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

Glia fiziológia I.

Gliotranszmisszió

Csatornák, receptorok

Kapcsoltság, Ca++

Gliotranszmitterek

Ioncsatornák

Kapcsoltság

Nem – vezikuláris release

Aquaporinok

Glia szincícium

Vezikuláris release

Neurotransz mitter/neuro modulátor receptorok

Gap junctions

Transzporterek, egyéb glia eredetű faktorok

Glutamát receptorok

GABA receptorok Citokin és kemokin receptorok

Hemichannels Asztro network térbeli/időbeli szabályozása

Gliális Ca++, Ca++ hullámok

Gliális neurotranszmitter transzporterek Glutamát transzporterek GABA transzporterek Glycin transzporterek

Endotelin receptorok

Egyéb transzporterek

Komplement rendszer

Glia eredetű neuropeptidek

Purinoreceptorok

Ozmolitikumok Glia eredetű növekedési faktorok

Glia fiziológia II. Agyi homeosztázis szabályozása

Ion-homeosztázis az extracelluláris térben „K+ spatial buffering” Retina, K+ siphoning Extracellular space Cl- homeosztázis

[Glu]ec szabályozása Ammónia [GABA]ec szabályozása

Ca++ homeosztázis

Víz - homeosztázis szabályozása

pH szabályozás

Swelling

Glia fiziológia Érett makroglia: negatív nyugalmi membránpotenciál, ~-80-90 mV (negatívabb a neuronoknál), a K+ konduktancia túlsúlya miatt (ez a membránpotenciált a K+ egyensúlyi potenciáljához közel tartja) (Gliában 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

K+ic: ~100-140 mM Na+ic: <10 mM Ca++ic: <0,0001 mM Cl-ic: ~30-40 mM

Glia fiziológia

Verkhratsky és Butt, 2007

Glia fiziológia

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 EK), 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 KIR - KIR4.1 -/- egér: elpusztulnak 8-20 napon belül: fehérállomány nem fejlett eléggé

Kir4.1.: pl. ODC sejteken, lásd 03. előadás

Glia fiziológia

Ioncsatornák

Kondicionális KIR4.1 -/- csak GFAP expresszáló sejtekben: Ezek is elpusztulnak 20-24 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...

Glia fiziológia

Ioncsatornák

1. KIR csatornák - más típusok is jelen vannak klb. gliasejtekben, pl. - KIR5.1 család coassembly with Kir4.1 - KIR3.0 család G-protein kapcsolt neurotranszmitter receptorokhoz asszociáltan - KIR6.1, 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, KD (lassan inaktválódók) 3. Rapidly inactivating A-type K+ channels, KA (gyorsan inaktválódók) 4. Calcium-activated K+ channels, KCa -

minden gliatípusban jelen vannak sokféle KD csatorna de KA-ból csak egyfélét, Kv1.4-et expresszálják gliasejtek KCa –ból 3 féle van, gliában mindhárom (BK, IK, SK) előfordul KD, KA, KCa zárva vannak nyugalmi membránpotenciálon, depolarizációkor nyitnak (-40 mV felett), ha ec K+ szint magas lesz funkcióik: még bizonytalanok Schwann sejtben Raniver-nél: KD-Kv1.5 és BK

Glia fiziológia

Ioncsatornák

Feszültségfüggő Na+ csatornák, NaV - sok gliatípusban - hasonlóak neuron/izom Na+ csatornáihoz - amiben különböznek: denzitásuk: 1 Nav/10 um2 gliában (neuronban ez 10000/um2) - szerepük ??? – de éretlen glia-típusokban és gliatumorokban több van

Feszültségfüggő Ca++ csatornák, Cav -

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

Cav jelen vannak, működnek..

Glia fiziológia

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

Glia fiziológia

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

Klorid csatornák

Összegyűjtötte: Jády Attila

Glia fiziológia

Ioncsatornák

Aquaporinok

AQP - homotetramer - mindegyik monomer bidirekcionális H2O transzportot enged meg az adott ozmotikus gradiens mentén - központi pórus ionokra/gázokra áteresztő http://glia-uab.infomedia.com/content.asp?id=113337

Badaut 2011

Glia fiziológia

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 fluid formation 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 !

