Glia fiziológia I. Gliotranszmisszió
Csatornák, receptorok Kapcsoltság, Ca++ Gliotranszmitterek Ioncsatornák Kapcsoltság Nem – vezikuláris release
Aquaporinok Glia szincícium Vezikuláris release
Neurotransz Gap junctions Transzporterek, egyéb mitter/neuro glia eredetű faktorok modulátor Hemichannels receptorok Gliális neurotranszmitter Asztro network transzporterek Glutamát receptorok térbeli/időbeli szabályozása Glutamát transzporterek GABA receptorok Gliális Ca++, GABA transzporterek Citokin és kemokin Ca++ hullámok receptorok Glycin transzporterek
Endotelin Egyéb transzporterek receptorok Ozmolitikumok Komplement Glia eredetű neuropeptidek rendszer Glia eredetű Purinoreceptorok növekedési faktorok Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
Glutamát transzporterek asztrocitákban
EAA- Excitatory Amino Acid Transporter (EAAT) család
GLAST asztroglia, radiális glián (EAAT1) GLT1 (EAAT2) főleg asztroglia, de bizonyos neuronokon is EAAC1 (EAAT3) érett neuronok EAAT4 Purkinje sejtek, GABA-erg interneuronok, retina EAAT5 retina bipoláris és fotoreceptor sejtjei
GLAST: Glutamate Aspartate Transporter GLT1: fő glu trporter az agyban GLT1: Glutamate Transporter 1 EAAC1: Excitatory Amino Acid Carrier 1
[Glu]EC: 1-5 uM (ez megnő persze neuron-tüzeléskor, akár több száz uM-ra (??)) [Glu]IC: 1-10 mM
tehát Glu eltávolítás az ec. térből nagy koncentráció-gradienssel szemben kell, hogy történjen ! („uphill” translocation) GLUTAMÁT EXCITOTOXICITÁS
GLUTAMÁT receptor overstimuláció Ca++ overload neuronpusztulás https://www.slideshare.net/shashikantbhargava/glutamate-seminar conditional GLT-1 knock-out mouse to uncover cell-type- specific functional roles of GLT1 elimination of GLT-1 from astrocytes : EEG spike-trains from GLT-1 KO
• loss of ∼80% of GLT-1 protein and of glutamate uptake activity
• excess mortality, lower body weight, and seizures ! An increase in the ratio of cellular excitation to inhibition (E/I ratio) has been proposed to underlie the pathogenesis of neuropsychiatric disorders, such as autism spectrum disorders (ASD), obsessive-compulsive disorder (OCD), and Tourette's syndrome (TS).
In astrocyte-specific GLT1 inducible knockout (GLAST(CreERT2/+)/GLT1(flox/flox), iKO) mice:
• pathological repetitive behaviors including excessive and injurious levels of self- grooming and tic-like head shakes
• NMDA receptor antagonist ameliorated the pathological repetitive behaviors Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
Glutamát transzporterek asztrocitákban + K ec: ~2-2,5 mM + Na ec: ~130 mM ++ Ca ec: ~1.5-2 mM Cl- : ~100 mM be: 1 Glu-, 3 Na+, 1H+ ec ki: 1 K+ ionok koncentráció- gradiensük szerint mozognak glia
+ alacsony Na ic fenntartása kritikus a Glutamát elektrogén a transzporter mert uptake szempontjából !! ! befelé irányuló áram van és depolarizáció: a benti + töltés tovább segíti a – glutamát „uphill” felvételét Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
Glutamát transzporterek szerepe asztrocitákban
Glutamát: sokféle ionmozgást okoz asztroban
K+
Na+ be: 1Glu- AMPAR aktiváció: 3Na+, 1H+ be: Na+ ki: K+
+ 1. Na+/K+ pumpa eredmény: net Na influx 2. Na+/Ca++ exchanger Na+ ~5-10mM 20-30 mM-ra nő ki: Na+ be: K+ ic (NCX) gyors megfordulása: energiaigényes és ki: Na+ be: Ca++ !!! lassabb ezt ellensúlyozza 1. és 2. Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek ! Glutamát transzporterek asztrocitákban + + + alacsony Na ic fenntartása glutamát transzport a Na /K kritikus a Glutamát pumpa működése miatt energiagényes : uptake szempontjából !! 1 glu = 1.5 ATP
ha asztro energiája kevés és Na+/K+ homeosztázis felborul asztro nem tud glutamátot eltávolítani
! sőt !!! ilyenkor a gliális Glu-transzporter működése meg is fordulhat de NCX „reverz” módja javíthat a helyzeten ! ki: Na+ be: Ca++ (asztron relatíve magas excitotoxicitás denzitásban van NCX) Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
