Az asztrocita-szinapszis interakció sejtbiológiája Cell Biology of Astrocyte-Synapse Interaction Nicola J. Allen and Cagla Eroglu Neuron 96, November 1, 2017 Elsevier Inc.

Az asztrociták jelentősége Homeosztázis Trofikus és metabolikus partnerek Neurogenezis Kognitív funkciók- szinaptogenezis, szinaptikus plaszticitás! Nagyon fontos szerepük van az egészséges idegrendszer fenntartásában, trofikus és metabolikus partnerek A neurogén régiókban segítik az új neuronok létrejöttét, és integrálódását a megfelelő helyen. Számuk és méretük pozitívan korrelál az agy relatív méretével és kognitív képességeivel-pl. emberben 3*nagyobbak és 10*elágazóbbak, mint rágcsálókban, sőt beadásuk az állatba, megváltozott konnektivitást és viselkedést okoz

Szinapszisok komponenseiként Strukturális Egér~200.000, Ember~2000000 szinapszis / asztrocita Neuronális aktivitással változó kapcsolatok: fejlődés, károsodás, fiz.áll. Funkcionális NT-többlet eltávolítása Ionegyensúly (pl.:K+) Gliotranszmitterek-plaszticitás, viselkedés (C) Strukturális: Egyetlen egérből származó kortikális asztrocita több, mint 200 000 szinapszissal lehet kapcsolatban, míg emberben eléri e szám 10x-esét. A kapcsolatok nem állandóak, állapotuk a neuronális aktivitással összefüggésben változik. Az asztrociták érzékelik a sziapszisok aktivitását és képesek kapcsolódni azokhoz. A változások megfigyelhetők a fejlődés során, károsodás esetén, illetve különféle fiziológiai állapotok között. A folyamat néhány óra alatt végbemehet, de akár napokig is tarthat. Az még nem tisztázott, hogy a gliák direkt érzékelik az aktivitást, vagy a neuronok által kibocsátott jelek indukálják a folyamatot. Periszinaptikus nyúlványaik metabotróp receptorokat viselnek, így képesek monitorozni a lokális neuronális működést. Aktivációjuk Ca2+ tranzienst okoz az asztrocitában, ami gliotranszmitterek felszabadulását okozza, így végül a szinaptikus plaszticitásra is hatást gyakorol. (Ez nem befolyásolja a gyors neurotranszmissziót, mivel sokkal lassabban zajlik a neuronális Ca2+ szignalizációnál.) A lasssan ható neuromodulátorokra adott hasonló reakció azonban a dopaminerg neuronok gátlásához és ezzel a viselkedés megváltozásához vezetett pl.: Drosophilában. A:Strukturális komplexitás B:ELMI-szinapszis C:Funkció-példa

A szinapszisok fejlődésében betöltött szerepük Nincs normál szinaptogenezis asztrociták nélül: Tanulmányok: Drosophila, C.elegans, Xenopus, Rágcsálók Strukturális és funkcionális érés Szinapszis-elimináció Szekretált faktorok Kontaktus mediált szignalizáció A szinaptogenezis legfontosabb szakaszai csak akkor zajlanak le, amikor az asztrociták differenciációja befejeződött. Több tanulmány igazolta, hogy az asztrocitáktól származó szignálok részt vesznek a szinapszisok formálódásában és funkcionalitásuk kialakításában. Több fajjal kapcsolatban (rágcsálók, C.elegans, Xenopus, Drosophila) is leírták, hogy izolált neuronjaik in vitro sokkal több és erősebb szinapszist képeznek asztrociták jelenlétében. Bebizonyosodott ez a szabályozó szerep: GABA-erg, Glu-erg, Gly-erg, kolinerg szinapszisok esetében

Szekretált faktorok Koleszterin: PS: vezikula mennyiség, ürülés TNF-α: aktivitás-homeosztázis Wnt: Drosi: GluR klaszterelés Thrombospondin 1,2 (TSP1,2), hevin, SPARC Glypican 4,6 (Gpc 4,6) Koleszterin (ApoE-vel komplexben szekretálják )- preszinapszis kialakulás: vezikulák mennyisége, ürítési valószínűség növelése- Egereknél az asztrociták lipid szintézisének nem megfelelő működése esetén sérül a szinapszisok fejlődése, és a szinaptikus plaszticitás. (Azt nem tudni, hogy az ApoE is benne van-e a buliban, habár mutációját összefüggésbe hozták pl. az Alzheimer kórral) TNF-α pozitívan regulálja az AMPAR-okat, miközben gátolja a GABA-AR-okat, így segít a homeosztatikus neuronális aktivitás fenntartásában. Wnt: Drosophilában asztrociták termelik és klaszterelik a GluR-okat a neuromusculáris junkcióban. Emlősökben is kimutattak hasonló jelenséget, de a Wnt forrása nem ismert.