Glia fiziológia 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

Glia fiziológia

Neurotranszmitter/neuromodulátor receptorok

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


Glia fiziológia

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

Glia fiziológia


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


Glia fiziológia


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

Glia fiziológia


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


Glia fiziológia


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


Glia fiziológia


- 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

Glia fiziológia

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 (?)

De szerintük NEM direkt a Glu/GABA hatás mikroglián !

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

NMDARs might relay information about the volume of electrical traffic of the underlying axon to the sheath and perhaps even to the parent oligodendrocyte.

Glia fiziológia

GABA receptorok

GABAA -asztrocitákban minden agyterületen -ligand-vezérelt Cl- csatorna, olyan mint a neuronális DE - asztroban Cl-ic ~35mM, neuronban 3-5 mM !! - asztroban Cl- ekvilibrium potenciál: - 40 mV, - neuronban Cl- ekvilibrium potenciál: - 70 mV, GABAA akitváció ra neuronba Cl- influx és hiperpolarizáció - gliában GABAA akitváció: Cl- efflux és depolarizáció következik be, SŐT a GABAA akitváció a gliális K+ csatornákat is gátolja és így facilitálja a depolarizációt

GABAB néhány asztrocita és OPC szubpopulációban

Glia fiziológia

Citokin és kemokin receptorok

• Type I citokin receptorok 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

JAK/STAT általában

• Immunoglobulin szupercsaládba tartozó citokin receptorok IL1R (type I and II), IL6R, PDGFR, SCFR, CSF-1R, etc.

http://www.sinobiological.com/Cytokine-Receptor-classification-signaling-disease-therapeutic-targeting-a1311.html

Minden gliatípusban, általában osztódás, növekedés, metabolizmus kontroll

Glia fiziológia Endotelin receptorok

- vazoaktív peptidek: simaizom-kontrakció, vérnyomásnövekedés - főleg endotélen - ETA, ETB1 and ETB2 receptorok - G protein coupled, ic Ca++ ↑ - ligand: ET1, ET2, ET3 (asztro szekretálja) -ETB-t találtak mikroglián is (Ca++ release ic. raktárakból) - ETA és ETB receptor van asztrocitákon: aktivációjukra csökken a GJ kapcsoltság !!! - swelling szabályozása gliában pl.

http://www.endothelin-conferences.org/Endothelin%20Biology/

„Astrocytes may play an important role in the genesis of glaucoma...” zöldhályog

Intraocular pressure (IOP)

Ischemia/ hypoxia Tumor necrosis factor-α (TNF-α)

Glia fiziológia Komplement rendszer

- C3, C4, C5 komplement 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

Glia fiziológia 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

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 http://www.uni-leipzig.de/~straeter/research/ntpdase.html

Glia fiziológia Purinoreceptorok

http://www.herbalzym.com/

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

Glia fiziológia PT Porcine testis sejt

Asztrocita + virus

Viral Epidemics in a Cell Culture Gönci 2010

Glia fiziológia

Primer asztrocita tenyészet + virus

saját eredmény unpublished

Glia fiziológia Purinoreceptorok -ligand vezérelt ioncsatornák -trimerek: homo vagy heteromerek - ATP kötésre gyors konformációváltás; Na+, K+, Ca++ - 7 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

- klasszikus 7 TM metabotrop receptorok - CNS-ben: P2Y1, P2Y6, P2Y11, P2Y12, P2Y13, P2Y14 - ic Ca++ transiens (secmin) növekedése ↑ P2X7, P2Y12 gyors deszenzitizációs idők Mikroglia !!

Coddou 2011 Verkhratsky és Butt, 2007

Glia fiziológia I.

Gliotranszmisszió


Kapcsoltság, Ca++

Gliotranszmitterek

Ioncsatornák

Kapcsoltság


Aquaporinok

Glia szincícium



Gap junctions









Komplement rendszer


Purinoreceptorok


Glia fiziológia

Glia szincícium (syncytium)

Kapcsoltság

1968-69 Gerschenfeld H.M. elsők közt írta le, hogy – a gliasejtek karakterisztikus sajátsága, hogy rés-kapcsolatokon át kapcsoltak - a neurotranszmitterek ezt a kapcsoltságot modulálják, neuron-asztro kommunikáció

izom – egy, többmagvú sejt szívizom – több sejt, gap junctions “pan-glial syncytium” asztro-ODC-ependyma.. recently Christian Giaume Ken McCarthy Cx43 asztro tenyészet „..glial cells are not organized as a syncytium, as initially proposed, but rather as networks of communicating cells with defined spatial organization and plasticity, as their modalities of intercellular communication are controlled by endogenous signals in normal and in pathological situations..”

