limitans sejtjei sejtjei GLIA: gyűjtőfogalom!!! gliák * oligodendrociták * NG2 sejtek * szatellitasejtek * olfactory nerve ensheating cells (ONEC) * Schwann sejtek * adenohipofízis csillagsejtjei *ependymociták *choroid plexus hámsejtjei * enterális gliasejtek perivaszkuláris periszinaptikus pericelluláris * rezidens mikroglia *bevándorolt makrofágok perinodális asztrociták

8 Asztroglia Ia pial tanycyte Ib vascular tanycyte II radial astrocyte (Bergmann glial cell) III marginal astrocyte IV protoplasmic astrocyte V velate astrocyte VI fibrous astrocyte VII perivascular astrocyte VIII interlaminar astrocyte IX immature astrocyte X ependymocyte XI choroid plexus cell Kettenmann and Ransom 2005 in Verkhratsky, Butt 2007

9 4 fő GFAP + sejtcsoport a humán agykéregben réteg: interlamináris asztrociták sejttestjei, melyek nyúlványai a 2-4. rétegbe nyúlnak pár mm mélyen; tekervényes (tortuous) morfológia 2. Plazmás asztrociták, leggyakoribbak a 2-6. rétegben. 3. Polarizált asztrociták (varicose projection astrocytes), csak emberben, az 4-6. rétegben, szétszórtan. Milliméteres, varikozitásokkal teli nyúlványok. 4. Rostos asztrociták, fehérállományban. Sárga vonalak: a klb. asztrocita populációk előfordulási helyei. Scale = 150 μm. Heterogeneity of astrocytic form and function. Oberheim, Goldmann, Nedergaard 2012 GFAP = gliális fibrilláris savas protein, IF

10 1. Interlaminar astrocytes tortuous GFAP MAP2 DAPI 3. Polarized astrocytes: varicose projection astrocytes varicose Oberheim, Goldmann, Nedergaard 2012

11 Csillag alakúak Asztrocita in vivo A legnagyobb glia populáció a CNS-ben (vagy ODG!?) Fő markere mindmáig : GFAP (gliális fibrilláris savas fehérje interedier filamentum) (4 kép: GFAP immunfestések tenyésztett asztrocitákban) DE a GFAP expresszió nagyon varábilis Minden Bergmann-glia GFAP+, de a kéregben és HC-ban az asztrocitáknak csak ~15-20 % - a GFAP+ (felnőttben)!!! in vitro

12 GFAP festés: az asztrocita térfogatának csak kb. 15%-át adja ki Asztrocita GFAP: gliális fibrilláris savas fehérje Hoechst: sejtmag

13 GFAP Hoechst - sejtmag Asztrocita hgfap-gfp

14 Asztrocita GFAP/GFP in vivo GFAP/ezrin in vitro plazamembrán aktin citoszkeleton Reichenbach 2010, Frotscher 2001

15 rostos asztrociták fehérállományban Asztrocita Hosszú nyúlványok (akár 300 um) Kevésbé elágazó, mit plazmás asztro Perivaszkuláris, szubpiális végtalpakat képeznek Perinodális kontaktusokat képeznek neuronokkal Sűrűségük cell per mm3. (Dr Szigeti Cs., SZTE ÁOK-TTIK Sejtbiológia és Molekuláris Medicina Tanszék - Golgi-impregnáció, rostos, protoplazmás asztrocita)

16 plazmás asztrociták szürkeállományban Asztrocita Sok, rövidebb nyúlvány (kb. 50 um) Nagyon elágazó nyúlványrendszer Perivaszkuláris, szubpiális végtalpakat képeznek Neuronokkal sok kapcsolatuk van Sűrűségük cortexben cell per mm3.