Strukturális érés: TSP1,2 / hevin / SPARC Glu-erg szinapszisok: PreS, PSD TSP1,2: NMDAR- α2δ-1 ale Hevin: NRX1-NL1B kapcsolat Interakció? (NL-TSP) SPARC: (AMPAR stabilizáló hatás) Thrombospondin 1,2 (TSP1,2) és SPARCL1(hevin) – a Gutamáterg szinapszisok strukturális formálódását indukálják-vezikulák, preszinapszis, posztszinaptikus denzitás. Preszinaptikusan aktívak, ahol vannak NMDA (GluR)-ok. A TSP-k hatásának kulcsa az NMDAR-okon az α2δ-1 nevű Ca2+ csatorna alegység. Konformációs változása egy ismeretlen útvonalat indít be a neuronban. Egy epilepsziában használatos drog, a gabapentin blokkolja ezt a hatást, ami arra utal, hogy az asztrociták diszfunkciója közrejátszik patológiás esetekben, mint epilepszia, vagy a neuropátiás fájdalom. A hevin 2 egymással inkompatibilis szinaptikus receptort köt össze: neurexin1(NRX1α) és neuroligin1(NL1B). Neuroliginekhez a TSP is köt, tehát lehetséges valamilyen interakció a két szignál között. SPARC: hevin antagonistája: Kolinerg szinapszisoknál biztosítja a preszinapszis megfelelő érését és képes a sejtet arra késztetni, hogy elimináljon adott szinapszist β-integrineken keresztül (AMPAR-stabilizáló molekulák)

Funkcionális érés: Gpc 4,6 AMPAR-ok lokalizációja NP1 : AMPAR klaszterelő faktor PS: GluR1 Glypican 4,6 (Gpc 4,6: heparán-szulfát proteoglikánok): A funkcionális érés modulátorai: pozitívan regulálják az AMPAR-ok lokalizációját a posztszinapszis terminálisán, ezzel potencírozva a serkentő működést. Ők juttatják a helyükre a receptorokat és a posztszinapszis további funkcionális egységeit: A preszinaptikus RPTPδ szignalizáción keresztül NP1 (Neuronal pentraxin1, AMPAR klaszterelő faktor)-t szabadít fel a preszinapszisból, amely hozzákötődik a GluR1 AMPAR-okhoz a dendriteken.

Kontaktus mediált szignalizáció Hippocampus: PKC Retina: fizikai gát-időzítés γ-protokadherinek: lokális adhézió (asztrocita-neuron) Szinapszis-elimináció Kulcsfontosságú a szinaptogenezisben, már az embrionális neuronok is kontaktusban vannak az asztrocitákkal -pl.: Hippocampus neuronjai-PKC szignalizáció-szinaptogenezis -pl.: Retina ganglionsejt esetében fizikai gát a szinaptogén szignálok ellen, amíg a megfelelő fejlődési szakaszba nem lép. -pl.: γ-protokadherinek-lokális adhéziós komplexek a neuron és az asztrocita között: segítik a szinaptogenezist

A szinapszis-elimináció mechanizmusai Direkt mechanizmus MERTK és MEGF10 receptorok-fagocitózis Indirekt mechanizmus TGF-β- C1q ”jelölés” Direkt mechanizmus: MERTK és MEGF10 R-ok aktivációja esetén fagocitálni képesek Indirekt mechanizmus: TGF-β hatására a neuronban C1q komplement protein expresszálódik és helyeződik ki az eltávolítandó szinapszisra, amely részleteiben ismeretlen úton a mikrogliák komplementreceptorait aktiválja, és azok fagocitálják az adott szinapszist.