Kapcsoltság

Glia fiziológia active contribution of glia to information processing

glial cells have developed mechanisms alternative to synaptic transmission that is characteristic of neurons

gap junction channels (GJ) gap junctional plaques

Connexins Cx

gap junction kifejezés: “gap”: 2-2,5 nm rés a sejtek között

Pannexins Panx

hemichannels (HCs) Giaume, Liu 2011

http://www.cytochemistry.net/cell-biology/membrane2.htm

Glia fiziológia

Gap junctions

http://www.unmc.edu/biochemistry/ Paul Sorgen

- két sejt közti rés csak 2-2,5 nm - connexinek (6 db)  connexon - ~20 altípus (26-62 kDa; pl. Cx43 – 43 kDa) - minden connexinben 4 TM domén - homomer vagy heteromer connexonok - homocelluláris vagy heterocelluláris kapcsolat - 1,5 nm pórus: relatív nagy, akár 1 kDa molekulák is átjuthatnak, Ip3, ATP, vitaminok és ionok – elektromos kapcsoltság is - ‚open’-’closed’ állapotok - hemichannels

Glia fiziológia

Gap junctions

GJ csatorna nyitását szabályozza: - nagy Ca++ic ↑: permeabilitás ↓ - pH ↓: permeabilitás ↓ - connexin foszforiláltság, diszulfid hidak.. - feszültségfüggés Asztroban is van Hiánya: congenital deafness

Plug gating model for transjunctional voltagedependent gating of the Cx26 gap junction channel.

Maeda 2011

A: ha nincs feszültségklbség a két sejt között: N-terminális hélixek (NTH) az 1 TM régióhoz simulnak hidrofób módon B: pozitív elektromos mező „kihúzza” az Asp2-t (ez negatív töltésű-), NTH a pórusba kerül, dugót képez.

Glia fiziológia

Connexinek - Pannexinek

Kapcsoltság

PanX - gerinctelen innexinekkel homológok – így azonosítják őket - tulképp nagy transzmembrán csatornák: csak hemichannel-t képeznek

Oroszok 

Asztro: - PanX: egyelőre nincs expressziójukra meggyőző bizonyíték - főleg: Cx43, Cx30, kevesebb: Cx26, Cx40, Cx45 - Cx43 embrionális kortól, Cx30 - 2. posztnat héttől csak szürkeállományban

Mikroglia: - aktivációra Cx43, illetve Panx1, Cx32

Schwann sejt - myelináló sejt: Cx32 - éretlen Schwann: Cx46

Neuronok: NG2 glia: - Cx26, Cx32, Cx36, Cx37, Cx40, Cx43, Cx45, Cx47 - nem kapcsolt (nincs illetve Cx43 és Cx32 is jelen lehet erre jelenleg adat) - Cx36 – csak neuronokban ! - Panx1 is jelen van több neuronális populációban és PSD95-tel kolokalizál: szinaptikus funkcióban is szerepe lehet, szintje már születés környékén magas - Panx2 is jelen van neuronokban, főleg felnőttben Giaume, Liu 2011

Kapcsoltság

Glia fiziológia

Astrocyte–astrocyte (A/A) coupling “pan-glial syncytium” - Cx30 és Cx43 kolokalizál asztro GJ plakkokban - variációk: Cx30/Cx30, Cx43/Cx30, and Cx43/Cx43 - eddigi elfiz adatok: kolokalizáció ellenére inkább homotipikus GJ valószínű (nagyobb festékterjedés, ha csak Cx30-at vagy Cx43-at expresszáltatnak pl. HeLa sejtekkel) Astrocyte–oligodendrocyte (A/O) coupling Lásd még: 3. előadás ! - GJ-t sokkal inkább a szomszédos asztrokkal képeznek, mint más ODC-kal - A/O kapcsolat heterotipikus kell legyen, mert ODC-k más Cx-ket expresszálnak, mint asztrok: Cx29, Cx32, Cx45, Cx47 Oligodendrocyte–oligodendrocyte (O/O) coupling - újabban van csak néhány adat O/O GKJ kapcsolatra (corpus callosumban) - Cx32 és Cx47 vesz részt ezekben az O/O kacsolatokban Neuron-glia coupling - kevés bizonyíték van neuron-glia GJ kapcsoltságra - neuron-neuron inkább? Neuronális kapcsoltság nő, ha neuron sérül !

