Glia fiziológia I. Gliotranszmisszió. Gliotranszmitterek. Nem vezikuláris release. Kapcsoltság

Átírás

1 Csatornák, receptorok Ioncsatornák Aquaporinok Neurotransz mitter/neuro modulátor receptorok Glutamát receptorok GABA receptorok Citokin és kemokin receptorok Endotelin receptorok Komplement rendszer Purinoreceptorok Glia fiziológia I. Kapcsoltság, Ca++ Kapcsoltság Glia szincícium Gap junctions Hemichannels Asztro network térbeli/időbeli szabályozása Gliális Ca++, Ca++ hullámok Gliotranszmisszió Gliotranszmitterek Nem vezikuláris release Vezikuláris release Transzporterek, egyéb glia eredetű faktorok Gliális neurotranszmitter transzporterek Glutamát transzporterek GABA transzporterek Glycin transzporterek Egyéb transzporterek Ozmolitikumok Glia eredetű neuropeptidek Glia eredetű növekedési faktorok

2 II. Agyi homeosztázis szabályozása Ion-homeosztázis az extracelluláris térben K+ spatial buffering Retina, K+ siphoning Extracellular space Cl - homeosztázis Ca++ homeosztázis ph szabályozás [Glu] ec szabályozása Ammónia [GABA] ec szabályozása Víz - homeosztázis szabályozása Swelling

3 Intracelluláris K + ic: ~ mm Na + ic: <10 mm Ca ++ ic: <0,0001 mm Cl - ic: ~30-40 mm (glia) Cl - ic: ~2-10 mm (neuron) K + ec: ~2-2,5 mm Na + ec: ~130 mm Ca ++ ec: ~1.5-2 mm Cl - ec: ~100 mm Extracelluláris agyi környezet Érett makroglia: negatív nyugalmi membránpotenciál, ~ mv (negatívabb a neuronoknál), a K+ konduktancia túlsúlya miatt (ez a membránpotenciált a K+ egyensúlyi potenciáljához közel tartja) (Gliasejtekben nyugalmi állapotban csak K+-ra permeábilis a membrán, neuronban Na+, Cl- és K+ ionokra egyaránt). DE: glia e tekintetben nagyon heterogén társaság! Glia depolarizálható, de nem lesz regeneratív akciós potenciál Ioneloszlás gliasejtekben hasonló más sejtekhez, kivéve Cl -, mely magasabb asztroban és ODC-ben is más sejtekhez képest

4 Glia fiziológia tandem pore domain "leak" K + áramok Verkhratsky és Butt, 2007

5 Ioncsatornák K + csatornák (4 család, glián mindegyik jelen van) 1. Inward rectifier K + csatornák - ha a membrán depolarizált, zárva vannak. - ha a membrán hiperpolarizált, (jobban mint E K ), nyitva vannak - inkább a befelé történő K+ influxot engedik - ezek felelősek elsősorban a glia a negatív nyugalmi membránpotenciáljáért - és fontosak az extracell K+ gyors eltávolításában!! See later! - 20 féle K IR - K IR 4.1 -/- egér: elpusztulnak 8-20 napon belül: fehérállomány nem fejlett eléggé Kir4.1.: pl. ODC sejteken, lásd 03. előadás

6 Ioncsatornák Kondicionális K IR 4.1 -/- csak GFAP expresszáló sejtekben: Ezek is elpusztulnak naposan. Szintén myelin károsodik!! Tehát van egy glia progenitor pool, mely GFAP-t is expresszál de tud oligodendrogliát is képezni (O2A de GFAP+ csak késői stádiumában): itt ez károsodik!! Fehérállomány vakuolizált...

7 Ioncsatornák 1. K IR csatornák - más típusok is jelen vannak klb. gliasejtekben, pl. - K IR 5.1 család coassembly with Kir4.1 - K IR 3.0 család G-protein kapcsolt neurotranszmitter receptorokhoz asszociáltan - K IR 6.1, 6.2 ATP függőek, akkor aktívak ha. ic. ATP szint nagyon lecsökken segítenek a negatív nyugalmi membránpotenciál fenntartásában metabolikus challenge idején 2. Delayed rectifier K+ csatornák, K D (lassan inaktválódók) 3. Rapidly inactivating A-type K + channels, K A (gyorsan inaktválódók) 4. Calcium-activated K+ channels, K Ca - minden gliatípusban jelen vannak - sokféle K D csatorna de Big Potassium Small conductance calcium-activated potassium channels - K A -ból csak egyfélét, Kv1.4-et expresszálják gliasejtek SK - K Ca ból 3 féle van, gliában mindhárom (BK, SK, IK) előfordul - K D, K A, K Ca zárva vannak nyugalmi membránpotenciálon, - depolarizációkor nyitnak (-40 mv felett), ha ec K+ szint magas lesz - funkcióik: még bizonytalanok - Schwann sejtben Raniver-nél: K D -Kv1.5 és BK BK Potassium intermediate conductance calciumactivated channel IK