GABA transzporterek asztrocitákban
nem annyira fontosak asztroban mint glutamát-transzporterek, mert a GABA neuronális visszavétele sokkal nagyobb mértékű, mint glutamáté
GABA transporter type 1 (GAT1 – főleg neuron) mindhárom GAT GABA transporter type 2 (GAT2 – liver, kidney, leptomeninges) lehet asztroban is GABA transporter type 3 (GAT3 – főleg asztro) - HC, cortex asztroban főleg GAT3 - Bergmann gliában GAT1
http://www.csupomona.edu/~seskandari/ Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
+ GABA transzporterek asztrocitákban K ec: ~2-2,5 mMglia + Na ec: ~130 mM ++ Ca ec: ~1.5-2 mM - be: Cl ec: ~100 mM 1 GABA és 2 Na+ Na+ elektrokémiai gradiense szerint
glia
GAD: Glutamát dehidrogenáz Remember:
- - GABAA akitvációra neuronba Cl influx és hiperpolarizáció
- - gliában GABAA akitváció: Cl efflux és depolarizáció glutamate uptake-induced release of GABA from astrocytes has a direct impact on the excitability of pyramidal neurons in the hippocampus
• GABA transzporter megfordulásával GABA ürül asztrocitákból
• GABA ürülését glutamát uptake blokkolásával gátolni lehet, tehát • a Glu transporter aktivitás triggereli a GABA transzporter megfordulását (valszeg az ic. Na+ szint növelésén keresztül)
• az asztroból ürülő GABA hozzájárul a neuronok aktivitás-függő tónikus gátlásához
The results suggest the existence of a novel molecular mechanism by which astrocytes transform glutamatergic excitation into GABAergic inhibition providing an adjustable, in situ negative feedback on the excitability of neurons. Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
Glycin transzporterek asztrocitákban Glycin: - gátló neurotranszmitter főleg gerincvelőben, agytörzsben, retinában - ugyanakkor glutamát ko-agonistája NMDA receptorokon: serkentő NT
GlyT1 transzporter: GlyT2 transzporter: asztrocitákon főleg neuronokon be: 1 glycin, 2Na+, 1 Cl- be: 1 glycin, 3Na+, 1 Cl-
Gliális GlyT1 reverzál potenciálja nagyon közel van a nyugalmi membrán- potenciáljához: kis depolarizációra könnyen megfordulhat: nem vezikuláris gly release Eulenburg 2005 Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
Gly Glycin transzporterek/receptorok
receptorokról glycinerg nem beszéltünk korábban
NMDAR ko-agonista
Ca++
Eulenburg 2005 hiperpolarizáció Localization and proposed functions of GlyTs at excitatory and inhibitory synapses. At inhibitory synapses, glycine release from the presynaptic terminal activates postsynaptic GlyRs and thereby induces ClK influx – hyperpolarization – of the postsynaptic cell. At excitatory glutamatergic synapses, glycine acts as an essential co-agonist of postsynaptic NMDARs, whereas neighbouring glutamate receptors of the a-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazole- propionic-acid receptor (AMPAR) subtype require only glutamate for channel activation. Here, glycine might be derived from neighbouring glycinergic terminals or even be released from astrocytes via non-vesicular mechanisms (e.g. reverse transport by GlyT1). GlyT2 is localized in the presynaptic plasma membrane of glycinergic neurons and transports glycine into the terminal, thereby enabling the refilling of synaptic vesicles with glycine by the HC- dependent vesicular inhibitory amino acid transporter (VIAAT). GlyT1 is mainly expressed by glia cells surrounding both inhibitory and excitatory synapses. In addition, GlyT1 has been found on terminals of some excitatory neurons. Thus, GlyT1 mediates the clearance of glycine from the synaptic cleft of inhibitory synapses and, in addition, participates in the regulation of the glycine concentrations at excitatory synapses. D-serine glycin Now glycine is viewed to team up together with D-serine but also with kynurenic acid to regulate the functionality of different subsets of receptors at a single locus.