17 Asztrocita hgfap-gfp

18 Brainbow Asztrocita transgenic multicolor labeling strategy called Brainbow, Jeff Lichtman (Harvard University)

19 Brainbow Asztrocita Jeff Lichtman (Harvard University)

20 GFAP: gliális fibrilláris savas fehérje (IF) Hoechst Asztrocita vér/agy gát (asztroglia-endotél) liquor/agy gát (asztroglia-ependima) glia limitans (asztroglia-pia mater)

21 Markerek Asztrocita Huang 2006 GFAP glial fibrillary acidic protein GLT-1(EAAT2) glutamate transporter GLAST(EAAT1) glutamate transporter GS glutamin synth(et)ase glutamát uptake AQP4 aquaporin4 Glutamate + ATP + NH 3 Glutamine + ADP + phosphate Glutamin synthase/gfap Aquaporin 4 (asztro végtalp) Thrane 2010 GFAP/AQP4-GFP mouse cortex GS/GFAP/DAPI asztrociták in vitro

22 S100b - Astrocyte Marker in Mouse HC Kipp, Abcam Asztrocita S100B-KO egér: agyi anatómia OK, DE LTP, tanulás, memória romlik: HC neuronális plaszticitás érintett! S100b - Asztrocitában (nem mindben) Schwann sejtben, radiális gliában - Ca ++ kötő fehérje - több fehérje foszforilációját gátolja - GFAP összeszerelődést is szabályozza - MT összeszerelődést gátolja - Asztrociták szekretálják is - patológiás esetekben keringésbe is kijut: esetleg diagnosztikában használható (screening) for determination of CNS injury at the molecular level before gross changes develop The concept of brain specific proteins was first proposed in 1965 (Moore, 1965). These workers separated proteins from the brain and liver of cattle, rabbits, rats and monkeys. Three low molecular weight acidic proteins were found consistently in high concentrations in the brain fractions one of them was named S100 because it was soluble in 100% ammonium sulphate. S100 family: at least 21 S100 proteins Sen, Belli 2007 McDougal 2011 S100B readily labels the soma and the larger processes, whereas GFAP labeling is predominantly seen in the processes

23 FABP7 (BLBP) Fatty acid binding protein 7 Brain lipid binding protein hosszú szénláncú zsírsavak és egyéb hidrofób ligandok kötése Érett asztro szubpopulációkban ill. radiális gliában is Érdekes: FABP7 köti a legerősebben a FABP család tagjai közül a DHA-t Docosahexaenoic acid omega-3 zsírsav az agyi PUFA (polyunsaturated fatty acid) 40%-a neuronális plazmamembrán fontos építőeleme DHA hiányában: cognitive decline Asztrocita Liu 2012 Felnőtt cortex FABP7+ sejtek (asztro és NG2) Mori, Götz 2005 Sharifi 2011 Kipp 2011 Reaktív asztrociták 3 nappal agyi lézió után, kéregben De asztro FABP7 agyi demielináció során is nő (MS!)

24 * single-nucleotide polymorphism (SNP) of the FABP7 gene (rs ) is associated with fragmented sleep in humans * FABP7 KO mice fragmented sleep human,mouse.. Drosophila * astrocyte-specific expression of the human FABP7 mutant generated a similar fragmented sleep phenotype compared to the human FABP7 wild type (WT) in transgenic fruitflie Drosi is alszik, ráadásul rel. jó modellje humán alvásnak

25 Asztrocita McDougal 2011 asztrociták az agytörzsben (Texas Red is a sulfonyl chloride derivative of SR101) Sulforhodamine 101 In vivo two-photon imaging of cortical astrocytes at a 250 mm depth (P21 rat) 30 minutes after SRB (20 mg/kg) iv injection.