Giaume, Liu 2011

Orthmann-Murphy 2008

Glia fiziológia - átlagosan egy asztro-pár a szürkeállományban 230 GJ-vel kapcsolt: magas fokú kapcsoltság !! - Lucifer yellow, Alexa dyes… (~450 kDa), biocitin: 1 asztroba injektálva – 50-100 szomszédos asztro jelölődik

Kapcsoltság 300 um slice

50 um slice

- kapcsoltság mértéke agyterületenként nagyon eltér: cortexben szinte teljes kapcsoltság (~100%); látóidegben 80%, HC-ban csak 50%, corpus callosumban szinte semmi Astrocytic coupling in the neocortex and in the corpus callosum. Biocytin. GFAP-GFP mice

Glia fiziológia Kapcsoltság P11 egér

Houade, Giaume 2006

Asztro biocitin jelölése cortexben Asztro azonosítás morfológia/elfiz alapján

P11 egér, Asztro biocytin jelölése HC-ban, CA1

Glia fiziológia Kapcsoltság

A1,A2: stratum radiatum közepén koncentrikus B1–C2: stratum radiatum közel a piramissejt-réteghez : ekkor 2 féle jelölés B1,B2: biocytin jelölés megáll a pirmissejt-rétegben C1,C2: biocytin megjelöl asztrokat a stratum oriens-ben is

Houade, Giaume 2006

- asztrociták a CA1-ben jobban (dye- coupled) kapcsoltak, mint CA3-ban - ennek funkcionális jelentősége még ?? - de: CA1 – kevés kapilláris CA3-hoz képest: metabolikus szignálok jobban terjedhetnek a kevésbé vaszkularizált területeken így ??

Glia fiziológia

Glia szincícium (syncytium) Kapcsoltság vizsgálata

Kapcsoltság

- elektrofiziológia, ionáramok, inhibitorok: carbenoxolone, GRA, .. - dye coupling - intracellular calcium imaging - flash photolysis of caged compounds - recovery after photobleaching (FRAP) - local activation (LAMP) of fluorescent probes

slide

Glia fiziológia

Kapcsoltság

barrel cortex: szomatoszenzoros kéreg IV. réteg

http://www.bacofun.medizin.uni-mainz.de/102.php

Kapcsoltság “Such anatomofunctional organization offers an ideal model to study how astrocytic networks are organized in reference to neuronal compartments” A: akut szelet, infravörös megvilágítás

B: morfológia és méret alapján kiválasztott asztro egy patch pipetta végén C, D: biocytin immunfestés, P5 és P10 E: carbenoxolone (100M) F: biocytin+ sejtek számolása: P5P10 közt nagy váltás

Kapcsoltság

A–C: Barrel cortex, már P6-nál több a Cx43 a barrelekben. Diffúz, “stellate pattern”. D-E: Cx43 koronális és tangenciális metszeten, P10 F, G, Cx43 koronális metszeteken a barreleken belüli és azokon kívüli területeken, P20 H: Cx30 tangenciális metszeten, P20 I–K: Cx43 és Cx30 fenőttben megmarad. Houades 2008

Kapcsoltság

A1-A2: festékterjedés 20 perccel sulphorodamin beadása után, barrelen belüli asztrociták közt B1-B2, festékterjedés 20 perccel sulphorodamin beadása után, barrelek közti septumban levő asztrociták közt

Houades 2008

P10, biocytin és sulforhodamine B-vel kapott kapcsoltság nagyon más !!! : kapcsoltsági csoportok mérete: Biocytin: 73 +-17 és SB:15+-1

“ astrocytic networks parallel the columnar compartmentalization of neurons in the somatosensory cortex” Houades 2008

Kapcsoltság

- asztrok kapcsoltak glomerulusokon belül, de glomerulusok között nem - KO egerek: Cx30 végzi itt a kapcsolást bár Cx43 is van

Sejtből KI: exocitózis vagy transzportereken át

PURINERG RENDSZER

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 http://www.uni-leipzig.de/~straeter/research/ntpdase.html

• • •

• •

•

Asztro network térbeli/időbeli szabályozása

!