.. patch-clamp biosensor method to confirm the glycine release from astrocytes by using GlyRα1 and Glyβ-expressing HEK293T cells ... Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
Egyéb transzporterek asztrocitákban
- sokféle más transzporter is lehet asztroban – attól függ, milyen neuron szomszédja !
dopamin – transzporterek asztro monoamin-szint norepinephrine - transzporterek szabályozásban betöltött szerepe szerotonin – transzporterek még elég kérdéses ????
hisztamin – transzporterek
taurin – transzporterek (forward-uptake vagy reverse-release) Glia fiziológia Gliális neurotranszmitter transzporterek
Egyéb transzporterek asztrocitákban Taurine = 2-aminoethanesulfonic acid, nem ionos ozmolit
DIDS: 4,4'- diisothiocyanostilbene-2,2'- disulfonic acid
Taurine has many fundamental biological roles such as conjugation of bile acids, antioxidation, osmoregulation, membrane stabilization and modulation of calcium signaling. It is essential for cardiovascular function, and development and function of skeletal muscle, the retina and the central nervous system.
http://www2.imbf.ku.dk/CellSignalling/IHLambert/ Ozmolitikumok = ozmózist befolyásoló anyagok Osmolalitás: szárazanyag- Ozmolitikumok („osmolytes”): koncentráció / kg víz - elektrolitok, melyek magas koncentrációban Osmolaritás: szárazanyag- vannak jelen a citoszolban és ec. térben: pl. koncentráció / l víz Na+, K+, Cl- Ozmotikus nyomás: szérum, - kis szerves molekulák: aminosavak és emlős sejt: származékaik (taurine, glutamate, glutamine, 300 mOsm/kg (szűk határok, glycine, GABA and N-acetylaspartate) 275-310 mOsm/kg) - polyalkoholok (myoinositol, sorbitol) - aminok (glycerophosphoryl choline, betaine, creatine/P-creatine and phosphoethanolamine)
Az agyban a legfontosabbak: - glutamate, myo-inositol, creatine, taurine és N-acetylaspartate - glutamate van a legnagyobb koncentrációban ezek között - taurine a rágcsáló agyban nagy koncentrációjú, de macska vagy emberi agyban szintje alacsonyabb (ezekben a fajokban a szintézise csak kismértékű)
An osmole (Osmol) is 1 mol of particles that contribute to the osmotic pressure of a solution. Glia fiziológia
Glia eredetű neuropeptidek - minden glia-típus képes termelésükre erősen régió-specifikusan és a fejlődés során változó módon - neuropeptid release: mechanizmus még elég tisztázatlan pl. asztro opioid termelése : osztódás és dendritnövekedés szab. pl. asztro ANP és angitoenzin
termelése: agyi víz Verkhratsky Butt 2007 homeosztázis szabályozása pl. asztro VIP termelése: agyi mikrocirkuláció szab. pl. ONEC sejt NPY termelése: axonnövekedés szabályozása olf. bulbusba Glia fiziológia Neurotophinok neuronális fejlődést, túlélést, funkcionálást támogatják Glia eredetű NGF (nerve growth factor) növekedési BDNF (brain derived neurotrophic factor) faktorok NT-3, NT4 (neurotrophinok)
Fiziológiás hatások Patológiás hatások neuronális differenciáció neuronális regeneráció fejlődés repair növekedés migráció Főleg asztrociták termelnek sokféle pathfinding növekedési faktort szinaptogenezis szinaptikus remodelling ODG kevesebbet – de pl. netrin-1-et igen (ezt asztro nem expresszálja) – axon pathfinding Glia fiziológia II.
