időbeli szabályozása

Glia fiziológia I.

Gliotranszmisszió

Csatornák, receptorok

Kapcsoltság, Ca++

Gliotranszmitterek

Ioncsatornák

Kapcsoltság

Nem – vezikuláris release

Aquaporinok

Glia szincícium/network

Vezikuláris release

Neurotransz mitter/neuro modulátor receptorok

Gap junctions

Transzporterek, egyéb glia eredetű faktorok

Glutamát receptorok GABA receptorok Purinoreceptorok

Endotelin receptorok

Hemichannels Asztro network térbeli/időbeli szabályozása

Gliális Ca++, Ca++ hullámok

Gliális neurotranszmitter transzporterek Glutamát transzporterek GABA transzporterek Glycin transzporterek

Egyéb transzporterek Ozmolitikumok

Citokin és kemokin receptorok

Glia eredetű neuropeptidek

Komplement rendszer

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, a K+ konduktancia túlsúlya miatt (ez a membránpotenciált a K+ egyensúlyi potenciáljához közel tartja) DE: glia e tekintetben nagyon heterogén társaság ! - glia depolarizálható, de nem lesz regeneratív akciós potenciál 1960’s, Kuffler Increased K+ concentration in the extracellular space close to the glial cell passively depolarizes glial membrane potentials.

- 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

Ikeda, Shibasaki 2003

Glia fiziológia Ca++

Na+ K+

ClH20

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. asztrocitán és 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 inaktiválódók) 3. Rapidly inactivating A-type K+ channels, KA (gyorsan inaktiválódók) 4. Calcium-activated K+ channels, KCa -

1-4.: 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 (Ca++ entry into the cell) - 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 lehetséges szerep: vezikuláris glu release szabályozása gliából, epileptogenezis.... Lásd később !

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 - ez főleg a Na+/K+/Cl- (NKCC) kotranszporter működésének az eredménye - funkció: talán asztro swelling (duzzadás) és ec. Cl- konc. szabályozása

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

OSR1: serine/threonine-protein kinase SPAK: proline/alanine-Rich kinase MAPK: mitogen activated protein kinase

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 (cystic fibrosis transmembrane conductance regulator (CFTR) – Clcsatornaként működő ABC transzporter)

-

Ca++-activated Cl- channels voltage-dependent anion-selective channels (VDACs) ClC channels (chloride channels) 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 asztroban! swelling, ozmoreguláció

Klorid csatornák

Összegyűjtötte: Jády Attila

Glia fiziológia

Kation/AnIoncsatornák

Oxigén-glükóz depriváció (ODG) – ra eltérően reagáló asztrocita populációkat találtak:

high response- (HR-) low response- (LR-) asztrociták TREK1: K+ ClC2: Cl-

Asztrocita Heterogenitás !

Gén-expressziós adatok alapján készült ábra. AQP4 – aquaporin channel (subtype AQP4), ClC2 - chloride channel (subtype ClC2), EAAT – excitatory amino acid transporter (subtypes EAAT1 and EAAT2), HR – high response astrocyte, TWIK1 and TREK1 – two-pore domain potassium channels (subtypes TWIK-1, TREK-1), KCC1 – K+-Cl− co-transporter (subtype KCC1), Kir4.1 – inwardly rectifying potassium channel, LR – low response astrocyte, NKCC1 – Na+-K+-Cl− co-transporter (subtype NKCC1).

Glia fiziológia

Vízcsatornák Aquaporinok

ortogonal array of particles, OAP Asztrocita végtalpban

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 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: - intracellulárisak, ic. víz transzport, - organellum és vezikulaméret és homeosztázis - AQP11, 12

Vízcsatornák - 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 expreszióját 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 !