Szinaptikus plaszticitás KO egerek: Hevin: vizuális kortex: látási ingerekre adott reakció: „ocular dominance plasticity” (spec) SPARC: csökkent LTP indukálhatóság (stabilitás) TNF-α: normál LTP és LTD, de az aktivitás intenzitása nem befolyásolja a kapcsolatok erősségét (homeosztázis) KO egerek: hevin: Vizuális kortexük nem reagál a látási ingerekre plaszticitással.(ocular dominance plasticity) Ha specifikusan az asztrocitákon hevin expresszióját segítették elő fejlődésük során, akkor viszont igen. SPARC: csökkent LTP indukálhatóság, lehetséges, hogy a túl stabil szinapszisok miatt TNF-α: normális LTP és LTD, de nem erősödnek meg a kapcsolatok a neuronális aktivitással összhangban - homeosztatikus szerep

További vizsgálatok Hogyan regulálódik a faktorok felszabadulása? Mikrokörnyezet, belső program, neuronok Térben-időben lokális Mennyire változatos? Sokkal diverzebbek, mint gondolták Regionális különbségek funkcionális jelentősége In vitro kísérlet Neuronok és/vagy asztrociták változásai okozzák Bergmann-vellate, Shh, (FGF, BMP) Sejtfelszíni markerek szerint 5 alpopulációt különítettek el in vitro módszerekkel. In vitro a kortikális- szubkortikális sejtípusokat a megfelelő asztocitapopulációval sokkal robosztusabb nyúlványnövekedést és aktív szinapszisformálódást mutattak, ellenkező esetben nem megfelelően mentek végbe ezek a folyamatok. A cerebellumban a Bergmann-glia (radiális glia szerű) és a fátyol (velate) asztrocita (protoplazmás-szerű) egymás közvetlen közelében vannak, mégis különböznek-morfológia, génexp. A neuronoktól kapott Shh hat a Bergmann-gliára, amit planáriában is kimutattak, tehát igen konzervált jelenség. (Az FGF és a BMP is hasonlóan hatnak rájuk.)

Kapcsolódó kórképek Autism Spectrum Disorder (ASD): Szinaptogén funkciójú gének: Gpc4, Gpc6, hevin, TSP1, FABP7 Neuronális receptorok génjei: NL, NRX Rett’s szindróma: Mecp2 TF: VT neuronok nyúlványnövekedése, szinaptikus funkciója (IGF-1 javítja) Autism Spectrum Disorder (ASD)-rengeteg gén érintett, köztük: Gpc4, Gpc6, hevin, TSP1 FABP7-ezek mind szinaptogének, Neuronális receptorok génjei: neuroliginek, neurexinek Rett’s szindróma- Mecp2 TF mutáció- csökken a vad típusú neuronok nyúlványnövekedése, szinaptikus funkciója-IGF-1 javít a helyzeten

Kapcsolódó kórképek Törékeny X szindróma: Fmr1 RNS kötő fehérje: késői szinaptogenezis: emelkedett NT3, csökkent TSP1 Down szindróma: alacsony Gpc6 és TSP1 szint Costello szindróma: Az asztrociták korán érnek: TSP1-et és Gpc6 felesleg (serkentik a VT szinaptogenezist) Törékeny X szindróma- Fmr1 RNS kötő fehérje mutációja-innen vett asztrociták VT neuronokkal: késleltetett dendritnövekedés és szinapszisformálódás-emelkedett NT3 szekréció és csökkent TSP1 szekréció okozza-TSP1 adása javít rajta Down szindróma- hasonló helyzet alacsony Gpc6 és TSP1 szinttel és TSP1 adása elegendő a javuláshoz Costello szindróma- (HRAS onkogén okozza) Az asztrociták korán érnek és feleslegben szekretálják pl TSP1-et és Gpc6-ot- ha VT neuronokat kezelünk velük, serkentik a szinaptogenezist

Köszönöm a figyelmet!

Felhasznált irodalom https://www.axolbio.com/page/human-astrocytes Cell Biology of Astrocyte-Synapse Interaction Nicola J. Allen and Cagla Eroglu Neuron 96, November 1, 2017 Elsevier Inc. Paraczky Cecília FRAWBX