AsztroGlia - neuron interakció

Átírás

1 AsztroGlia - neuron interakció protoplazmás asztroglia (szürkeállomány); rostos asztroglia (fehérállomány); oligodendroglia (CNS); Schwann sejt (PNS); radiális glia (cortex); Bergmann glia (cerebellum); Müller glia (retina); ependima (ependimocyta); tanicyta; pituicyta (hyipofízis, pituitary), pinealocyta (epyphysis, pineal gland); SVZ glia; microglia

2 Astrocytes: "Every textbook says they don't do anything, even though they're the major cell type in the brain." (Ben Barres) Astrocyte-neuron lactate transport is required for long-term memory formation. Suzuki A. et al., Cell (5): Neuron: glia arány 1:10 human 1:1 rodents 6:1 nematodes

3 Allen and Barres, 2009

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

5 In vitro In vivo GFAP: gliális fibrilláris savas fehérje (IF) Hoechst GFAP festés: az asztrocita térfogatának csak kb. 15%- át adja ki

6 P37 hgfap-egfp DAPI

7 Asztrociták Brainbow, Lichtmann 2007 www_biology_uiowa_edu_daileylab

8 Átlapolódó asztrocita territóriumok (domének) Bushong, Ellismann in Volterra, Meldolesi Nature Rev Neurosci, 2005

9 Asztroglia szincícium Rés-kapcsolatok Idegi hálózatok mellett Glia network!

10 Allen and Barres, 2009 asztro neuron

11 - agyi mikrovaszkulatúrával - több száz neuronális nyúlvánnyal egyetlen asztrocita kapcsolatban lehet - sok neuronális sejttesttel - akár több tízezer szinapszissal - idegi őssejt-niche tagja lehet I. szinaptikus működés szabályozása II. neuro-vaszkuláris kapcsoltság; metabolikus együttműködés III. neurogenezis

12 Tripartite szinapszis Halassa Glutamát reciklizálás - K + spatial buffering - Gliotranszmitter ürítés

13 Neuronális glutaminsav reciklizálása: glutamát-glutamin ciklus glutaminase [Glu] IC ~1-10 mm glutamine synthase [Glu] IV ~100 mm [Glu] IC ~50uM-1 mm [Glu] EC ~1uM Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, et al., editors. 1999

14 Serkentő (glutamaterg) szinapszis GLNase Bak LK. et al tricarboxylic acid cycle (TCA cycle; Krebs cycle; citric acid cycle)

15 - szabad ammónia keletkezik neuronban - hiperammonémia veszélyes lehet (gliózis, ödéma, ischemiás encephalopátia, felborult Glu/Gln ciklus) - agy ammónia ürítésének fő útja: gliális GS révén gyártott Gln leadása a vérbe -ha Gln[EC] olyan magas, hogy a neuronális Gln felvétel telített, akkor a gliális glutamin leadás gátlódik a system N transzport megfordulásával

16 System L : aminosav antiporter, gliális Gln ürítés és nem-neuroaktív aminosavakba (Leu, Ala) csomagolt ammónia felvétele (aminosav shuttle) System A transzporter: neuronális Gln felvétel ( concentrative, sodium-dependent and electrogenic ) System N : gliális Gln leadás/felvétel ( Na+-glutamine symporter and a H+ anti-porter, sodium-dependent, yet electroneutral Bak LK. et al. 2006

17 Gátló (GABA-erg) szinapszis glutamate decarboxylase GLNase Bak LK. et al GABA-erg neuronoknál fontosabb a re-uptake mint a szintézis - GABA-erg terminálisokban kisebb a Gln raktár - GLIA az idegi gátlást tudja kontrollálni ily módon!

18 Neuroenergetika (alap) (thought needs food) GLUT3: neuronális glükóz transzporter GLUT1: gliális glükóz transzporter Asztro: glikogén raktár! Luc Pellerin et al. 2007, 2010 MCT: laktát transzporter TCA cycle (monocarboxylate) Agyban: glükóz (majdnem) teljes oxidációja (6CO2+6H20)!! Agyi glikogén: (humán): 0,5-1,5g (0,1% of total brain weight)

19 Glutamáterg aktiváció: korai fázis 1. Glu ürülés szinapszisban AMPA receptor aktiváció, EPSP, Na+ belépés 2. depolarizációs hullám, fesz. függő Na+ csatornák nyílnak, Na+/K+ ATPáz visszaállítja iongradienst - ami sok energiát használ 3. oxidatív foszforiláció aktiválódik, NADH elhasználódik 5. De: AMPAR aktivációra a neuronális glükóz felvétel csökken 4. Citromsavciklus felpörög - piruvát elhasználódik, nő a glükóz és laktát lebontás 6. főleg laktátot használ az idegsejt!