26 Asztrocita Glycogen granules Sárga ill. piros nyilak: glikogén szemcsék asztrocitákban: kicsi, kerek, sötét szemcsék glikogén glükóz glycogen synthase (glikogén szintézis) Marker: brain glycogen phosphorylase (glikogén lebontás)

27 DCX-immunolabeled neuron (NN) with a labeled apical process (large arrow) and an adjacent glial cell (GC) with a watery cytoplasm. Asztrocita Shapiro 2005 Sejtmag sima maghártya vastagnak tűnik Kromatin maghártyához tapad Nucleolus gyakran maghártyához közeli, excentrikus (ezek jó elkülönítő jegyei asztronak ELMI szinten) Citoplazma üres (watery), organellum-szegény Jellegzetes filamentumkötegek (IF) Glikogénszemcsék Néhol kristályos testek: glioszómák = Glial subcellular particles, izolálható, mint a szinaptoszóma

28 Asztrocita Szinapszisok közelében Bundles of intermediate filaments (arrows) are often found in in the cytoplasm of astrocytes (arrows).

29 Freeze fracture Asztrocita Asztrocita végtalpak perivaszkuláris végtalpai rendezett 4-6 nm-es intramembrán partikulum (IMP) sorokat tartalmaznak. Ezek egyedi aquaporin4 tetramereknek felelnek meg. Square arrays or ortogonal array of particles, OAP. Neuronális membránban ilyen nincs. A, B : P-face C: E-face Furman CS 2003 P-face: protoplasmic leaflets E-face: extraplasmic leaflets

30 Asztrocita Nagy JI 1998 Connexin43 asztrocita rés-kapcsolatokban immunogold jelöléssel. (A, B) Asztrocita gap junction a neuropilben (nyilak). (C, D) Connexin43 asztrocita rés-kapcsolatokban a szürke (C) és fehérállományban (D).

31 Asztrocita Aldh1L1-EGFP Aldh1L1 Aldh1L1 is a specific pan-astrocyte marker aldehyde dehydrogenase 1 family, member L1 gene, also known as 10-formyl-tetrahydrofolate dehydrogenase (FDH) 10-CHO-THF is important in purine biosynthesis Egyéb transzgenikus egerek Affymetrix Rockefeller Univ. Lacar, Bordey , Ben Barres

32 GCaMP is created from a fusion of green fluorescent protein (GFP), calmodulin, and M13, a peptide sequence from myosin light chain kinase. wiki

33 Asztrocita mass spectrometry based cell surface capturing (CSC) technology to generate a snapshot of the astrocyte cell surface glycoproteome (using primary astro cultures) 482 astrocyte cell surface exposed glycoproteins 1. chemical labeling of oxidized cell surface polysaccharides using the bi-functional linker molecule biocytin hydrazide 2. cell homogenization and protein digestion 3. affinity enrichment of biocytin hydrazide labeled peptides 4. enzymatic peptide release 5. peptide analysis by tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) 6. peptide or protein identification The functions of the identified cell surface glycoproteins were analyzed using the PANTHER database

34 ACSA-2: astrocyte cell surface antigen-2 ACSA-2 = ATP1B2 Na+/K+ and H+/K+ ATPáz extracellularly exposed membrane glycoprotein asztrocita izolálás Egyéb (hasonló módszertan:(microglia: Cd11b=CR3a)

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

36 A GLIA felfedezése Asztrociták és radiális glia sejtek egy Lenhossék által preparált anyagban, A: Supportive cells (i.e. astrocytes) from the spinal cord of a 9 month old child; Golgi impregnation. B: Spinal cord of a 14 cm human embryo; Golgi impregnation of the supportive cells.

37 Newborn mouse: DAY19 (TS27) Morphological comparisons of mouse and human embryo development. Mouse embryonic stages (Theiler stages or TS) are based on somite number and characteristics. There are 28 TS stages from the fertilization to birth, which is about 20 days post conception (dpc). Human embryo stages were described by the Carnegie Institution of Washington, which are based on the developmental structures, not by size or the number of days of development. The 23 Carnegie stages (CS) only covers the first 60 days of human embryo development, thereafter that the term embryo is replaced with fetus. 5 human embryos at 4-9th week are shown here. The double headed arrows point to human and mouse embryos at similar stages of organogenesis. Theiler Stages divide mouse development into 26 prenatal and 2 postnatal stages and is based upon the publication The House Mouse: Atlas of Mouse Development by Karl Theiler Springer-Verlag, NY (1972, 1989). There is also a newer 1993 Downs and Davies staging of the mouse embryo included in each Theiler stage (Staging of gastrulating mouse embryos by morphological landmarks in the dissecting microscope). Note there have been early online atlases and several new staging papers and online atlases released.

