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 Intracelluláris
K+ic: ~100-140 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, ~-80-90 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
Glia fiziológia
tandem pore domain
"leak" K+ áramok
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 -
Big Potassium
Small conductance calcium-activated potassium channels
minden gliatípusban jelen vannak BK sokféle KD csatorna de SK KA-ból csak egyfélét, Kv1.4-et expresszálják gliasejtek KCa –ból 3 féle van, gliában mindhárom (BK, SK, IK) 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
Potassium intermediate conductance calciumactivated channel
IK
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 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 !
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 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
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
Verkhratsky és Butt, 2007
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
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
Glia fiziológia
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
Glia fiziológia
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
Glia fiziológia
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
Glia fiziológia
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
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 ~30-40 mM, neuronban 2-10 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), ATPADP AMP 5’-nucleotidase (5'-NT): AMP adenosine http://www.uni-leipzig.de/~straeter/research/ntpdase.html
Glia fiziológia Purinoreceptorok
Adenozin P1 receptorok A1, A2A, A2B, A3 receptorok
Koffein: AR antagonista
- G protein coupled metabotrop
http://www.herbalzym.com/
- 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++ tranziens (secmin) növekedése ↑ P2X7, P2Y12 gyors deszenzitizációs idők Mikroglia !!
Coddou 2011 Verkhratsky és Butt, 2007
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 cJun 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