Agyi homeosztázis szabályozása
Ion-homeosztázis az extracelluláris térben
„K+ spatial buffering” [Glu]ec szabályozása Retina, K+ siphoning Ammónia Extracellular space [GABA]ec szabályozása Cl- homeosztázis Víz - homeosztázis Ca++ homeosztázis szabályozása
pH szabályozás Swelling AsztroGlia fiziológia Ion-homeosztázis az extracelluláris térben
A fő ion-transzport rendszerek asztrocitákban
3.előadás NCX ODC-nél tárgyaltuk AsztroGlia fiziológia Ion-homeosztázis az extracelluláris térben
Intra- + + Extracelluláris celluláris K ic: ~100-140 mM K ec: ~2-2,5 mM + + agyi környezet Na ic: <10 mM Na ec: ~130 mM ++ ++ Ca ic: <0,0001 mM Ca ec: ~1.5-2 mM - - Cl ic: ~30-40 mM (glia) Cl ec: ~100 mM - Cl ic: ~2-10 mM (neuron) Neuronok: Na+, Ca++ influx: depolarizáció K+ efflux: repolarizáció Glia ! Neuron is ! EC térben relatíve alacsony a K+ spatial [K+], kicsi a térfogat - kis K+ Klorid- Na+/K+ATPáz redistribution release is nagy változást okoz kapcsolt K+ uptake Ha EC térben [K+] magas a K+ efflux lassul, repolarizáció nem tökéletes K+ -t el kell távolítani !! neuron depolarizált lesz, Na+ ec csatornák inaktiválódnak lásd később „conduction block” AsztroGlia fiziológia „K+ spatial buffering”
K+ eltávolítása a tüzelő neuronok környezetéből az asztrocita-hálózat által
1966, Orkand RK, Nicholls JG, Kuffler SW 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
optikai imaging agyszeleteken (intrinsic optic signals (IOS), ec. tér zsugorodása/tágulása) Kofuji and Newman, 2004 AsztroGlia fiziológia „K+ spatial buffering”
+ -K ec macska gerincvelőben a könyökízület ritmikus mozgatásakor (intenzív, de még fiziológiás neuronális aktivitás esetén) : 2-2.5 mM –ról → 4-4.2mM -ra nő
+ -K ec általában, normál fiziológiai aktivitás esetén ritkán nő 0,2-0,4 mM-nál többel - ugyanakkor lokálisan, a szinapszis környékén ez a növekedés SOKKAL magasabb lehet: nagyon hatékony az eltávolítás mechanizmusa
- epilepszia esetén ez az eltávolítórendszer hibás lehet → K+ dyshomeostasis: + K ec =10-12 mM is lehet roham esetén
+ + - ischemia esetén K dyshomeostasis: K ec =50-60 mM – ra is megnőhet „K+ spatial buffering” 1. K+ feszültségfüggő csatornákon át távozik neuronból 2. normális esetben ennek nagy ! részét a sejt visszaveszi a 5. 3Na/2K ATPáz ionpumpával 3. a többlet K+ -ot a glia veszi fel szintén a 3Na/2K ATPáz révén 6. illetve elektrokémiai gradiens + mentén K csatornákon (Kir) át. Ekkor Cl- is kotranszportálódik, hogy fennmaradjon az 4. ionegyensúly. 4. a K+ többlet a réskapcsolatokon át szétterjed a glia-hálózatban 5. K+ csatornákon át leadódik az intersticiális térbe (spatial 1. 3. buffering) vagy a perikapilláris térbe (siphoning) 6. a perikapilláris térből 2. endotélsejtek a 3Na/2K ATPase pumpa segítségével felveszik és a kapillárisba üríthetik
http://archimede.bibl.ulaval.ca/archimede/fichiers/25580/ch05.html + „K+ spatial Gliasejtek szerepe a [K ]ec homeosztázisban buffering” A gliasejtek membrán- potenciálja kb. -80-90 mV ami a nagyon hasonló a K+ ekvilibrium potenciálhoz.
+ + A) Lokális K uptake. Amikor a [K ]ec nő, a gliasejtek K+-t akkumulálnak főleg Na/K–ATPase + (vagy K+/Cl kotranszporterek) révén. A gliális Na/K pumpák 10-15mM [K ]ec körül telítődnek (a + neuronálisok már 3mM-nál). A lokális K+ uptake eléggé limitált, mert az [K ]ic növekedése víz influxot és duzzadást okoz. + + B) K spatial buffering. Lokális [K ]ec növekedés depolarizációt okoz, mely elektromos/kémiai gradienst képez az adott sejt és a szomszédos, kapcsolt asztociták között. Emiatt a K+ diffúzióval tovaterjed a hálózaton belül. K+uptake: főleg Kir4.1 K+ csatornák: ezek – bár inward rectifying csatornák – megengedik a K+ effluxot is: a K+ leadása is ezeken át történik. A Kir + csatornák konduktanciáját a K+ionok direkt regulálják: a konduktancia négyzetesen nő a [K ]ec növekedésével. AsztroGlia fiziológia Extracellular space Neuronális aktivitás akár 30% ec. tér Régóta ismert: szinaptikus aktivitás az EC tér zsugorodásával is jár ! zsugorodást pl.: okozhat – glia duzzadás miatt !
Intrinsic Optical Signal (IOS) időbeli lefutása neuronális stimuláció hatására agyszeletben piros:nő, kék: csökken – ez ec. tér zsugorodásával - szélesedésével függ össze
Kofuji,Newman 2004 „The IOS is a small change in the absorption (or reflection) of light that occurs in neuronal tissue when neurons are activated.” AsztroGlia fiziológia Extracellular space Intrinsic optikai szignál (IOS) intenzitása és az + [K ]ec valamint az ec tér térfogat- változásai közötti öszefüggés.