38 velőlemez velőcső wiki/neurulation

39 Anterior neuropórus záródás at the end of Theiler Stage 13 - Embryonic age = 8.5 dpc (range dpc) 8-12 somite pairs ~E9 Neural - Formation and closure of anterior neuropore. The rostral extremity of the neural tube closes in embryos with usually about somite pairs and defines this stage. Poszterior neuropórus záródás E8 Theiler Stage 15 - At the end of this stage the posterior neuropore begins to close. Embryonic age = 10 dpc (range dpc) somite pairs. ~E12

40 embryo_images Neuroepitél E9 sejtek- - radiális glia * E8 pseudostratified epithelium * * = kamrai felszín E8-9 egér velőcső

41 *

42 Radiális glia Cajal indítványozta elsőként, hogy a radiális rostok módosult asztrocitanyúlványok melyek a kéreg hisztogenezisét támogatják. Cajal elismerte Magini munkáját, de kritizálta azokat a megfigyeléseit, melyek szerint a radiális rostok mentén neuronok vannak. Giovanni Magini 1888 Cajal, 1911 Rakic, 1972 * (A) Magini s drawing (1888) of a detail of the radial filaments as seen with Golgi impregnation counterstained with hematoxylin; the original Magini s legend phrases: S: Three spherical cells of the cortical matter, with a large nucleus surrounded by a rim of protoplasm, inserted on a filament. (B) Cajal s drawing (1911) of radial glia; epithelial and neuroglial cells of the cerebral cortex; rabbit of a few days of age, Golgi method; A, bodies of epithelial cells; B, peripheral arborizations of these cells; b, bundles of white matter; c, perpendicular or radial fibers; e, displaced epithelial cells.. (C) Drawing of a Golgi-impregnated coronal section through the brain of a 97-day monkey fetus by Rakic (1972). Bentivoglio and Mazzarello 1999

43 Radiális glia Golgi impregnált telencephalon, 97 napos majom fetus MC: migrating cell; RF: radial fiber; LV: lateral ventricle; CP: cortical plate Radiális rostokra merőlegesen vágott metszetek, 80 napos fetus Radiális glia Rakic P. 1972, J. Comp. Neur. 145: 61-84

44 Radiális glia Elongált morfológia megmarad: madarak, emlős kisagy (Bergman glia) radiális rost migráló neuron Az elektronmikroszkópia felfedezésével a radiális glia nyúlványok és a mellettük migráló neuronok létezése bebizonyosodott: az 1970-es években, Pasko Rakic munkássága nyomán. Rakic P. 1972, J. Comp. Neur. 145: 61-84

45 A Cajal-Retzius sejtek (neuronok) kapcsán egy kis neurodevelopment CR sejtek termelik: reelin glikoprotein : neuronal migration and neocortical lamination reeler mutáns See later/earlier: Neurofiziológia!

46

47 piális felszín Interkinetikus magvándorlás! (pseudostratified neuroepithelium!! többmagsoros hengerhám) ventrikuláris felszín

48 Radiális glia Rakic 1972-ben még nem ismerte fel, hogy az idegsejtek a radiális gliasejtekből származnak. Önálló neuronális ill. gliális progenitorok létét feltételezte. A radiális glia őssejt jellegét később írták le (2001, Noctor, Kriegstein et al). ŐSSEJT definíció: önmegújítás + több klb sejttípus létrehozása The working definition of a STEM CELL includes self-renewal and the ability to differentiate into several cell types. Radiális glia = őssejt!!

