Fast subplasma membrane Ca2+ transients control exo-endocytosis of synaptic-like microvesicles in astrocytes

Astrocytes are the most abundant glial cell type in the brain. Although not apposite for long-range rapid electrical communication, astrocytes share with neurons the capacity of chemical signaling via Ca(2+)-dependent transmitter exocytosis. Despite this recent finding, little is known about the specific properties of regulated secretion and vesicle recycling in astrocytes. Important differences may exist with the neuronal exocytosis, starting from the fact that stimulus-secretion coupling in astrocytes is voltage independent, mediated by G-protein-coupled receptors and the release of Ca(2+) from internal stores. Elucidating the spatiotemporal properties of astrocytic exo-endocytosis is, therefore, of primary importance for understanding the mode of communication of these cells and their role in brain signaling. We here take advantage of fluorescent tools recently developed for studying recycling of glutamatergic vesicles at synapses (Voglmaier et al., 2006; Balaji and Ryan, 2007); we combine epifluorescence and total internal reflection fluorescence imaging to investigate with unprecedented temporal and spatial resolution, the stimulus-secretion coupling underlying exo-endocytosis of glutamatergic synaptic-like microvesicles (SLMVs) in astrocytes. Our main findings indicate that (1) exo-endocytosis in astrocytes proceeds with a time course on the millisecond time scale (tau(exocytosis) = 0.24 +/- 0.017 s; tau(endocytosis) = 0.26 +/- 0.03 s) and (2) exocytosis is controlled by local Ca(2+) microdomains. We identified submicrometer cytosolic compartments delimited by endoplasmic reticulum tubuli reaching beneath the plasma membrane and containing SLMVs at which fast (time-to-peak, approximately 50 ms) Ca(2+) events occurred in precise spatial-temporal correlation with exocytic fusion events. Overall, the above characteristics of transmitter exocytosis from astrocytes support a role of this process in fast synaptic modulation.

Etude des propriétés dynamiques de la sécrétion régulée des vésicules glutamatergiques des astrocytes

RESUME GRAND PUBLICLe cerveau est composé de différents types cellulaires, dont les neurones et les astrocytes. Faute de moyens pour les observer, les astrocytes sont très longtemps restés dans l'ombre alors que les neurones, bénéficiant des outils ad hoc pour être stimulés et étudiés, ont fait l'objet de toutes les attentions. Le développement de l'imagerie cellulaire et des outils fluorescents ont permis d'observer ces cellules non électriquement excitables et d'obtenir des informations qui laissent penser que ces cellules sont loin d'être passives et participent activement au fonctionnement cérébral. Cette participation au fonctionnement cérébral se fait en partie par le biais de la libération de substances neuro-actives (appellées gliotransmetteurs) que les astrocytes libèrent à proximité des synapses permettant ainsi de moduler le fonctionnement neuronal. Cette libération de gliotransmetteurs est principalement causée par l'activité neuronale que les astrocytes sont capables de sentir. Néanmoins, nous savons encore peu de chose sur les propriétés précises de la libération des gliotransmetteurs. Comprendre les propriétés spatio-temporelles de cette libération est essentiel pour comprendre le mode de communication de ces cellules et leur implication dans la transmission de l'information cérébrale. En utilisant des outils fluorescents récemment développés et en combinant différentes techniques d'imagerie cellulaire, nous avons pu obtenir des informations très précises sur la libération de ces gliotransmetteurs par les astrocytes. Nous avons ainsi confirmé que cette libération était un processus très rapide et qu'elle était contrôlée par des augmentations de calcium locales et rapides. Nous avons également décrit une organisation complexe de la machinerie supportant la libération des gliotransmetteurs. Cette organisation complexe semble être à la base de la libération extrêmement rapide des gliotransmetteurs. Cette rapidité de libération et cette complexité structurelle semblent indiquer que les astrocytes sont des cellules particulièrement adaptées à une communication rapide et qu'elles peuvent, au même titre que les neurones dont elles seraient les partenaires légitimes, participer à la transmission et à l'intégration de l'information cérébrale.RESUMEDe petites vésicules, les « SLMVs » ou « Synaptic Like MicroVesicles », exprimant des transporteurs vésiculaires du glutamate (VGluTs) et libérant du glutamate par exocytose régulée, ont récemment été décrites dans les astrocytes en culture et in situ. Néanmoins, nous savons peu de chose sur les propriétés précises de la sécrétion de ces SLMVs. Contrairement aux neurones, le couplage stimulussécrétion des astrocytes n'est pas basé sur l'ouverture des canaux calciques membranaires mais nécessite l'intervention de seconds messagers et la libération du calcium par le reticulum endoplasmique (RE). Comprendre les propriétés spatio-temporelles de la sécrétion astrocytaire est essentiel pour comprendre le mode de communication de ces cellules et leur implication dans la transmission de l'information cérébrale. Nous avons utilisé des outils fluorescents récemment développés pour étudier le recyclage des vésicules synaptiques glutamatergiques comme les colorants styryles et la pHluorin afin de pouvoir suivre la sécrétion des SLMVs à l'échelle de la cellule mais également à l'échelle des évènements. L'utilisation combinée de l'épifluorescence et de la fluorescence à onde évanescente nous a permis d'obtenir une résolution temporelle et spatiale sans précédent. Ainsi avons-nous confirmé que la sécrétion régulée des astrocytes était un processus très rapide (de l'ordre de quelques centaines de millisecondes). Nous avons découvert que cette sécrétion est contrôlée par des augmentations de calcium locales et rapides. Nous avons également décrit des compartiments cytosoliques délimités par le RE à proximité de la membrane plasmique et contenant les SLMVs. Cette organisation semble être à la base du couplage rapide entre l'activation des GPCRs et la sécrétion. L'existence de compartiments subcellulaires indépendants permettant de contenir les messagers intracellulaires et de limiter leur diffusion semble compenser de manière efficace la nonexcitabilité électrique des astrocytes. Par ailleurs, l'existence des différents pools de vésicules recrutés séquentiellement et fusionnant selon des modalités distinctes ainsi que l'existence de mécanismes permettant le renouvellement de ces pools lors de la stimulation suggèrent que les astrocytes peuvent faire face à une stimulation soutenue de leur sécrétion. Ces données suggèrent que la libération de gliotransmetteurs par exocytose régulée n'est pas seulement une propriété des astrocytes en culture mais bien le résultat d'une forte spécialisation de ces cellules pour la sécrétion. La rapidité de cette sécrétion donne aux astrocytes toutes les compétences pour pouvoir intervenir de manière active dans la transmission et l'intégration de l'information.ABSTRACTRecently, astrocytic synaptic like microvesicles (SLMVs), that express vesicular glutamate transporters (VGluTs) and are able to release glutamate by Ca2+-dependent regulated exocytosis, have been described both in tissue and in cultured astrocytes. Nevertheless, little is known about the specific properties of regulated secretion in astrocytes. Important differences may exist between astrocytic and neuronal exocytosis, starting from the fact that stimulus-secretion coupling in astrocytes is voltage independent, mediated by G-protein-coupled receptors and the release of Ca2+ from internal stores. Elucidating the spatiotemporal properties of astrocytic exo-endocytosis is, therefore, of primary importance for understanding the mode of communication of these cells and their role in brain signaling. We took advantage of fluorescent tools recently developed for studying recycling of glutamatergic vesicles at synapses like styryl dyes and pHluorin in order to follow exocytosis and endocytosis of SLMVs at the level of the entire cell or at the level of single event. We combined epifluorescence and total internal reflection fluorescence imaging to investigate, with unprecedented temporal and spatial resolution, the events underlying the stimulus-secretion in astrocytes. We confirmed that exo-endocytosis process in astrocytes proceeds with a time course on the millisecond time scale. We discovered that SLMVs exocytosis is controlled by local and fast Ca2+ elevations; indeed submicrometer cytosolic compartments delimited by endoplasmic reticulum (ER) tubuli reaching beneath the plasma membrane and containing SLMVs. Such complex organization seems to support the fast stimulus-secretion coupling reported here. Independent subcellular compartments formed by ER, SLMVs and plasma membrane containing intracellular messengers and limiting their diffusion seem to compensate efficiently the non-electrical excitability of astrocytes. Moreover, the existence of two pools of SLMVs which are sequentially recruited suggests a compensatory mechanisms allowing the refill of SLMVs and supporting exocytosis process over a wide range of multiple stimuli. These data suggest that regulated secretion is not only a feature of cultured astrocytes but results from a strong specialization of these cells. The rapidity of secretion demonstrates that astrocytes are able to actively participate in brain information transmission and processing.