AQP: nincsenek szelektív, nem toxikus AQP blokkolók

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

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

Glutamát excitotoxicitás:

túl sok ec. Glu Glu receptor túlaktiválás NMDAR-on keresztüli Ca++ belépés ic Ca++ növekedés miatti foszfolipáz endonukleáz, proteáz aktiváció...

sejtpusztulás... ........http://www.youtube.com/watch?v=tvnjeMiHSI8

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 (?)

retina explant time lapse videos, patch clamp

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 - mikroglián ??? (inkább nincs) - kérgi, gerincvelői asztrocitákon, Müller glián sőt oligodendrocitákon sőt myelinhüvelyen

Glu ecxcitotoxicitás: nem csak neuront, ODC-t is pusztíthat ! 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


• 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

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

JAK/STAT általában

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

Minden gliatípusban, általában osztódás, növekedés, metabolizmus kontroll

Glia fiziológia Endotelin receptorok

- ETA, ETB1 and ETB2 receptorok - G protein coupled, ic Ca++ ↑ - ligand: ET1, ET2, ET3 (asztro is szekretálja) - vazoaktív peptidek: simaizom-kontrakció, vérnyomásnövekedés - főleg endotélen - ETB-t találtak mikroglián is (Ca++ release ic. raktárakból) - ETA és ETB receptor van asztrocitákon: aktivációjukra csökken a GJ kapcsoltság 90 perc múlva kapcsoltság helyreáll (ETR deszenzitizáció) (glükóz: intercelluláris szállítás glia hálózaton belül!!)

- swelling szabályozása gliában

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

Glia fiziológia Komplement rendszer

- C3, C4, C5 komplement fehérjék nagy glikoproteinek

- ezek kis darabjai, a C3a, C4a, C5a az anaphylotoxin-ok (inflammatorikus reakciót indukálnak és ér áteresztőképességet növelik; kemotaxisreguláció, ROS termelés..) - asztrocitákon és mikroglián receptoraik expresszálódnak, több 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 !

Koffein AR antagonista

Adenozin P1 receptorok 1972, Burnstock az ATP neurotranszmitter 1976, első purinreceptorok leírása 1992 után purinerg rendszer iránti érdeklődés nagyon megnő A1, A2A, A2B, A3 receptorok http://www.herbalzym.com/

- G protein coupled metabotrop - asztrocitákban mindhárom lehet - extracell. adenozin általában ATP bontás - ektonukleotidázok révén keletkezik (de lehetséges neuronális vagy gliális A release is) -

AR stimulálás Glu transzporter expressziót növeli asztrocitán

- OPCn axon/glia kommunikációt közvetítenek

Glia fiziológia

Ekto ATPáz aktivitás fertőzött(*) sejt környezetében.

saját eredmény Unpublished Fotó: Dr Kittel Ágnes

Glia fiziológia

Primer asztrocita tenyészet + virus

saját eredmény unpublished

Glia fiziológia PT Porcine testis sejt

Asztrocita + PRV virus

Viral Epidemics in a Cell Culture Gönci 2010

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

Glia fiziológia

Kapcsoltság

Glia szincícium (syncytium)

izom – egy többmagvú sejt szívizom – több sejt, gap junctions

“pan-glial syncytium” asztro-ODC-ependyma..

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

Glia hálózat (network) 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 ↓ - cAMP, PKC, connexin foszforiláltság, diszulfid hidak.. - feszültségfüggés Asztroban is van Hiánya: congenital deafness

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

TM1: transzmembrán 1. régió; NTH: N-terminális hélix

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. Maeda 2011

Glia fiziológia

Connexinek - Pannexinek

Kapcsoltság

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

Oroszok 

Asztrociták: - 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 el.fiz 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 !!

Kapcsoltság Astrocytic coupling in the neocortex and in the corpus callosum (biocytin staining).

300 um slice

- GJ-n terjedő festékek: lucifer yellow, Alexa dyes, biocytin, sulforhodamine B … - DE: pl. biocytin és sulforhodamine B-vel kapott kapcsoltság nagyon más !!! : kapcsoltsági csoportok mérete: biocytin: 73 +-17 és SB:15+-1 darab asztrocita kapcsolt - kapcsoltság mértéke agyterületenként nagyon eltér: cortexben szinte teljes kapcsoltság (~100%); látóidegben 80%, HC-ban csak 50%, corpus callosumban szinte semmi

50 um slice

Kapcsoltság

Glia fiziológia

P11 egér

Houade, Giaume 2006

Asztro biocytin jelölése hippocampusban, CA1

Asztrociták a CA1-ben jobban kapcsoltak, mint CA3-ban. Ennek funkcionális jelentősége még kérdéses. De pl. CA1-ben kevés kapilláris van CA3-hoz képest: metabolikus szignálok jobban terjedhetnek a kevésbé vaszkularizált területeken így ???