A) IOS a neocortexben, 4 másodperccel a VI réteg-beli stimuláció (2s train) után. + A görbék az [K ]ec mutatják a különböző kérgi + rétegekben. A szaggatott vonal az alap [K ]ec =3mM – t mutatja. Nyíl:stimuláció kezdete.
B) IOS 4 másodperccel a stimuláció kezdete után. A görbék itt az ec tér térfogatváltozását (shrinkage!) mutatják a különböző kortikális rétegekben. Nyíl:stimuláció kezdete.
ec K+ nő ec tér csökken
ec.térfogat mérések: (TMA+) tetramethylammonium diffúzió mérése Witte 2001 TMA szelektív microelektóddal ec.tér Nicholson, Eva Sykova 1998 AsztroGlia fiziológia Extracellular space
EC tér (ECS) (fixálás miatt zsugorodás !) Diffúziót szabályozó tényezők az EC térben. a=volume fraction, l=tortuosity (l tekervényesség, labirintus-faktor) a – geometria b – holt tér (átmeneti megrekedés) c – akadály (intersticiális viszkozitás, D = diffúziós állandó vízben mátrixmolekulák) D*= diffúziós állandó ECS-ben d – kikötődés falhoz, receptorhoz, quantum dot nanokristályok: ECS átlagos mátrixhoz – vagy uptake szélessége in vivo patkány cortexben: ~38 - 64 nm e - töltés Sykova, Nicholson 2008 AsztroGlia fiziológia Extracellular space
ECS mérés módszerei Radiotracerek - kamrai injektálás, [3H]mannitol, [14C]- [3H]sucrose (Mr 342), [14C]- [3H]inulin - 3-5 órás diffúzió, utána fixálás blokkok kimetszése, előhívása
Real-time iontofophoresis technique (RTI) - iontoforetikus és ion-szelektív mikroelektródok (ISM) párosítása (lehet 2 pár is, x-y, x-z) - az elektródok kihúzva az agarban kontroll méréseket csinálnak - RTI-TMA: ha tetramethylammonium diffúziót mérünk
Real-time pressure ejection technique (RTP) - kis térfogatok beinjektálása az agyszövetbe
Sykova, Nicholson 2008 AsztroGlia fiziológia Extracellular space
Integrative optical imaging (IOI) és RTI-TMA
k’= rate constant 0,012/second: a TMA 1,2%-a szállítódik az adott útvonalon másodpercenként
- fluoreszcens molekulák injektálása (pressure) - ÉS TMA iontoforézis ugyanazon a setup-on, szimultán !
Pl. dopamin, serotonin stb. is alkalmas mérésre spec. elektródokkal Sykova, Nicholson 2008 AsztroGlia fiziológia Extracellular space IOI measurements in vivo 3 kDa dextran
Quatum dot
Dextran is a complex, branched glucan (polysaccharide made of many glucose molecules) composed of chains of varying lengths (from 3 to 2000 kilodaltons). Sykova, Nicholson 2008 Extracellular space
Sykova, Nicholson 2008, 2014 a=1/5=0,2 a=0,3/5=0,06
normal
disease Sykova, Nicholson 2008 Nicholson Sykova, + Inward rectifier kálium AsztroGlia fiziológia „K spatial buffering” csatornák (Kir) nagy Térbeli K+ pufferelés a gliasejtek nagy K+ denzitásban és lokalizáltan a permeabilitásától és a glia szincíciumtól függ glián (pl Kir4.1) periszinaptikusan és perikapilláris területeken.
AQP4 és Cx43 együttműködése: primer asztro tenyészet: AQP4 knockdown (siRNS) Cx43 down- regulációt okozott és a kapcsoltság csökkent (Nicchia 2005).