20 Glutamáterg aktiváció: késői fázis 1. A szinaptikus résbe kerülő glutamátot az asztrocita felveszi (GLAST, GLT1 glutamát transzporterek) 2. ez nagy Na+ influxot is jelent, amit Na+/K+ ATPáz állít helyre 3. és aktiválódik a glükóz transzport 4. és a glükóz feldolgozás is a gliában 5. a glikolízis nagy citoplazmás NADH szint növekedést okoz ami segíti piruvát laktát átalakulást, és a laktát ürülést

21 Glutamáterg aktiváció: intenzív és hosszútávú stimuláció 1. intenzív glutamate reuptake asztrocitákban, és az ec. glükóz készlet hamar kimerül 2. ilyenkor a gliális glikogén mobilizálódik 3. glikolízis az elsődleges energiatermelési útvonal ilyenkor 4. és a laktát termelődés biztosítja a magas glikolitikus rátát

22 Amiről eddig beszéltünk : Asztrocita neuron laktát sönt hipotézis (ANLSH) Dienel GA, Cruz N Pellerin et al Astrocyte - neuron lactate shuttle Hipotézis!!! arról, hogy a neuronális aktivitás és glükóz felhasználás az asztrociták aerob glikolízisét és a neuronok laktát hasznosítását vonja maga után. A neurometabolikus community megosztott: csak glükózt vagy laktátot is használ az agy energiaként!!

23 Cell 144, , March 4, Patkány HC: tanulás során ec. glikogén eredetű laktát szint nő - Gliális laktát transzporterek (MCT4 vagy MCT1) kilövése amnéziát okoz, amit L-laktát visszaállít (de a glükóz nem!!) - Neuronális laktát transzporter hiánya szintén amnéziához vezet, amit sem a laktát, sem glükóz nem állít helyre

24 Spatial buffering K+ eltávolítása a tüzelő neuronok környezetéből az asztrocita-hálózat által Orkand RK, Nicholls JG, Kuffler SW (1966) Effect of nerve impulses on the membrane potential of glial cells in the central nervous system. of Amphibia. J Neurophysiol 29: nervus opticus stimuláció a nem mielinált axonok körüli gliában lassú de- és repolarizáció később extracelluláris mező-potenciál mérések és aktivitás-függő [K+]ec mérések Kofuji and Newman, 2004 optikai imaging agyszeleteken (intrinsic optic signals (IOS), ec. tér zsugorodása/tágulása)

25 Retina, K+ siphoning 1. K+ ürül az IPL (inner plexiform layer)-ből neuronális stimulációra 2. K+ bekerül a Müller gliába 3. K+ a Müller gliából főleg az erekbe és az üvegtestbe jut a végtalpakon keresztül 4. A fény által indukált ec. [K+] csökkenés a szubretinális térben K+ kiáramláshoz vezet a Müller gliából Newman 1996 K+ reservoir Müller sejten belül a K+ konduktancia 94%-a ide koncentrálódik! (kétéltűekben) siphoning...

26 Térbeli K+ pufferelés a gliasejtek nagy K+ permeabilitásától és a glia szincíciumtól függ Inward rectifier kálium csatornák (Kir) nagy denzitásban és lokalizáltan a glián (pl Kir4.1) Kir és Aquaporinok együttes előfordulása, kolokalizáció Benfenati and Ferroni, 2010

27 Asztroglia szincícium calcium hullám átugrik a sejtmentes sávon Ca ++ hullám a stimulált sejt körül Ca ++ hullám amit a perfúzió eltérít Hassinger TD, 1996, PNAS 93:

28 Gliotranszmisszió Asztrocita stimuláció (mechanikus, elektromos, neuronális) Gliális Ca++ válasz Gliotranszmitter ürítés Parakrin hatás környező asztrocitákra Neuronális működés szabályozása