8 Ioncsatornák Feszültségfüggő Na + csatornák, Na V - sok gliatípusban - hasonlóak neuron/izom Na+ csatornáihoz - amiben különböznek: denzitásuk: 1 Na v /10 um 2 gliában (neuronban ez 10000/um 2 ) - szerepük??? de éretlen glia-típusokban és gliatumorokban több van Feszültségfüggő Ca ++ csatornák, Ca v - általában glia prekurzorokon és éretlen gliasejteken: növekedés, migráció, prolif. - glia-fejlődés alatt downregulálódnak - reaktív gliában up-regulálódnak - éretlen oligodendrocita nyúlványokban jelen van myelinációban szerep? - érett asztro/myelináló oligo sejtekben mikrodoménekben: funkció itt? - glia-nyúlványok patch clampja problémás... Irodalom kevéske... egyelőre Ca v jelen vannak, működnek..

9 AnIoncsatornák Klorid és más anion csatornák - fontos és jellemző: asztrociták aktívan tudnak Cl t akkumulálni, magas az ic. Cl - koncentrációjuk (kb 35 mm) - ez főleg a Na + /K + /Cl - (NKCC) kotranszporter működésének az eredménye - csatorna nyitás: Cl - efflux - funkció: talán asztro swelling és ec. Cl - konc. szabályozása Jayakumar, Norenberg 2010

10 AnIoncsatornák - csak mostanában kezdjük megérteni jelentőségüket a glia-biológiában - még sok technikai limitáció: pl. csatorna-spec antagonisták, ellenanyagok hiánya - Cl - a legnagyobb mennyiségben jelenlevő anion - ezeken a csatornákon át általában más anionok is vándorolhatnak: pl aminosavak - Cl - csatorna-családok: - CFTR channels - Ca ++ -activated Cl- channels - voltage-dependent anion-selective channels (VDACs) - ClC channels Fontosak asztroban: - volume regulated anion channels (VRACs) - Cl - csatornák asztroban való expressziója még csak néhány esetben igazolt, főleg in vivo adat kevés - pl. ClC2 van HC asztrocitákban, VRAC gyakori swelling, ozmoreguláció

11 Klorid csatornák Összegyűjtötte: Jády Attila

12 Ioncsatornák Aquaporinok AQP - homotetramer - mindegyik monomer bidirekcionális H 2 O transzportot enged meg az adott ozmotikus gradiens mentén - központi pórus ionokra/gázokra áteresztő Badaut 2011

13 Ioncsatornák Aquaporinok I. Aquaporinok: - elsősorban vízcsatornák - AQP0, 1, 2, 4, 5, 6, 8 II. Aquaglyceroporins: - víz, urea, glicerol, monokarboxilát (piruvát, laktát) transzport - AQP3, 7, 9, 10 III. Super-Aquaporinok: - citoplazmatikusak, ic. víz transzport, - organellum és vezikulaméret és homeosztázis - AQP11, 12-7 féle AQP van rágcsáló agyban - AQP1,4,9 jelenleg legismertebbek/fontosabbak AQP1: - choroid plexus epitélben - cerebrospinal folyadék előállítása AQP9: - májban a legnagyobb az expressziója - a hepatocitákban az AQP9 expresszióját a vér inzulin-tartalma szabályozza agyban is? - víz, glycerol, monokarboxilát diffúzió - agyban: tanyciták (ezek csak AQP9-et expresszálnak), endotél, egyes neuron populációk - glicerol, monokarboxilátok: energia szubsztrátok agyi energia metabolizmus!