Kir4.1 és AQP4: kolokalizáció, ko-immunprecipitáció és molekuláris kölcsönhatások !! Szoros kapcsolat ! Benfenati and Ferroni, 2010 AsztroGlia fiziológia „K+ spatial buffering”
Extracell [K+] mérése
egy mérés
- glia-specifikus Kir4.1 deléció - HC stratum radiatum szinaptikus aktiválás - ec. K+ konc. mérése ionszenzitív elektróddal sok mérés - eredmény: ec. K+ eltávolítás késleltetett
- epilepszia esetén a K+ eltávolítórendszer hibás lehet → K+ dyshomeostasis: + K ec =10-12 mM is lehet roham esetén AsztroGlia fiziológia Retina, K+ siphoning SRS SRS (subretinal space) IPL IPL (inner plexiform layer)
The cells of the retina and their response to a spot light flash. The photoreceptors are the rods and cones in which a negative receptor potential is elicited. This drives the bipolar cell to become either depolarized or hyperpolarized. The amacrine cell has a negative feedback effect. The ganglion cell fires an action pulse so that the resulting spike train is proportional to the light stimulus level. ELECTRORETINOGRAM http://www.bem.fi/book/28/28.htm + + Pigment epitélium tartja alacsonyan itt a K ec-t Retina, K siphoning
1980’s, Eric Newman ez a fotoreceptor subretinal space + stimuláció után a 1. K ürül az IPL (inner pigment epitélium plexiform layer)-ből hatása 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 IPL: legtöbb Müller gliából szinapszis itt van a retinán belül
Müller sejten belül a K+ konduktancia 94%-a ide
koncentrálódik ! Kir csatornák itt ! Newman 1996 „K+ reservoir” üvegtest Glia fiziológia II.
Agyi homeosztázis szabályozása
Ion-homeosztázis az extracelluláris térben
„K+ spatial buffering” [Glu]ec szabályozása Retina, K+ siphoning Ammónia Extracellular space [GABA]ec szabályozása Cl- homeosztázis Víz - homeosztázis Ca++ homeosztázis szabályozása
pH szabályozás Swelling + + AsztroGlia fiziológia K ic: ~100-140 mM K ec: ~2-2,5 mM + + Na ic: <10 mM Na ec: ~130 mM ++ ++ Ca ic: <0,0001 mM Ca ec: ~1.5-2 mM - - Cl ic: ~30-40 mM (glia) Cl ec: ~100 mM - Cl ic: ~2-10 mM (neuron)
Cl- homeosztázis
- anion-csatornák nyitásán át Cl- efflux gliából (pl. hipozmotikus stressz esetén) - vagy Na+/K+/2Cl- kotranszporter segítségével asztro akkumulálhat is kloridot
Ca++ homeosztázis
++ ++ - neuronális aktivitáskor neuron Ca -t akkumulál, ekkor [Ca ]ec leesik 1 mM alá
++ - ha [Ca ]ec alacsony, akkor neurotranszmisszió gátlódhat
++ ++ ++ - ha [Ca ]ec 0,5 mM alá esik gliális Ca raktárból (ER, IP3) Ca felszabadulás plazmamembrán Ca++ pumpán vagy Na+/Ca++ exchanger-en keresztül Ca++ ++ release [Ca ]ec helyreáll
- ischemia esetén [Ca++] 0,01-0,1 mM is lehet ! ec Erről a cikkről 2015-ben Pusztai Szilvi tartott egy kiselőadást – ezt is fölraktam, nézzék meg a PPT-ben a kommenteket is. AsztroGlia fiziológia pH szabályozás
- intracelluláris pH = 6.8 - 7.5 - extracelluláris pH = 7.1 - 7.3 neuronban, gliában is + [H+] = ~50 nM [H ]ic = ~30-160 nM ec
- pontos EC pH szabályzás nagyon fontos ! mert például: - Gap junction működés pH függő (is) - pH = 7 alatt NMDAR működése gátlódik - savanyodás proton-szenzitív kation-csatornákat aktiválhat (ezek: ASIC=acid-sensitive ion channels)
- neuronális működés CO2 termeléssel jár – ami H+ termeléssel jár − + CO2 + H2O ↔ H2CO3 ↔ HCO3 + H - emelett a neuronok H+-t ürítenek is: szinaptikus vezikulák pH-ja = 5.6
- ezekkel a folyamatokkal részben a gliális bikarbonát és proton transzporterek tartanak egyensúlyt - Na+/HCO3- kotranszporter (NBC) fontos: mindkét irányban működhet ! Glia fiziológia II.
