Dokument: Mechanismen und Konsequenzen astrozytärer Natrium-Signalgebung in verschiedenen Hirnarealen der Maus

Titel:	Mechanismen und Konsequenzen astrozytärer Natrium-Signalgebung in verschiedenen Hirnarealen der Maus
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=47932
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20181129-082032-6
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Deutsch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	MSc Ziemens, Daniel [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 2,45 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 27.11.2018 / geändert 27.11.2018
Beitragende:	Prof. Dr. Rose, Christine R. [Gutachter] Prof. Dr. Klein, Thomas [Gutachter]
Stichwörter:	Gehirn,Astrozyten, NMDA-Rezeptoren, Natrium-Signalgebung
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 570 Biowissenschaften; Biologie
Beschreibungen:	Glutamat ist der wichtigste erregende Neurotransmitter im Gehirn. Bei neuronaler Aktivität wird Glutamat an präsynaptischen Endigungen in den synaptischen Spalt freigesetzt und vermittelt durch Bindung an ionotrope Glutamatrezeptoren (iGluR) an der Postsynapse unter anderem Na+-Einstrom. Benachbarte Astrozyten bilden feine Ausläufer, welche an neuronalen Synapsen positioniert sind. Dort detektieren und modulieren sie die synaptische Transmission über die Na+-vermittelte Wiederaufnahme von Glutamat über hochaffine Glutamat-Transporter. Als Konsequenz generieren Astrozyten ebenfalls Na+-Signale. In vielen Hirnregionen konnte gezeigt werden, dass die Na+-vermittelte Glutamataufnahme die Hauptursache für transiente Na+-Änderungen in Astrozyten darstellt. Neuere Studien weisen allerdings auf eine regionsspezifische Expression von zusätzlichen iGluR auch an Astrozyten hin, welche einen zusätzlichen, bisher unbeschriebenen Na+-Signalweg vermitteln könnten. Um dies zu untersuchen, wurden quantitative Fluoreszenzmessungen am Weitfeld-sowie Zwei-Photonen-Mikroskop an Gewebeschnitten des visuellen Kortex (wo Hinweise auf eine funktionelle Expression von iGluR an Astrozyten vorliegen) und dem Hippocampus (wo Hinweise für iGluR an Astrozyten fehlen) durchgeführt. Aktivitäts-induzierte Na+-Signale in Astrozyten wurden hinsichtlich ihrer Entstehungsmechanismen charakterisiert und regional verglichen. Stimulierte Na+-Transienten waren in kortikalen Astrozyten etwa doppelt so groß wie in hippocampalen. Das pharmakologische Profil offenbart, dass astrozytäre Na+-Signale im Kortex bei Inhibition des iGluR: N-Methyl-D-Aspartat (NMDAR) um etwa 50% reduziert waren, während hippocampale Na+-Signale nicht beeinflusst wurden. Direkte Aktivierung der NMDAR, durch Applikation von NMDA, führte zu deutlichen Na+-Signalen in kortikalen, aber nicht in hippocampalen Astrozyten. NMDAR kortikaler Astrozyten sind vorwiegend an distalen Ausläufern exprimiert und vermitteln bei Aktivierung globale Na+-, jedoch lokale Ca2+-Signale. Die Ca2+-Signale wurden durch Ca2+-Einstrom über den Na+-Ca2+-Austauscher (NCX) verlängert. Mathematische Berechnungen, gestützt auf experimentelle Daten der Studie, zeigen, dass NMDAR-vermittelter Na+-Einstrom die Transportrichtung des NCX beeinflusst, sodass dieser zur lokalen Ca2+-Signalgebung an Ausläufern beiträgt. Die Ergebnisse zeigen eine deutlich heterogene Na+-Signalgebung in kortikalen gegenüber hippocampalen Astrozyten: 1. In kortikalen Astrozyten sind Na+-Signale bei glutamaterger Aktivität größer als im Hippocampus. 2. In kortikalen Astrozyten werden Na+-Signale neben dem Glutamat-Transport zusätzlich über NMDAR vermittelt und 3. NMDAR-vermittelte Na+-Signale beeinflussen die lokale astrozytäre Ca2+-Signalgebung über den NCX Glutamate is the main excitatory neurotransmitter in the brain. Upon neuronal activity glutamate is released from presynaptic terminals and mediates postsynaptic Na+-influx via binding on ionotropic glutamate receptors (iGluR). Astrocytic processes enwrap neuronal synapses, take up glutamate locally via high-affinity glutamate transporters (GluT), and thereby modulate synaptic transmission. Glutamate transport is fuelled by the cotransport of three sodium ions and thus produces astrocytic Na+-transients. In different brain regions, it was shown that Na+-dependent GluT represent the predominant mechanism for generation of astrocyte Na+-signaling. However, astrocytes show considerable functional and molecular heterogeneity. This includes astrocytic iGluR expression, which is heterogeneously distributed in the brain. These receptors could mediate an additional, as yet undescribed, sodium influx pathway. To address this question, activity-related Na+-transients in astrocytes were compared within the cortex (where astrocytes probably express functional iGluR) and in the hippocampal CA1 region (where Astrocytes lack iGluR) by using quantitative sodium imaging on acutely isolated tissue slices of the mouse brain. Glutamatergic activity resulted in Na+-transients in both cortical and hippocampal astrocytes, however amplitudes of cortical Na+-Signals were twice as large. Additionally, the pharmacological profile differed between the two brain regions: Na+-Transients were reduced by about 50% through inhibition of the iGluR: N-Methyl-D-aspartate (NMDAR) in cortical astrocytes, but were totally unaffected in hippocampal astrocytes. Moreover, cortical astrocytes responded with prominent Na+-transients upon direct activation of NMDAR via NMDA application, while hippocampal astrocytes underwent only small and brief Na+-increases. Cortical NMDAR are enriched at distal processes and were activated upon direct application of NMDA, mediating global Na+-but local Ca2+-influxes. Ca2+-transients were prolonged by additional Ca2+-influx via the Na+-Ca2+-exchanger (NCX). Mathematical computation based on measured data predict that NMDA-induced Na+-increases change the transport direction of the NCX, resulting in additional Ca2+-influx. The study shows that: i. cortical astrocytes respond with larger Na+-transients upon glutamatergic activity than their hippocampal counterparts, ii: NMDAR-activation mediates prominent Na+-influx only in cortical, not in hippocampal, astrocytes and iii: NMDAR-mediated Na+-influxes promote transient Ca2+ influx through reversal of the NCX and thus add an additional mechanism for the generation of local Ca2+-signaling in cortical astrocytes.
Lizenz:	Urheberrechtsschutz
Bezug:	4 Jahre
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Biologie » Neurobiologie
Dokument erstellt am:	29.11.2018
Dateien geändert am:	29.11.2018
Promotionsantrag am:	13.09.2018
Datum der Promotion:	23.11.2018