T-type Ca2+ channels, SK2 channels and SERCAs gate sleep-related oscillations in thalamic dendrites.

T-type Ca2+ channels (T channels) underlie rhythmic burst discharges during neuronal oscillations that are typical during sleep. However, the Ca2+-dependent effectors that are selectively regulated by T currents remain unknown. We found that, in dendrites of nucleus reticularis thalami (nRt), intracellular Ca2+ concentration increases were dominated by Ca2+ influx through T channels and shaped rhythmic bursting via competition between Ca2+-dependent small-conductance (SK)-type K+ channels and Ca2+ uptake pumps. Oscillatory bursting was initiated via selective activation of dendritically located SK2 channels, whereas Ca2+ sequestration by sarco/endoplasmic reticulum Ca2+-ATPases (SERCAs) and cumulative T channel inactivation dampened oscillations. Sk2-/- (also known as Kcnn2) mice lacked cellular oscillations, showed a greater than threefold reduction in low-frequency rhythms in the electroencephalogram of non-rapid-eye-movement sleep and had disrupted sleep. Thus, the interplay of T channels, SK2 channels and SERCAs in nRt dendrites comprises a specialized Ca2+ signaling triad to regulate oscillatory dynamics related to sleep.

Blocking VLDL secretion causes hepatic steatosis but does not affect peripheral lipid stores or insulin sensitivity in mice

The liver secretes triglyceride-rich VLDLs, and the triglycerides in these particles are taken up by peripheral tissues, mainly heart, skeletal muscle, and adipose tissue. Blocking hepatic VLDL secretion interferes with the delivery of liver-derived triglycerides to peripheral tissues and results in an accumulation of triglycerides in the liver. However, it is unclear how interfering with hepatic triglyceride secretion affects adiposity, muscle triglyceride stores, and insulin sensitivity. To explore these issues, we examined mice that cannot secrete VLDL [due to the absence of microsomal triglyceride transfer protein (Mttp) in the liver]. These mice exhibit markedly reduced levels of apolipoprotein B-100 in the plasma, along with reduced levels of triglycerides in the plasma. Despite the low plasma triglyceride levels, triglyceride levels in skeletal muscle were unaffected. Adiposity and adipose tissue triglyceride synthesis rates were also normal, and body weight curves were unaffected. Even though the blockade of VLDL secretion caused hepatic steatosis accompanied by increased ceramides and diacylglycerols in the liver, the mice exhibited normal glucose tolerance and were sensitive to insulin at the whole-body level, as judged by hyperinsulinemic euglycemic clamp studies. Normal hepatic glucose production and insulin signaling were also maintained in the fatty liver induced by Mttp deletion. Thus, blocking VLDL secretion causes hepatic steatosis without insulin resistance, and there is little effect on muscle triglyceride stores or adiposity