29 Gliotranszmitterek Volterra, Meldolesi Nature Rev Neurosci, 2005

30 Ca ++ függő Glutamát release asztrocitákból In vitro több stimulus hat így: mechanikai, elektromos, Glu A Glutamát gliális mglurs és AMPA receptorok stimulációja által indítja be a gliális Glu ürítést Az asztrociták is szabályozott exocitózissal képesek glutamátot üríteni (a neuronokhoz hasonlóan) De: hemichannel is!! Gliából ürülő Glu extraszinaptikus neuronális NMDA receptorokat tud aktiválni: ezáltal pl. piramissejtek tüzelését szinkronizálni tudja kb 100 um távolságon belül 1 asztro koinnervál több neuront Gliális Glu preszinaptikus mglur vagy kainát receptorokon át növelni tudja a neuronális transzmitter ürítést

31 Volterra and Meldolesi 2005 Glutamát exocitózis asztrocitákból [Ca ++ ] ic hatására FM-64 kiürül a vezikulumokból VGLUT EGFP FM-64 festék TIRF együtt

32 ELMI Szinaptikus-szerű mikrovezikulák (SLMVs) asztrocitában (hippocampus) Méretre és formára is hasonlítanak a szinaptikus vezikulákhoz Volterra, Meldolesi Nature Rev Neurosci, 2005

33 (a) Normális hippocampusban az asztrociták Ca++ oszcillációja glutamát (b) ATP hatására (csillag) az asztrocitákban ürülést triggerel, Ca++ oszcilláció indul ami a piramissejtekben NMDAR-mediált (c) Ha ATP-t anti-konvulzáns valproáttal lassú, inward áramokat generál. Ezek az együtt adnak a glia Ca++ válasza gátlódik áramok szinkronizáltak klb. neuroncsoportokban. Halassa and Haydon rev. 2009

34 Szinaptikus transzmisszió modulációja asztrociták által Egy példa: heteroszinaptikus depresszió 1. Glutamát ürül (1, piros folt) amikor a Schaffer-kollaterális (S) - piramissejt (P) szinapszis nagy frekvenciájú tüzelése stimulál egy asztrocitát 2. Az asztrocita erre ATP kibocsátással reagál 3. Ez gyorsan adenozinná alakul (2; kék folt), ami egy másik S-P kapcsolatot a preszinaptikus adenozin A1 receptoron keresztül szupresszálni fog Volterra, Meldolesi Nature Rev Neurosci, 2005

35 Szinaptikus borítottság változása A hipotalamikus szupraoptikus magban az asztrociták morfológiai plaszticitása a tejelválasztással hozható összefüggésbe 1. oxytocin-termelő idegsejteken levő szinapszisokról asztrociták visszahúzzák nyúlványaikat laktáció alatt 2. így a glia kevésbé tudja visszavenni a szinapszisba ömlő glutamátot, ami képes távolabb elhelyezkedő gátló mglur receptorokat aktiválni preszinaptikusan vagy szomszédos GABAerg terminálisokon 3. Ez a neurotranszmitter-ürülés homo- és heteroszinaptikus depresszióját okozza: csökken a szinaptikus hatékonyság (csökken a neuroszekretoros sejteket beidegző afferensek hatása)

36 D-serine mint gliotranszmitter D-serine függő metaplaszticitás Szupraoptikus magban : (a) asztrocita-eredetű D- serine el tudja érni az NMDA receptorokat, és segíti az NMDAR mediálta transzmissziót és az LTP kialakulását (b) Ha a glianyúlványok visszahúzódnak, a D-serine nem tud ko-agonistaként működni az NMDA receptorokon, LTD alakul ki inkább (c) Gyors asztrocita (zöld) nyúlvány mozgás a dendrittüske (piros) körül Halassa and Haydon rev. 2009

37 Asztrociták és szinaptogenezis Néhány hetes tiszta RGC (retinal ganglion cell) vagy gerincvelői motoneuron tenyészet: - alacsony szinaptikus aktivitás, - szinaptikus fehérjék alacsony szintje Asztroglia + RGC kokultúra: - nagy szinaptikus aktivitás (100 X); - szinapszisszám nő (7X) 1 héttel asztrociták eltávolítása után a kokultúrákból: - a legtöbb szinapszis eltűnik (Ullian EM. Christopherson KS, Barres BA. Glia Aug 15;47(3): )