14 Aquaporin4 Agyban leggyakoribb forma. Asztro végtalpon! M1: teljes hosszúságú AQP4 izoforma (splice variáns), ~34 kda, inkább egyedi csatornák M23: rövid izoforma -31 kda, nagy OAP, >100 partikulum TIRF images A: piros-quantum-dot jelölt AQP4 molekulák motilitása a membránban B: AQP4 szekvencia Crane 2008

15 Csatornák, receptorok Ioncsatornák Aquaporinok Neurotransz mitter/neuro modulátor receptorok Glutamát receptorok GABA receptorok Citokin és kemokin receptorok Endotelin receptorok Komplement rendszer Purinoreceptorok Glia fiziológia I. Kapcsoltság, Ca++ Kapcsoltság Glia szincícium Gap junctions Hemichannels Asztro network térbeli/időbeli szabályozása Gliális Ca++, Ca++ hullámok Gliotranszmisszió Gliotranszmitterek Nem vezikuláris release Vezikuláris release Transzporterek, egyéb glia eredetű faktorok Gliális neurotranszmitter transzporterek Glutamát transzporterek GABA transzporterek Glycin transzporterek Egyéb transzporterek Ozmolitikumok Glia eredetű neuropeptidek Glia eredetű növekedési faktorok

16 Neurotranszmitter/neuromodulátor receptorok - szinte minden receptort expresszálnak, amit a neuronok: lokálisan azt, amit az adott környezet adott idegsejtjei - így képesek neuronális működést érzékelni Sőt: térbeli szegregáció: pl. gátló szinapszisok közelében Bergmann gliában inkább GABA receptorok koncentrálódnak - nagyon gyakran amire receptoruk van azt saját maguk is képesek szekretálni Verkhratsky és Butt, 2007

17 Neurotranszmitter/neuromodulátor receptorok Neurotransmitter/neuromodulator receptors in glial cells scheme showing the multiplicity of neurotransmitter receptors expressed in different types of glial cells. IICR InsP3-induced Ca2+release; CICR Ca2+-induced Ca2+ release. Ionotropic receptors: NChr Nicotinic Cholinoreceptors; GABAAR GABA receptors; GLY glycine receptors; GluR glutamate receptors (AMPA, NMDA and KA receptors); P2X purinoreceptors. Metabotropic receptors: VIP vasoactive intestinal polypeptide receptors; MChR muscarinic cholinoreceptors; NPY neuropeptide Y receptors; mglur metabotropic glutamate receptors; BK bradykinin receptors; V2 vasopressin receptors; H1R histamine receptors; OX oxytocin receptors; P2Y metabotropic purinoreceptors; 1AR adrenergic receptors; SbP substance P receptors; PAF platelet activating factor receptors; ETB endothelin receptors; 5-HT serotonin receptors Verkhratsky és Butt, 2007

18 Neurotranszmitter/neuromodulátor receptorok Astrocyte NT receptors Ionotropic receptors A. Glutamate receptors: AMPA/Kainate, NMDA receptors B. GABAAreceptors C. P2X (ATP) Purinoreceptors D. Glycine receptors E. Nicotinic cholinoreceptors NChR Metabotropic receptors A. Glutamate receptors, mglurs B. GABAB receptors C. Adenosine receptors: A1, A2, A3 D. P2Y (ATP) Purinoreceptors E. Adrenergic receptors: 1AR, 2AR F. Muscarinic cholinoreceptors: mchr M1 M5 G. Oxytocin and vasopressin Receptors H. Vasoactive Intestinal: VIPR 1,2,3 I. Serotonin receptors: 5-HT1A, 5-HT2A, 5-HT5A J. Angiotensin receptors: AT1, AT2 K. Bradykinin receptors: B1, B2 L. Thyrotropic-releasing hormone receptors: TRH1 M. Opioid receptors N. Histamine receptors: H1, H2 O. Dopamine receptors: D1, D2 Asztro: - rengeteg-féle NT receptor, neuropeptid, kemokin, citokin receptor Verkhratsky és Butt, 2007

19 Neurotranszmitter/neuromodulátor receptorok Oligodendrocyte NT receptors Ionotropic receptors A. Glutamate receptors: AMPA/Kainate, NMDA B. GABAA receptors C. Glycine receptors Metabotropic receptors A. Muscarinic cholinoreceptors: mchr M1, M2 B. P2Y (ATP) Purinoreceptors ODC: kevesebb NT receptor, mint asztron, P2Y purinoreceptor a leggyakoribb, de van AMPA és NMDA is az érett, myelináló sejteken OPC : A1 adenozin rec., mgur, GABAB, gylcin rec. developmentally regulated and regulate OPC differentiation and myelination Verkhratsky és Butt, 2007

