Role Of Astrocytes In Thiamine Deficiency.

Thiamine deficiency (TD) is the underlying cause of Wernicke's encephalopathy (WE), an acute neurological disorder characterized by structural damage to key periventricular structures in the brain. Increasing evidence suggests these focal histological lesions may be representative of a gliopathy in which astrocyte-related changes are a major feature of the disorder. These changes include a loss of the glutamate transporters GLT-1 and GLAST concomitant with elevated interstitial glutamate levels, lowered brain pH associated with increased lactate production, decreased levels of GFAP, reduction in the levels of glutamine synthetase, swelling, alterations in levels of aquaporin-4, and disruption of the blood-brain barrier. This review focusses on how these manifestations contribute to the pathophysiology of TD and possibly WE.

Metabolism of primary astrocytes studied by NMR: metabolic trafficking and neuroprotection

Dissertation presented to obtain a Ph. D. degree in Biochemistry by Universidade Nova de Lisboa, Instituto de Tecnologia Química e Biológica.

Protease-activated receptor (PAR)-1 and PAR-2 protect rat astrocytes from apoptotic cell death via differentially regulating JNK isoform-specific release of the chemokine GRO/CINC-1 : two novel protective pathways in brain

Protease-activated receptor; c-Jun N-terminal kinase (JNK); thrombin; neuroprotection; siRNA

Glia going emotional : the impact of acute and repeated neonatal separations on astrocytes in the medial prefrontal cortex

Astrocytes, GFAP, glia, neonatal separation, medial prefrontal cortex, S100ß

Functional studies of β-arresting and αB-crystallin as interaction partners of PAR-1 and PAR-2 and their involvement in protective and proliferative signaling pathways in astrocytes

Magdeburg, Univ., Fak. für Naturwiss., Diss., 2014

Cultured human fetal astrocytes can be induced by interferon-gamma to express HLA-DR.

Interferon-gamma (IFN-gamma) modulates the expression of Class II major histocompatibility antigens (MHC), thus providing a potential regulatory mechanism for local immune reactivity in the context of MHC-restricted antigen presentation. Within the central nervous system (CNS), the expression of MHC Class II antigens has been demonstrated on human reactive astrocytes and glioma cells. In order to investigate the modulation of HLA-DR on normal astrocytes, two cell lines were grown from a 20-week-old fetal brain. In situ none of the fetal brain cells expressed HLA-DR as determined by immunohistology on frozen tissue sections. The two cell lines, FB I and FB II, expressed GFAP indicating their astrocytic origin. FB I was HLA-DR negative at the first tissue culture passages, but could be induced to express HLA-DR when treated with 500 U/ml IFN-gamma. FB II was spontaneously HLA-DR positive in the early passages, lost the expression of this antigen after 11 passages and could also be induced to express HLA-DR by IFN-gamma. The induction of HLA-DR expression was demonstrated both by a binding RIA and by immunoprecipitation using a monoclonal antibody (MAB) directed against a monomorphic determinant of HLA-DR. The HLA-DR alloantigens were determined on FB II cells after IFN-gamma treatment, by immunofluorescence and by cytotoxicity assays, and were shown to be DR4, DR6, Drw52, DRw53 and DQwl. These results show that human fetal astrocytes can be induced to express HLA-DR by IFN-gamma in vitro and support the concept that astrocytes may function as antigen-presenting cells.

Immunogold Detection of L-glutamate and D-serine in Small Synaptic-Like Microvesicles in Adult Hippocampal Astrocytes.

Glutamate and the N-methyl-D-aspartate receptor ligand D-serine are putative gliotransmitters. Here, we show by immunogold cytochemistry of the adult hippocampus that glutamate and D-serine accumulate in synaptic-like microvesicles (SLMVs) in the perisynaptic processes of astrocytes. The estimated concentration of fixed glutamate in the astrocytic SLMVs is comparable to that in synaptic vesicles of excitatory nerve terminals (∼45 and ∼55 mM, respectively), whereas the D-serine level is about 6 mM. The vesicles are organized in small spaced clusters located near the astrocytic plasma membrane. Endoplasmic reticulum is regularly found in close vicinity to SLMVs, suggesting that astrocytes contain functional nanodomains, where a local Ca(2+) increase can trigger release of glutamate and/or D-serine.

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.

What do we know about gliotransmitter release from astrocytes?