Cx43 átengedi: Kapcsoltság - cAMP, InsP3 - Ca2+ - AS: glutamate, aspartate and taurine milyen connexint expresszálnak asztrok - nucleotidok: ADP, ATP, CTP, NAD - energia-metabolitok: glucose, Cx kipakolódás/visszavétel szabályozása glucose-6-phosphate and lactate GJ nyitottság szabályozása - kis peptidek pl. glutathione neuronális aktivitás, más agyi sejtek által - RNS termelt faktorok, glia-aktiváció : … Cx30 átengedi: neurotranszmitterek, endotelinek - kevesebb info, eddig: (gátlás!), citokinek… -ATP, InsP3, aspartate, Cx kompatibilitás (homo/heteromerek) glutamate, glucose and lactate - selective for cations over csatorna szelektivitása (tradicionálisan anions “poorly selective channels” – de a “dye spreading” – nem azonos biomolekulák átjutásával !! ) Cx30/Cx30 és Cx43/Cx43 és csatorna feszültség-függése szintén Cx30/Cx43 csatornák is feszültségszűrheti, milyen molekulák merre függőek (konduktanciájuk a jutnak át transzmembrán feszültségtől függ) - sejtek izolálhatják magukat pl. sérült sejtektől

Glia fiziológia

Giaume, Liu 2011

Ca++ szignalizáció nagyon általános, rengeteg minden szabályozza ic Ca++ szintet: térben/időben nagyfokú szabályozottság kell !

NMDA rec ! LTP...

Ca++

Glia fiziológia szabad Ca++ kevés a sejtben !

Ca++ homeosztázis fő útvonalai/komponensei

Glia fiziológia Ca++ Store operated Ca++ channel (SOOC) vagy „capacitative” Ca++ entry ic Ca++ raktár kiürülése Ca++ influxot indukál

Verkhratsky Butt 2007

NCX – Na+/Ca2+ exchanger; PMCA – Plasmalemmal Calcium ATP-ase; Ca2+–BP –Ca2+ binding proteins; InsP3R – Inositol-1,4,5-trisphosphate Receptor/Inositol-1,4,5-trisphosphate-gated Ca2+ channel; RyR – Ryanodine Receptors/Ca2+-gated Ca2+ channel; SERCA – Sarco(Endo)plasmic Reticulum Calcium ATPase. Intra-ER Ca2+ binding proteins also act as Ca2+ dependent chaperones, which are enzymes controlling protein folding into the tertiary structure. PTP – permeability transition pore

* Calcium-induced Ca++ release koffein ! ic Ca++ koncentráció↑: RyR2, RyR3 receptorokat (csak ez a szignál!) aktiválja:ER-ból is Ca++ release citoszolba * Depolarization-induced Ca++ release Depolarizáció – RyR1 receptor-aktiváció * InsP3-induced gliában ez a fő útvonal Ca++ release ha ic Ca++ ↑ : InsP3-Rec érzékenysége nő InsP3-ra * Ca++ spark, puff egyetlen RyR vagy Insp3R nyitása miatt bekövetkező citoszolikus Ca++ ↑ és ez továbbadódhat: * propagating intracelllular Ca++ wave * Ca++ excitotoxicity ha túl sokáig magas az ic Ca++

Glia fiziológia gliában RyR szerepe Ca++ signalingban kicsi vagy semmi

Ca++

RyR és InsP3 Ca++ érzékenysége miatt alakulhat ki ez a tovaterjedő Ca++ hullám nem maga a Ca++ ion terjed tova, hiszen ez azonnal kikötődik Ca++kötő fehérjékhez hanem újabb és újabb Ca++ efflux történik !

Glia fiziológia

Ca++

Ca++ wave starfish egg

- glia – neuron közti különbség: gliasejtekben ritka a feszültségfüggő Ca++ csatorna: legtöbb érett gliában (asztro, ODG, Schwann) nincs, progenitorokban van – éréskor eltűnik - másik különbség: glia ER-ben a Ca++ konc.:100-300 uM (neuronban: 300-800uM) - Ca++ influx érett gliába: főleg ligand-gated csatornákon: ionotróp glutamát receptor, P2X purinoreceptor - metabotrop receptorok Ca++ hullám indításában fontosak metabotrop receptorok magas Ca++ szint tovább fennmarad, mint maga a stimulus

InsP3

ER kimerül Ca++ influx (SOOC)

InsP3Rec aktiváció ER

ER-ből Ca++ release citoszolba

- ez lehet egyszeri (peak), több száz mp-ig tartó Ca++ plateau - vagy ismétlődő oszcilláció !!

