Targeting astroglial metabolism in vivo: Consequences for astrocytes, neurons and synapses
Final Report Abstract
Das Zusammenspiel von Neuronen und Gliazellen ist für eine adäquate Hirnfunktion essentiell. Astrozyten erfüllen wichtige Funktionen in der Aufrechterhaltung der Ionenhomöostase und der metabolischen Versorgung der Neurone. Zwei der zentralen Moleküle des zellulären Metabolismus sind NAD+ und sein Redoxpartner NADH. Die Untersuchungen im Rahmen dieses Projektes zeigten eine strenge Regulation des astrozytären Redoxzustands. Der intrazelluläre NADH Gehalt ist insbesondere bei physiologisch relevanten Konzentrationen von der angebotenen Menge energieliefernder Substrate abhängig. Während bisher angenommen wurde, dass ein Anstieg des NADH Gehaltes einen entsprechend großen Abfall des NAD+ Gehaltes nach sich zieht, konnten wir überraschenderweise zeigen, dass der Gehalt an NAD+ unter vielen Bedingungen mit stark variablem NADH nahezu konstant gehalten wird. Da NAD+ Substrat für Proteine wie Sirtuine ist, von denen eine Beteiligung an der Detektion des metabolischen Zustandes einer Zelle angenommen wird, stellt diese überraschende Konstanz des NAD+ Gehaltes die Relevanz dieser Signalwege zumindest in Astrozyten unter den hier untersuchten Bedingungen in Frage. Als weiteren Aspekt haben wir die Reaktion des astroglialen NAD+/NADH-Redoxverhältnisses auf Neurotransmitter untersucht. Astroyzten reagieren in vitro und in situ auf die Aktivierung von Neurotransmitterrezeptoren (v.a. untersucht am Beispiel der Dopaminrezeptoren) mit einer zweiphasigen Veränderung des NAD(P)H-Fluoreszenzsignals. Ein derartiges Signal wurde bisher entweder Neuronen alleine oder der Interaktion von Neuronen und Astrozyten zugeschrieben. Darüber hinaus konnten wir auch den zugrunde liegenden Mechanismus aufklären. Das Signal der Rezeptoraktivierung wird über Adenylatcyclase, Proteinkinase A und AMP-aktivierte Proteinkinase weitergeleitet. Während der Abfall des NAD(P)H-Signals ist auf eine Aktivierung der Atmungskette zurückzuführen ist, wird der spätere Anstieg durch die Aktivierung der Glykolyse vermittelt. Schließlich konnten wir zeigen, dass das NAD+/NADH-Redoxverhältnis Ca2+-Signale in Astrozyten, z.B. die Geschwindigkeit astroglialer Ca2+-Wellen moduliert. Diese Änderung der Ca2+-Wellengeschwindigkeit ist abhängig von der Kopplung der Zellen durch „gap junctions“, was darauf hindeutet, dass das NAD+/NADH-Redoxverhältnis entweder die Diffusion von Signalmolekülen wie Inositol-1,4,5-triphosphat erleichtert oder deren Bildung oder Wirkung verstärkt. Die detaillierte Analyse dieses Mechanismus ist Gegenstand derzeitiger Untersuchungen. Wir konnten in diesem Projekt zeigen, dass der Metabolismus und dabei speziell das NAD+/NADH-Redoxverhältnis von Astrozyten eng mit verschiedenen Ebenen der Signalverarbeitung verknüpft ist. Diese Regulation findet dabei in beide Richtungen statt, so beeinflusst die Aktivierung von Neurotransmitterrezeptoren das NAD+/NADH-Redoxverhältnis, welches wiederum Ca2+-Signale beeinflusst. Gerade im Falle des Dopamins als Neurotransmitter könnte dieser Mechanismus zu einer Koordination des Metabolismus mit dem funktionellen Zustand des Kortex beitragen und so eine Rolle bei Aufmerksamkeit, Lernen und Motivation spielen.
Publications
- (2010) The biphasic NAD(P)H fluorescence response of astrocytes to dopamine reflects the metabolic actions of oxidative phosphorylation and glycolysis. J. Neurochem. 115: 483-492
Requardt RP, Wilhelm F, Rillich J, Winkler U, Hirrlinger J
- (2010) The cytosolic redox state of astrocytes: maintenance, regulation and functional implications for metabolite trafficking. Brain Res. Rev. 63: 177-188
Hirrlinger J, Dringen R
- (2011) The NAD+/NADH redox state in astrocytes: independent control of the NAD+ and NADH content. J. Neurosci. Res. (Epub ahead of print)
Wilhelm F, Hirrlinger J
(See online at https://doi.org/10.1002/jnr.22638)