49 Radiális glia piális felszín Interkinetikus magvándorlás Radiális glia osztódásai: VZ-ben vertikális, szimmetrikus vertikális, asszimmetrikus (önmegújító) Intermedier progenitorok osztódásai: SVZ-ben horizontális, szimmetrikus ventrikuláris felszín

50 Radiális glia radiális glia neuron(ális progenitor) asztrocita asztrocita radiális glia Újszülött NP! perinatális periódus (~E18-P10)

51

52 Neuroepiteliális sejt Radiális glia Neuron Asztroglia Rad glia őssejt kamrai felszin Bazális! Radiális gliává való átalakulás: a legtöbb agyterületen: E10-E12 körül Apikális! De elongált morfológia megmarad: - madarak, - emlős kisagy (Bergman glia) 1. Bizonyos epitél-sajátságok downregulálódnak, pl.: tight junction kapcsoltság, egyes membránfehérjék apikális/bazális transzportja 2. de egyes epitél-sajátságok megmaradnak, pl.: kapcsolat a bazális membránnal interkinetikus magvándorlás /de már nem a teljes sejt hosszán/ centroszómák apikális lokalizációja, nestin IF expresszió (RC2); adherens junction-ok az apikális felszínhez közel /PAR3, PAR6, apkc (PAR-komplex) expresszió/ prominin-i expresszió, Pax6 expresszió Basal lamina 3. Asztroglia-sajátságok megjelennek, pl.: glikogén-szemcsék GLAST, S100b, vimentin, FABP7(BLBP), GFAP+ (főemlősök), GFAP- (rágcsálók GFAP+ P0-tól) Götz, Huttner 2005

53 Radiális glia már jobban elkötelezett ( more fate-restricted ), mint a neuroepiteliális sejtek. Ritka! Radiális glia - az apikális (kamrai!!) plazmamembrán csak 1-2%-a a teljes membránnak - a és c síkú osztódás tehát szimmetrikusan illetve asszimmetrikusan osztja a sejtet - osztódás komplex szabályozású, pl: Emx2 transzkripciós faktor a vertikális, szimmetrikus osztódást támogatja Götz, Huttner 2005 Pax6 transzkripciós faktor inkább az asszimmetrikus, neurogén osztódást támogatja Tis21 (BTG2) gén/fehérje expresszió (from off to on ) a neurogénné váló sejtekben transcriptional cofactor

54 Radiális glia - apikális membrán érintkezik a velőcső üregével, ahonnan az instruktív szignálok érkezhetnek - két transzmembrán fehérje Megalin - LDL-receptor related protein - mikrovillusok közti rések membránjában - megalin-hiányos embrióban neuroepitél prolif. károsul hiányos koleszterin uptake-hez társulva Prominin-I (CD133) - membrán protrúziókon - koleszterol-alapú mikrodoménben - részt vehet az apikális membrán asszimmetriájának kialakításában) apikális (kamra felé) megalin PAR3, PAR6, apkc.. (PAR-komplex) epitél polaritás szabályozás!! - adherens junction közelében, apikálisan - proliferatív osztódásnál szimm. öröklődik - neurogén osztódásnál asszimm.öröklődik (radiális glia örökli) Götz, Huttner 2005, Costa, Götz 2008, Shackelford, Shaw 2009

55 FABP7 (BLBP) Fatty acid binding protein 7 Brain lipid binding protein Radiális glia (DHA: Docosahexaenoic acid enriched in the brain) - hosszú láncú PUFA-kat köt (polyunsaturated fatty acids) radiális glia alakjának fenntartásában és neuronális migrációban van szerepe - támogatja a neurális őssejt/progenitor pool proliferációját - FABP7 -/- egerekben drámaian csökken a neurogenezis mértéke BLBP-GFP vektor elektroporálva, majd 24h in vitro fenntartva Liu, Godbout et al Schmid 2006 E14 E18

56 Hachem 2007 Radiális glia GFAP vimentin nestin (RC2 antigen) Nestin/BLBP Intermeder filamentumok E14 rat spinal cord Tenascin-C ECM S100b Cerebellum, E17.5. A: parasagittal section of the cerebellar vermis. In addition to neural cells, the EGFP reporter is strongly expressed in the mesenchyme underlying the CP.