20 Neurotranszmitter/neuromodulátor receptorok Schwann cell NT receptors Ionotropic receptors A. P2X (ATP) Purinoreceptors Metabotropic receptors A. P2X (ATP) Purinoreceptors B. Endothelin receptors, ETB C. Tachykinin receptors, NK1 Schwann: kevesebb NT receptor, mint asztron, P2X és P2Y purinoreceptorok Endotelin receptorok chronic inflammatory pain Tachykinin (vazodilatátor..) rec.s Verkhratsky és Butt, 2007

21 Neurotranszmitter/neuromodulátor receptorok Microglia NT receptors Ionotropic receptors A. P2X (ATP) Purinoreceptors B. Glutamate receptors: AMPA/Kainate Metabotropic receptors A. P2Y (ATP) Purinoreceptors B. GABAB receptors C. Muscarinic cholinergic receptors D. Cytokine/complement receptors E. Chemokine receptors (CCR1 5, CXCR4..) F. Endothelin receptors: ETB Mikro: - sokféle NT receptor, kemokin, citokin receptor Verkhratsky és Butt, 2007

22 Glutamát receptorok - minden típus: 4-5 subunit - AMPAR, KAR: főleg Na+/K+ - NMDAR: nagy Ca++ permeabilitás - AMPAR: leggyorsabb deszenzitizáció, - NMDAR: leglassabb deszenzitizáció InsP3/DAG kaszkád camp kaszkád - asztrocitákon mglur1,3,5 - éretlen OPC-n és mikroglián is vannak

23 Ionotróp Glutamát receptorok AMPA-R - GluR1-4 - Na + /K +, gyors - ha GluR2 hiányzik: Ca ++ is - asztrocitákban : gyakori, pl. cortex, hippocampus, cerebellum, retina, spinal cord, corpus callosum minden agyterületen területén - mikroglia szubpopulációban (?) KA-R - GluR5-7 és KA1-2 subunits, Na + /K + - asztrocitákon, oligodendroglián elektrofiziológia hiányzik!! NMDA-R - NR1-NR2A-D-NR3A-3B subunits, Ca ++ - lassú válaszok - kérgi, gerincvelői asztrocitákon, Müller glián sőt oligodendrocitákon sőt myelinhüvelyen De szerintük NEM direkt a Glu/GABA hatás mikroglián! NMDARs might relay information about the volume of electrical traffic of the underlying axon to the sheath and perhaps even to the parent oligodendrocyte.

24 GABA receptorok GABA A -asztrocitákban minden agyterületen -ligand-vezérelt Cl - csatorna, olyan mint a neuronális DE - asztroban Cl - ic ~30-40 mm, neuronban 2-10 mm!! - asztroban Cl - ekvilibrium potenciál: - 40 mv, - neuronban Cl - ekvilibrium potenciál: - 70 mv, GABA A akitváció ra neuronba Cl- influx és hiperpolarizáció - gliában GABA A akitváció: Cl - efflux és depolarizáció következik be, SŐT a GABA A akitváció a gliális K+ csatornákat is gátolja és így facilitálja a depolarizációt GABA B néhány asztrocita és OPC szubpopulációban

25

26 Citokin és kemokin receptorok Minden gliatípusban, általában osztódás, Type I citokin receptorok növekedés, metabolizmus kontroll IL2 (beta), IL3, IL4, IL5, IL6, IL7, IL9, IL11, IL12, GM-CSF, G-CSF, Epo, LIF, CNTF, Thrombopoietin (TPO), Prolactin, Growth hormone Type II citokin receptorok IFN-alpha, IFN-beta, IFN-gamma, IL10, IL22, and tissue factor Chemokine receptorok CC chemokine receptors, CXC chemokine receptors, CX3C chemokine receptors, XC chemokine receptor Tumor necrosis factor receptor (TNFR) TGF-beta receptors TGFBR1, TGFBR2, and TGFBR3 Immunoglobulin szupercsaládba tartozó citokin receptorok IL1R (type I and II), IL6R, PDGFR, SCFR, CSF-1R, etc. JAK/STAT általában html

27 Endotelin receptorok - vazoaktív peptidek: simaizom-kontrakció, vérnyomásnövekedés - főleg endotélen - ET A, ET B1 and ET B2 receptorok - G protein coupled, ic Ca++ - ligand: ET1, ET2, ET3 (asztro szekretálja) -ET B -t találtak mikroglián is (Ca++ release ic. raktárakból) - ET A és ET B receptor van asztrocitákon: aktivációjukra csökken a GJ kapcsoltság!!! - swelling szabályozása gliában pl.