Carroll 1997

Asztroglia monolayer in vitro

Glia fiziológia

propagating intercelllular Ca++ wave

calcium hullám „átugrik” a sejtmentes sávon

Ca++

Ca++ hullám a stimulált sejt körül

ATP Hassinger 1996

Ca++ hullám amit a perfúzió eltérít

propagating intercelllular Ca++ wave fenntartása:

Glia fiziológia Ca++ waves

A: intracell InsP3 diffúzió

B: regeneratív Ca2+- függő ‘gliotransmitter’ release és extracell diffúzió C: fokális gliotranszmitter release, mely nagy távolságra diffundál (több száz um-re is, ~15-20 um/sec)

Asztrocitahálózatok az agy klb területein máshogy szabályozódnak: Pl. Cx43 KO esetén kéregben nincs hullám de HC-ban megmarad

Neuronális akciós potenciál: ms Asztro Ca++ hullám: sec-min

Glia fiziológia Ca++ waves Spontán calcium oszcillációk asztrocitákban. Hippocampus, CA1. A: Calcium Green AM B: GFAP/S100 immunostaining. C: overlay D: average fluorescence intensities from boxes 1–5 normalized to baseline level, and plotted over time. Four of the 5 cells exhibited spontaneous calcium oscillations and all cells responded to tACPD (mGluR agonist) application with a calcium increase. s.r., stratum radiatum; s.p., stratum pyramidale


Ca++ oszcillációk HC asztro Nyúlványaiban Oregon Green BAPTA-1 töltés

A: regions of interest (ROI) B: a 4 nyúlvány elég különböző Ca++ jeleket ad C. II. csoport kinagyítva: Ca++ ↑ ROIs 9-10 területén kezdődött, innen ic. calcium hullám halad végig a nyúlványon

Nett 2002


Nucleus accumbens, Patkány agyszelet Fluo-4AM töltött sejtek, ATP hatás Molnár, Kardos 2011

Na de mire jók ezek a Ca++ hullámok ?

Intercelluláris Ca++ hullámok : - normál felnőtt agyban, in vivo : ??? - in vitro - in vivo a fejlődő agyban

- specializált szövetekben

(pl. Retina)

- patológiás esetekben (pl. Alzheimer kór, epilepszia ) ha szinaptikus aktivitást gátolják és fesz.függő Ca++ csatornákat blokkolják neuronokon akkor is kilakulhat lassú neuronális depolarizáció: „photolysis of caged Ca2+” elegendő gliális Ca++ szint növekedés kiváltásához gliális Glutamát release

epileptikus aktivitás

http://www.rikenresearch.riken.jp/eng/research/7018

„..We monitored calcium activity simultaneously from hundreds of mouse hippocampal astrocytes in vivo and found that almost all astrocytes participated en masse in regenerative waves that propagated from cell to cell (referred to here as “glissandi”). Glissandi emerged depending on the neuronal activity and accompanied a reduction in infraslow fluctuations of local field potentials and a decrease in the flow of red blood cells. This novel phenomenon was heretofore overlooked, probably because of the high vulnerability of astrocytes to light damage; glissandi occurred only when observed at much lower laser intensities than previously used...”

„...By using 2-photon microscopy in rodent cerebellar cortex labeled with fluorescent indicator dyes or the calcium-sensor protein G-CaMP2, we discovered spontaneous calcium waves that filled approximately ellipsoidal domains of Bergmann glia processes. Waves spread in 3 dimensions at a speed of 4-11 microm/s to a diameter of approximately 50 microm, slowed during expansion, and were reversibly blocked by P2 receptor antagonists. Consistent with the hypothesis that ATP acts as a diffusible trigger of calcium release waves, local ejection of ATP triggered P2 receptor-mediated waves that were refractory to repeated activation. Transglial waves represent a means for purinergic signals to act with local specificity to modulate activity or energetics in local neural circuits...” genetically encoded calcium indicator