Agyi homeosztázis szabályozása
Ion-homeosztázis az extracelluláris térben
„K+ spatial buffering” [Glu]ec szabályozása Retina, K+ siphoning Ammónia Extracellular space [GABA]ec szabályozása Cl- homeosztázis Víz - homeosztázis Ca++ homeosztázis szabályozása
pH szabályozás Swelling Glutamate Glutamine
Glu Gln E Q AsztroGlia fiziológia [Glu] koncentráció szabályozása
ec ! Siegel Siegel GJ, Agranoff BW, Albers RW, et al.,editors.
glutaminase
glutamine [Glu]IC~1-10 mM VGLUT = vezikuláris Glu transzporter synthase
[Glu]IV~100 mM
[Glu]IC~50uM-1 mM
[Glu]EC~1-5uM 1999
glutamát-glutamin sönt Neuronális glutaminsav reciklizálása: glutamát-glutamin ciklus AsztroGlia fiziológia [Glu]ec koncentráció szabályozása Serkentő (glutamaterg) szinapszis
GLNase
next page
Bak 2006 tricarboxylic acid cycle (TCA cycle; Krebs cycle; citric acid cycle) - szabad ammónia keletkezik neuronban Ammónia - hiperammonémia veszélyes lehet (gliózis, ödéma, ischemiás encephalopátia, felborult Glu/Gln ciklus) - agy ammónia ürítésének fő útja: gliális GS révén gyártott Gln leadása a vérbe
Akkumulált Gln ozmotikus hatása miatt asztro duzzadás
SIRS: systemic inflammatory response syndrome AsztroGlia fiziológia [Glu]ec koncentráció szabályozása
-ha Gln[EC] olyan magas, hogy a neuronális Gln felvétel telített, akkor a gliális glutamin leadás gátlódik a „system N” transzport megfordulásával
„System L” : aminosav antiporter, gliális Gln ürítés és nem-neuroaktív aminosavakba (Leu, Ala) „csomagolt” ammónia felvétele (aminosav shuttle)
„System A” transzporter: neuronális Gln felvétel („concentrative, sodium-dependent and electrogenic”) „System N”: gliális Gln leadás/felvétel („Na+-glutamine symporter and a H+ anti-porter, sodium-dependent, yet electroneutral” Bak LK. et al. 2006 AsztroGlia fiziológia [Glu]ec koncentráció szabályozása Serkentő (glutamaterg) szinapszis
GLNase
next page
Bak 2006 tricarboxylic acid cycle (TCA cycle; Krebs cycle; citric acid cycle) GDH
reverzibilis ! Citrát Citrát kör
Citrát kör AsztroGlia fiziológia [GABA]ec koncentráció szabályozása Gátló (GABAerg) szinapszis
glutamate GLNase decarboxylase
- 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 ! Bak LK. et al. 2006 - Glutamát – bioenergetikai folyamatok kapcsolata ! GABA shunt reactions are responsible for the synthesis, conservation and metabolism of GABA.
GABA shunt Glia fiziológia II.
Agyi homeosztázis szabályozása
Ion-homeosztázis az extracelluláris térben
„K+ spatial buffering” [Glu]ec szabályozása Retina, K+ siphoning Ammónia Extracellular space [GABA]ec szabályozása Cl- homeosztázis Víz - homeosztázis Ca++ homeosztázis szabályozása
pH szabályozás Swelling AsztroGlia fiziológia Víz - homeosztázis szabályozása
- agyi vízháztartás szabályozása neuropeptidek révén: vazopresszin (VP), ANP (atrial natriuretic peptide, atriopeptin), angiotenzinogén, angiotenzin Gliális vízmozgás: aquaporinok !! Vazopresszin - asztrocitákon V1 vazopresszin receptorok mediálta intracell Ca++ release - víz-permeabilitás gliába nő
ANP - VP hatás antagonizálása - ANP-t asztrok is termelik, szekretoros granulákba csomagolva Ca++ függő módon ürítik
Angiotenzin - előállítás angiotenzinogénből, ami főleg asztroban van: de angiotenzin inkább neuronális (előállítás/inkorporáció útvonala még: ???) - asztrociták angiotenzin recetor II-t expresszálnak, aktivációjukra ic. Ca++ raktár ürülés és pl. prostacyclin (eicosanoid) release - vazodilatáció
testben angiotenzin vérnyomás növekedést, ér-szűkülést okoz e rendszer minden eleme szintetizálódhat az agyban is RAS az agyban
1) „volume transmission”: extracelluláris angiotenzin képzés, melyek neurohormonként funkcionálnak 2) „wiring transmission”: neuronok felveszik asztro eredetű angiotenzinogént, amit angiotenzinné alakítanak. ANG II neurotranszmitter vagy ko-transzmitter.