Astrocytes participate in information processing by actively modulating synaptic properties via gliotransmitter release. Various mechanisms of astrocytic release have been reported, including release from storage organelles via exocytosis and release from the cytosol via plasma membrane ion channels and pumps. It is still not fully clear which mechanisms operate under which conditions, but some of them, being Ca(2+)-regulated, may be physiologically relevant. The properties of Ca(2+)-dependent transmitter release via exocytosis or via ion channels are different and expected to produce different extracellular transmitter concentrations over time and to have distinct functional consequences. The molecular aspects of these two release pathways are still under active investigation. Here, we discuss the existing morphological and functional evidence in support of either of them. Transgenic mouse models, specific antagonists and localization studies have provided insight into regulated exocytosis, albeit not in a systematic fashion. Even more remains to be uncovered about the details of channel-mediated release. Better functional tools and improved ultrastructural approaches are needed in order fully to define specific modalities and effects of astrocytic gliotransmitter release pathways.

Efficient gene delivery and selective transduction of astrocytes in the mammalian brain using viral vectors.

Astrocytes are now considered as key players in brain information processing because of their newly discovered roles in synapse formation and plasticity, energy metabolism and blood flow regulation. However, our understanding of astrocyte function is still fragmented compared to other brain cell types. A better appreciation of the biology of astrocytes requires the development of tools to generate animal models in which astrocyte-specific proteins and pathways can be manipulated. In addition, it is becoming increasingly evident that astrocytes are also important players in many neurological disorders. Targeted modulation of protein expression in astrocytes would be critical for the development of new therapeutic strategies. Gene transfer is valuable to target a subpopulation of cells and explore their function in experimental models. In particular, viral-mediated gene transfer provides a rapid, highly flexible and cost-effective, in vivo paradigm to study the impact of genes of interest during central nervous system development or in adult animals. We will review the different strategies that led to the recent development of efficient viral vectors that can be successfully used to selectively transduce astrocytes in the mammalian brain.

Endothelial Cell-Derived Nitric Oxide Enhances Aerobic Glycolysis in Astrocytes via HIF-1α-Mediated Target Gene Activation.

Astrocytes exhibit a prominent glycolytic activity, but whether such a metabolic profile is influenced by intercellular communication is unknown. Treatment of primary cultures of mouse cortical astrocytes with the nitric oxide (NO) donor DetaNONOate induced a time-dependent enhancement in the expression of genes encoding various glycolytic enzymes as well as transporters for glucose and lactate. Such an effect was shown to be dependent on the hypoxia-inducible factor HIF-1α, which is stabilized and translocated to the nucleus to exert its transcriptional regulation. NO action was dependent on both the PI3K/Akt/mTOR and MEK signaling pathways and required the activation of COX, but was independent of the soluble guanylate cyclase pathway. Furthermore, as a consequence of NO treatment, an enhanced lactate production and release by astrocytes was evidenced, which was prevented by downregulating HIF-1α. Several brain cell types represent possible sources of NO. It was found that endothelial cells, which express the endothelial NO synthase (eNOS) isoform, constitutively produced the largest amount of NO in culture. When astrocytes were cocultured with primary cultures of brain vascular endothelial cells, stabilization of HIF-1α and an enhancement in glucose transporter-1, hexokinase-2, and monocarboxylate transporter-4 expression as well as increased lactate production was found in astrocytes. This effect was inhibited by the NOS inhibitor l-NAME and was not seen when astrocytes were cocultured with primary cultures of cortical neurons. Our findings suggest that endothelial cell-derived NO participates to the maintenance of a high glycolytic activity in astrocytes mediated by astrocytic HIF-1α activation.

