2011.04. 06.
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
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. 2011 144(5):810-23.
Neuron: glia arány 1:10 human 1:1 rodents 6:1 nematodes
Allen and Barres, 2009
GFAP: gliális fibrilláris savas fehérje (IF) Hoechst
• vér/agy gát (asztroglia-endotél) • liquor/agy gát (asztroglia-ependima) • glia limitans (asztroglia-pia mater)
In vitro
In vivo
GFAP: gliális fibrilláris savas fehérje (IF) Hoechst
GFAP festés: az asztrocita térfogatának csak kb. 15%át adja ki
hGFAP-EGFP DAPI
P37
Asztrociták
Brainbow, Lichtmann 2007
www_biology_uiowa_edu_daileylab
Átlapolódó asztrocita territóriumok (domének)
Bushong, Ellismann in Volterra, Meldolesi Nature Rev Neurosci, 2005
Asztroglia „szincícium” Rés-kapcsolatok Idegi hálózatok mellett Glia network !
asztro neuron
Allen and Barres, 2009
- 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
„Tripartite” szinapszis
Halassa 2007
-Glutamát reciklizálás - K+ „spatial buffering” - Gliotranszmitter ürítés
Neuronális glutaminsav reciklizálása: glutamát-glutamin ciklus
glutaminase glutamine synthase
[Glu]IC~1-10 mM [Glu]IV~100 mM
[Glu]IC~50uM-1 mM
[Glu]EC~1uM
Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, et al., editors. 1999
Serkentő (glutamaterg) szinapszis
GLNase
Bak LK. et al. 2006
tricarboxylic acid cycle (TCA cycle; Krebs cycle; citric acid cycle)
- 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
„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
„System L” : aminosav antiporter, gliális Gln ürítés és nem-neuroaktív aminosavakba (Leu, Ala) „csomagolt ammónia felvétele (aminosav shuttle)
Gátló (GABA-erg) szinapszis
glutamate decarboxylase
Bak LK. et al. 2006
GLNase
- 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 !
Neuroenergetika (alap) GLUT3: neuronális glükóz transzporter
(thou ght n eeds food) GLUT1: gliális glükóz transzporter
Luc Pellerin et al. 2007, 2010
Asztro: glikogén raktár !
MCT: TCA cycle laktát transzporter (monocarboxylate)
Agyban: glükóz (majdnem) teljes oxidációja (6CO2+6H20) !!
Agyi glikogén: (humán): 0,5-1,5g (0,1% of total brain weight)
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 !
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
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
Amiről eddig beszéltünk : Asztrocita – neuron laktát sönt hipotézis (ANLSH) Dienel GA, Cruz N. 2004 Pellerin et al. 2007
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 !!
Cell 144, 810–823, March 4, 2011
- 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
„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 29:788–806. 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)
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...
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
Asztroglia szincícium
calcium hullám „átugrik” a sejtmentes sávon
Ca++ hullám a stimulált sejt körül
Ca++ hullám amit a perfúzió eltérít
Hassinger TD, 1996, PNAS 93:13268-13273
Gliotranszmisszió
Asztrocita stimuláció (mechanikus, elektromos, neuronális)
Gliális Ca++ válasz
Gliotranszmitter ürítés
Parakrin hatás Neuronális működés környező asztrocitákra szabályozása
Volterra, Meldolesi Nature Rev Neurosci, 2005
Gliotranszmitterek
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 glutamátot üríteni (a neuronokhoz hasonlóan)
képesek
• 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
Volterra and Meldolesi 2005
Glutamát exocitózis asztrocitákból [Ca++]ic ↑ hatására FM-64 kiürül a vezikulumokból
VGLUT EGFP FM-64 festék együtt
TIRF
ELMI Szinaptikus-szerű mikrovezikulák (SLMVs) asztrocitában (hippocampus) Méretre és formára is hasonlítanak a szinaptikus vezikulákhoz
Volterra, Meldolesi Nature Rev Neurosci, 2005
(a) Normális hippocampusban az asztrociták Ca++ oszcillációja glutamát ürülést triggerel, ami a piramissejtekben NMDAR-mediált lassú, inward áramokat generál. Ezek az áramok szinkronizáltak klb. neuroncsoportokban.
(b) ATP hatására (csillag) az asztrocitákban Ca++ oszcilláció indul (c) Ha ATP-t anti-konvulzáns valproáttal együtt adnak a glia Ca++ válasza gátlódik Halassa and Haydon rev. 2009
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
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 homoés heteroszinaptikus depresszióját okozza: csökken a szinaptikus hatékonyság (csökken a neuroszekretoros sejteket beidegző afferensek hatása)
D-serine mint gliotranszmitter D-serine függő metaplaszticitás Szupraoptikus magban : (a) asztrocita-eredetű Dserine 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
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. 2004 Aug 15;47(3):209-16.)