28

29 Astrocytes may play an important role in the genesis of glaucoma... zöldhályog Intraocular pressure (IOP) Ischemia/ hypoxia Tumor necrosis factor-α (TNF-α)

30 - C3, C4, C5 komplement Komplement rendszer fehérjék nagy glikoproteinek - ezek kis darabjai, a C3a, C4a, C5a az anaphylotoxin-ok (vérszérumban inflammatorikus reakciót indukálnak és ér áteresztő-képességet növelik; kemotaxis-reguláció, ROS termelés..) - asztro és mikroglián ezek receptorai expresszálódnak, és több komplement-komponenst saját maguk is szekretálhatnak

31 Purinoreceptorok Purinerg nukleotidok: ATP, adenozin és metabolitjaik Purinoreceptorok: P1-Adenozin és P2-ATP receptorok minden gliatípus expresszál valamennyit ezekből ATP: widespread gliotransmitter! 1972, Burnstock az ATP neurotranszmitter : nem adrenerg, nem kolinerg gátló neuronokban az autonóm idegrendszerben 1976, első purinreceptorok leírása 1992 után purinerg rendszer iránti érdeklődés nagyon megnő

32 Sejtből KI: exocitózis vagy transzportereken át AMP-nek jelenleg nincs ismert receptora NTPDases:ecto-nucleoside triphosphate diphosphohydrolases (ekto-atpázok) NTPDase 1-8 (humán), ATP ADP AMP 5 -nucleotidase (5'-NT): AMP adenosine

33 Glia fiziológia Purinoreceptorok Koffein: AR antagonista Adenozin P1 receptorok A1, A2A, A2B, A3 receptorok - G protein coupled metabotrop - asztrocitákban mindhárom lehet - extracell. adenozin általában ATP bontás - ektonukleotidázok révén keletkezik (de lehetséges neuronális vagy gliális adenozin release is) - AR stimulálás glutamát transzporter expressziót növeli asztrocitán - OPCn axon/glia kommunikációt közvetítenek

34 PT Porcine testis sejt Asztrocita + virus Viral Epidemics in a Cell Culture Gönci 2010

35 Primer asztrocita tenyészet + virus saját eredmény unpublished

36

37

38 Purinoreceptorok -ligand vezérelt ioncsatornák -trimerek: homo vagy heteromerek - ATP kötésre gyors konformációváltás; Na +, K +, Ca subunit, külön géneken kódolva -P2X7 aktivációra extra nagy pórust képez és hosszantartó Ca ++ influxot enged meg aktivációjához nagy ATP konc. kell : ez neuronsérüléskor jellemző -asztro, ODC, Müller glia, mikro gyors deszenzitizációs idők P2X7, P2Y12 Mikroglia!! - klasszikus 7 TM metabotrop receptorok - CNS-ben: P2Y1, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14 - ic Ca ++ tranziens (secmin) növekedése Coddou 2011 Verkhratsky és Butt, 2007

39 Schematic illustration of examples of signal transduction pathways in astroglial cells following P2X7R activation. After channel opening the P2X7R is permeable for Na+,K+ and Ca2+. Activation of the P2X7R triggers the efflux of K+ from cells and activates IL-1 converting enzyme, leading to cleavage of pro-il-1βto mature IL-1βand release from the cell. Many events downstream of P2X7R activation are dependent on extracellular calcium influx. Stimulation of ionotropic P2X7Rs leads to activation of phospholipases A2and D (PLA2, D) and protein kinase C (PKC), e.g. resulting in the activation of glycogen synthase kinase 3 (GSK3) or the activation of caspase cascades. Furthermore, the induction of second messenger and enzyme cascades promoted e.g. the activation of mitogen activated protein kinase (MAPK) pathway proteins (ERK1/2), p38 MAPK, and c- Jun N-terminal kinase (JNK) as well as PI3K/Akt activation. The activity of transcription factors, such as nuclear factorκb (NF-κB), cyclic element-binding protein (CREB), and activator protein (AP-1) are also up-regulated, leading to the expression of proinflammatory genes, such as cyclooxygenase-2 (COX-2) or inducible nitric oxide synthase (inos); this in turn causes the production of arachidonic acid (AA) or nitric oxide (NO), respectively. Finally, the release of ATP via pannexin-1 (Panx1) hemichannels as well as of ATP and glutamate via P2X7 Rs was also found to take place. The present data suggest that astroglial P2X7R stimulation is associated with neurological disorders leading to neuroinflammation, and apoptosis. The inset summarises examples of P2X7R mediated effects in astrocytes. Franke et al. 2012

40