Defining secretion processes in astrocytes

During the last decade, evidence that release of chemical transmitters from astrocytes might modulate neuronal activity (the so-called "gliotransmission") occurs in situ has been extensively provided. Nevertheless, gliotransmission remains a highly debated topic because of the lack of direct morphological and functional evidence. Here we provided new information supporting gliotransmission, by i) deepen knowledge about specific properties of regulated secretion of glutamatergic SLMVs, and ii) investigating the involvement of astrocytes in the transmission of dopamine, a molecule whose interaction with astrocytes is likely to occur, but it's still not proven.¦VGLUT-expressing glutamatergic SLMVs have been previously identified both in situ and in vitro, but description of kinetics of release were still lacking. To elucidate this issue, we took advantage of fluorescent tools (styryl dyes and pHluorin) and adapted experimental paradigms and analysis methods previously developed to study exo-endocytosis and recycling of glutamatergic vesicles at synapses. Parallel use of EPIfluorescence and total internal reflection (TIRF) imaging allowed us to find that exo-endocytosis processes in astrocytes are extremely fast, with kinetics in the order of milliseconds, able to sustain and follow neuronal signalling at synapses. Also, exocytosis of SLMVs is under the control of fast, localized Ca2+ elevations in close proximity of SLMVs and endoplasmatic reticulum (ER) tubules, the intracellular calcium stores. Such complex organization supports the fast stimulus-secretion coupling we described; localized calcium elevations have been recently observed in astrocytes in situ, suggesting that these functional microdomains might be present in the intact tissue. In the second part of the work, we investigated whether astrocytes possess some of the benchmarks of brain dopaminergic cells. It's been known for years that astrocytes are able to metabolize monoamines by the enzymes MAO and COMT, but to date no clear information that glial cells are able to uptake and store monoamines have been provided. Here, we identified a whole apparatus for the storage, degradation and release of monoamines, at the ultrastructural level. Electron microscopy immunohistochemistry allowed us to visualize VMAT2- and dopamine-positive intracellular compartments within astrocytic processes, i.e. dense -core granules and cisterns. These organelles might be responsible for dopamine release and storage, respectively; interestingly, this intracellular distribution is reminiscent of VMAT2 expression in dendrites if neurons, where dopamine release is tonic and plays a role in the regulation of its a basal levels, suggesting that astrocytic VMAT2 is involved in the homeostasis of dopamine in healthy brains of adult mammals.¦Durant cette dernière décennie, de nombreux résultats sur le relâchement des transmetteurs par les astrocytes pouvant modulé l'activité synaptique (gliotransmission) ont été fournis. Néanmoins, la gliotransmission reste un processus encore très débattu, notamment à cause de l'absence de preuves directes, morphologique et fonctionnelle démontrant ce phénomène. Nous présentons dans nos travaux de nombreux résultats confortant l'hypothèse de la gliotransmission, dont i) une étude approfondie sur les propriétés spatiales et temporelles de la sécrétion régulée du glutamate dans les astrocytes, et ii) une étude sur la participation des astrocytes dans la transmission de la dopamine, une neuromodulateur dont l'interaction avec les astrocytes est fortement probable, mais qui n'a encore jamais été prouvée. L'expression des petites vésicules (SLMVs - Synaptic Like Micro Vesicles) glutamatergiques exprimant les transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUTs) dans les astrocytes a déjà été prouvé tant in situ qu'in vitro. Afin de mettre en évidence les propriétés précises de la sécrétion de ces organelles, nous avons adapté à nos études des méthodes expérimentales conçues pour observer les processus de exocytose et endocytose dans les neurones. Les résolutions spatiale et temporelle obtenues, grâce a l'utilisation en parallèle de l'épi fluorescence et de la fluorescence a onde évanescente (TIRF), nous ont permis de montrer que la sécrétion régulée dans les astrocytes est un processus extrêmement rapide (de l'ordre de la milliseconde) et qu'elle est capable de soutenir et de suivre la transmission de signaux entre neurones. Nous avons également découvert que cette sécrétion a lieu dans des compartiments subcellulaires particuliers où nous observons la présence du reticulum endoplasmique (ER) ainsi que des augmentations rapides de calcium. Cette organisation spatiale complexe pourrait être la base morphologique du couplage rapide entre le stimulus et la sécrétion. Par ailleurs, plusieurs études récentes in vivo semblent confirmer l'existence de ces compartiments. Depuis des années nous savons que les astrocytes sont capables de métaboliser les monoamines par les enzymes MAO et COMT. Nous avons donc fourni de nouvelles preuves concernant la présence d'un appareil de stockage dans les astrocytes participant à la dégradation et la libération de monoamines au niveau ultrastructurelle. Grâce à la microscopie électronique, nous avons découvert la présence de compartiments intracellulaires exprimant VMAT2 dans les processus astrocytaires, sous forme de granules et des citernes. Ces organelles pourraient donc être responsables à la fois du relâchement et du stockage de la dopamine. De manière surprenante, cette distribution intracellulaire est similaire aux dendrites des neurones exprimant VMAT2, où la dopamine est libérée de façon tonique permettant d'agir sur la régulation de ses niveaux de base. Ces résultats, suggèrent une certaine participation des VMAT2 présents dans les astrocytes dans le processus d'homéostase de la dopamine dans le cerveau.¦A de nombreuses reprises, dans des émissions scientifiques ou dans des films, il est avancé que les hommes n'utilisent que 10% du potentiel de leur cerveau. Cette légende provient probablement du fait que les premiers chercheurs ayant décrit les cellules du cerveau entre le XIXème et le XXeme siècle, ont montré que les neurones, les cellules les plus connues et étudiées de cet organe, ne représentent seulement que 10% de la totalité des cellules composant du cerveau. Parmi les 90% restantes, les astrocytes sont sans doute les plus nombreuses. Jusqu'au début des années 90, les astrocytes ont été plutôt considérés peu plus que du tissu conjonctif, ayant comme rôles principaux de maintenir certaines propriétés physiques du cerveau et de fournir un support métabolique (énergie, environnement propre) aux neurones. Grace à la découverte que les astrocytes ont la capacité de relâcher des substances neuro-actives, notamment le glutamate, le rôle des astrocytes dans le fonctionnement cérébral a été récemment reconsidérée.¦Le rôle du glutamate provenant des astrocytes et son impact sur la fonctionnalité des neurones n'a pas encore été totalement élucidé, malgré les nombreuses publications démontrant l'importance de ce phénomène en relation avec différentes fonctions cérébrales. Afin de mieux comprendre comment les astrocytes sont impliqués dans la transmission cérébrale, nous avons étudié les propriétés spatio-temporelles de cette libération grâce à l'utilisation des plusieurs marqueurs fluorescents combinée avec différentes techniques d'imagerie cellulaires. Nous avons découvert que la libération du glutamate par les astrocytes (un processus maintenant appelé "gliotransmission") était très rapide et contrôlée par des augmentations locales de calcium. Nous avons relié ces phénomènes à des domaines fonctionnels subcellulaires morphologiquement adaptés pour ce type de transmission. Plus récemment, nous avons concentré nos études sur un autre transmetteur très important dans le fonctionnement du cerveau : la dopamine. Nos résultats morphologiques semblent indiquer que les astrocytes ont la capacité d'interagir avec ce transmetteur, mais d'une manière différente comparée au glutamate, notamment en terme de rapidité de transmission. Ces résultats suggèrent que le astrocytes ont la capacité de modifier leurs caractéristiques et de s'adapter à leur environnement par rapport aux types de transmetteur avec lequel ils doivent interagir.