„Glial calcium waves constitute a means to spread signals between glial cells and to neighboring neurons and blood vessels. These waves occur spontaneously in Bergmann glia (BG) of the mouse cerebellar cortex in vivo. Here, we tested three hypotheses: (1) aging and reduced blood oxygen saturation alters wave activity; (2) glial Ca(2+) waves change cerebral oxygen metabolism; and (3) neuronal and glial wave activity is correlated. We used two-photon microscopy in the cerebellar cortexes of adult (8- to 15-week-old) and aging (48- to 80-week-old) ketamine-anesthetized mice after bolus loading with OGB-1/AM and SR101. We report that the occurrence of spontaneous waves is 20 times more frequent in the cerebellar cortex of aging as compared with adult mice, which correlated with a reduction in resting brain oxygen tension. In adult mice, spontaneous glial wave activity increased on reducing resting brain oxygen tension, and ATP-evoked glial waves reduced the tissue O(2) tension. Finally, although spontaneous Purkinje cell (PC) activity was not associated with increased glia wave activity, spontaneous glial waves did affect intracellular Ca(2+) activity in PCs. The increased wave activity during aging, as well as low resting brain oxygen tension, suggests a relationship between glial waves, brain energy homeostasis, and pathology.”

Glia fiziológia I.

Gliotranszmisszió


Kapcsoltság, Ca++

Gliotranszmitterek

Ioncsatornák

Kapcsoltság


Aquaporinok

Glia szincícium



Gap junctions









Komplement rendszer


Purinoreceptorok


Volterra, Meldolesi 2005

Glia fiziológia

Gliotranszmitterek

Asztrocitákban !

Gliotranszmitterek

Glia fiziológia


Transzporterek megfordulása pl. Glu release asztroból csak patológiás esetekben

Hemichannels Glu, Asp, ATP release

P2X7 purinoreceptorok nagy pórus – ATP release patológiás esetekben, ha extracell ATP szint magas

Volume-activated anion channels glutamát és taurin ürülése; hipozmotikus körülmények közötti asztro swelling hatására nyílnak Pl.: pituicitákból taurin release, ez VP/OT neuronok glicinreceptoraival kerül kapcsolatba: VP/OT release: a test ozmotikus homeosztázisának szabályozása

Glia fiziológia

Gliotranszmitterek Vezikuláris release (exocitózis)

- lokális !! Ca++  indukálja a plazmamembrán/vezikula fúziót - vezikuláris Ca++ szenzor: synaptotagmin I - vezikuláris még: synaptobrevin II - plazmamembrán: syntaxin, SNAP25 - ezek alkotják együtt a SNARE komplexet

- asztroban minden komponens jelen van - VLUT is van asztroban - szinaptikus-szerű mikrovezikulák

... stb, persze sokkal komplexebb ...

Gliotranszmitterek

Vezikuláris release (exocitózis) ELMI: szinaptikus-szerű mikrovezikulák (SLMVs) asztrocitában (hippocampus) méretre és formára is hasonlítanak a szinaptikus vezikulákhoz


Glia fiziológia

Gliotranszmitterek Vezikuláris release (exocitózis)

- neuron: feszültség-függő Ca++ influx: gyors -glia: Ca++ belső raktárakból: lassú, de hosszan tartó

Asztro glutamát release-t stimulálhatják: - P2YR, mGluR, bradykinin, BDNF receptor aktiváció - Ca++ kelátorok (pl. BAPTA-AM) teljesen gátolják Asztro szekretálhat D-serine-t is, ez speciális gliotranszmitter, glia gyártja Lserin-ből racemase enzim révén: NMDAR glycin kötő-helyeit stimulálja

Asztro/neuron kommunikáció !

- HC asztrocitákban speciális exocitózis: “kiss and run” exocitózis: vezikula rövid ideig (~2 ms) nyit, aztán zár – nem ürül ki teljes tartalma !

Gliotranszmitterek Glutamát exocitózis asztrocitákból 2004 Bezzi, Paola

TIRF mikroszkópia

[Ca++]ic ↑ hatására FM-64 kiürül a vezikulumokból

VGLUT EGFP

együtt

TIRF


FM-64 festék

astrocytes expressing the fluorescent synaptobrevin 2 derivative, synapto-pHluorin

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

Recommend Documents