Asztro biocytin jelölése cortexben

Asztro azonosítás morfológia/elfiz alapján

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) (GJ szétkapcsolószer) F: biocytin+ sejtek számolása: P5-P10 közt nagy váltás

Kapcsoltság

A, B: nincs NeuN/biocytin kolokalizáció C, D: nincs NG2/biocytin kolokalizáció E, F: biocytin/S100 kolokalizáció (S100 ereket is festi)

GFAP-GFP egerekben is nézik, de itt alacsony az átfedési arány: GFAP expresszió kéregben alacsony mértékű, S100 jobb marker - esetleg ODG lehet, ezt rendesen diszkutálják is !

Glia fiziológia I.

Gliotranszmisszió

Csatornák, receptorok

Kapcsoltság, Ca++

Gliotranszmitterek

Ioncsatornák

Kapcsoltság


Aquaporinok

Glia szincícium/network

Vezikuláris release

Neurotransz mitter/neuro modulátor receptorok

Gap junctions

Transzporterek, egyéb glia eredetű faktorok

Glutamát receptorok GABA receptorok Purinoreceptorok

Endotelin receptorok

Hemichannels Asztro network térbeli/időbeli szabályozása

Gliális Ca++, Ca++ hullámok

Gliális neurotranszmitter transzporterek Glutamát transzporterek GABA transzporterek Glycin transzporterek

Egyéb transzporterek Ozmolitikumok


Glia eredetű neuropeptidek

Komplement rendszer

Glia eredetű növekedési faktorok

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

barrel cortex: szomatoszenzoros kéreg IV. réteg

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

CX3CL1=fractalkine (chemokine) CX3CR1=fractalkine receptor

CX3CR1 deficiency delays microglial cell recruitment into the barrel centers

Kapcsoltság

lásd 4. előadás (ONEC sejteknél)

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

• • •

• •

•

Asztrocita network térbeli/időbeli szabályozása

Cx43 átengedi: Kapcsoltság - cAMP, InsP3 - Ca2+ - AS: glutamate, aspartate és taurine milyen connexint expresszálnak asztrok - nukleotidok: ADP, ATP, CTP, NAD - energia-metabolitok: glükóz, Cx kipakolódás/visszavétel szabályozása glükóz-6-foszfát és laktát 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, glükóz és laktát - ionszelektív: kationokat csatorna szelektivitása (tradicionálisan jobban átengedi mint anionokat “poorly selective channels” – de a “dye spreading” – nem azonos biomolekulák Cx30/Cx30 és Cx43/Cx43 és átjutásával !! ) Cx30/Cx43 csatornák is feszültségcsatorna feszültség-függése szintén függőek (konduktanciájuk a szűrheti, milyen molekulák merre transzmembrán feszültségtől függ) jutnak át

Glia fiziológia

Giaume, Liu 2011

!

- sejtek izolálhatják magukat pl. sérült sejtektől

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 : rengeteg a Ca++ kötő fehérje

Ca++ homeosztázis fő útvonalai/komponensei

Glia fiziológia Ca++ Store operated Ca++ channel (SOOC) : „kapacitatív” Ca++ belépés: 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 aktiválja: ER-ból is Ca++ release citoszolba Depolarization-induced Ca++ release Depolarizáció: RyR1 receptor-aktiváció (izom!) gliában ez a fő útvonal InsP3-induced 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 DE: 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 – de 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

Ca++ hullám amit a perfúzió eltérít

ATP

Hassinger 1996

InsP3

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 ?

1 asztro territóriumában: néhány neuronális sejttest !! És nagyon sok szinapszis !!

Brainbow

plazmás asztrocita territóriumában rágcsáló: ∼20,000–120,000 szinapszis ember: ∼ 2 millió szinapszis

Jeff Lichtman (Harvard University)

Philip Haydon

Halassa 2007 Reichenbach 2010

A, 3 asztrocita. Különböző neuronális kompartmentumokat más-más asztro kontrollálhat.

B, egyetlen asztro is koordinálhat pl. egy több dendritből álló csoportot

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

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 !! (mint ami neuronokban!) - 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 stimulálhatja: - P2Y, mGluR, bradykinin, BDNF receptor aktiváció - ic. 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

időbeli szabályozása

Recommend Documents