AOGEN: angiotensinogen ANG: angiotensin ACE: ANG converting enzyme AT: ANG receptor ANG1-7: truncated AsztroGlia fiziológia Víz - homeosztázis szabályozása
Asztrociták az extracelluláris ozmolaritást érzékelik:
pl. hipozmotikus stressz (EC ozmolaritás ↓) asztro duzzadás RVD
(agyi ödéma modellje !) regulatory volume decrease : (szabályozott térfogatcsökkenés) ozmotikusan aktív anyagok kizárása a sejtből
K+ Cl-, szerves aminok, glutamát, glycin, taurine, GABA... release
Súlyos esetben (hypoxia- ischaemia, trauma): majd víz efflux nagyfokú asztro-duzzadás astrocyte (citotoxikus ödéma) és RVD
http://hatam-soferet.dreamwidth.org/702473.html gyengülése - megszűnése ! AsztroGlia fiziológia Víz - homeosztázis szabályozása Swelling
moderate, transient swelling of astrocyte endfeet occurs at active synapses
1. végtalpakon K+, Na+ és Glu- uptake (Kir4.1, Na/Glu kotranszporterek, és valószínűleg egyéb ?? kation csatornák): IC ozmolit-koncentráció nő 2. ozmotikus viszonyok által irányított víz influx (aquaporin, AQP4) és duzzadás (swelling) 3. „volume sensing and osmotransduction” nem teljesen feltárt eseménysorozat mely végső soron RVD- hez (regulatory volume decrease) vezet. És swelling-indukálta ic. Ca++ ↑ (ic. Ca++ raktár ürülés és kapacitatív Ca++ influx ??TRPV4 ?? csatornákon át) kíséri a jelenséget. 4. RVD: ozmolitikum efflux: Cl-, taurin, excitatorikus aminosavak ürítése volume-regulated anion channel (VRAC) – on keresztül és valószínűleg K+ efflux volume-sensitive (és Ca++ függő?) K+ csatornákon át 5. IC ozmolitikumok kiáramlását követően Ca++ szerepe e folyamatokban még kérdéses víz efflux, térfogatcsökkenés (t.i. vannak változását cáfoló adatok is) ! Egy csomó kináz is aktiválódik swelling esetén: sok még a ??? Benfenati, Ferroni 2010 Gliális RVD ionos mechanizmusai is : ???? AsztroGlia fiziológia Víz - homeosztázis szabályozása
szinaptikus aktivitás glia duzzadás lokális ec. tér szűkülés hatékonyabb szignalizáció (neurotranszmitter koncentrációja nagyobb és a „spillover” kisebb)
- periszinaptikus glia végtalp lokális gliaduzzadás - távoli végtalpakon zsugorodás : sokszor kimérték, hogy neuronális aktivitásra hogyan változik EC tér a stimuláció helyén és attól távol
Kir és AQP kolokalizáció, ko-immunprecitipáció, molekuláris együttműködés ! … AQP4 deletion in mice has little or no effect on development, survival, growth, and neuromuscular function, but produces a small defect in urinary concentrating ability consistent with its expression in the medullary collecting duct... Ma, 1997 Víz - homeosztázis szabályozása
C: experimental design: AQP4 KO egerek -30%
D: Glt-1–EGFP -20% egerek, Texas red hydrazide töltött szeletek A festéket szelektíven asztro veszi fel. (ez a sulforhodamine 101 (SR101) fixálható változata)
E: 20% ozmolaritás csökkenés (−20% Osm): WT sejttest jobban duzzad mint KO. Utána RVD mindkét esetben. Komolyabb ozmotikus stressz esetén (−30% Osm) folyamatos a duzzadás, nincs RVD. AQP4-/- egerek: jelentősen csökkent agyi ödéma víz intoxikáció esetén ! Thrane 2010 PNAS AsztroGlia fiziológia Víz - homeosztázis szabályozása Ca++ szint változások asztroban 30 perccel i.p. víz injekció után (200 mL/kg desztvíz, kb 4 ml/egér). In vivo 2 foton imaging. Rhod2: Ca++ mérés/asztro Glt-1– EGFP . FITC-dextran: erek kirajzolása. Asztro sejttesten és perikapilláris végtalpon a leginten- zívebb és legtartósabb ++ Dextran: elágazó poliszacharid, a Ca jel. sok glükózból
Tenyésztett P2 purinrec. asztro blokkolása ATP release is csökkenti az ozmotikus ozmotikus ++ sokkban stresszre Ca nagyobb jellel válaszoló asztrok számát. (WT only !) Thrane 2010 AsztroGlia fiziológia Víz - homeosztázis szabályozása
3D confocal morfometria hGFAP-GFP egerek, hipozmotikus körülmények