Rest/nrsf governs the expression of dense-core vesicle gliosecretion in astrocytes

Astrocytes are the brain nonnerve cells that are competent for gliosecretion, i.e., for expression and regulated exocytosis of clear and dense-core vesicles (DCVs). We investigated whether expression of astrocyte DCVs is governed by RE-1-silencing transcription factor (REST)/neuron-restrictive silencer factor, the transcription repressor that orchestrates nerve cell differentiation. Rat astrocyte cultures exhibited high levels of REST and expressed neither DCVs nor their markers (granins, peptides, and membrane proteins). Transfection of dominant-negative construct of REST induced the appearance of DCVs filled with secretogranin 2 and neuropeptide Y (NPY) and distinct from other organelles. Total internal reflection fluorescence analysis revealed NPY-monomeric red fluorescent protein-labeled DCVs to undergo Ca21 -dependent exocytosis, which was largely prevented by botulinum toxin B. In the I-II layers of the human temporal brain cortex, all neurons and microglia exhibited the expected inappreciable and high levels of REST, respectively. In contrast, astrocyte RESTwas variable, going from inappreciable to high, and accompanied by a variable expression of DCVs. In conclusion, astrocyte DCV expression and gliosecretion are governed by REST. The variable in situ REST levels may contribute to the wellknown structural/ functional heterogeneity of astrocytes.

Glutamate Transport Decreases Mitochondrial pH and Modulates Oxidative Metabolism in Astrocytes.

During synaptic activity, the clearance of neuronally released glutamate leads to an intracellular sodium concentration increase in astrocytes that is associated with significant metabolic cost. The proximity of mitochondria at glutamate uptake sites in astrocytes raises the question of the ability of mitochondria to respond to these energy demands. We used dynamic fluorescence imaging to investigate the impact of glutamatergic transmission on mitochondria in intact astrocytes. Neuronal release of glutamate induced an intracellular acidification in astrocytes, via glutamate transporters, that spread over the mitochondrial matrix. The glutamate-induced mitochondrial matrix acidification exceeded cytosolic acidification and abrogated cytosol-to-mitochondrial matrix pH gradient. By decoupling glutamate uptake from cellular acidification, we found that glutamate induced a pH-mediated decrease in mitochondrial metabolism that surpasses the Ca(2+)-mediated stimulatory effects. These findings suggest a model in which excitatory neurotransmission dynamically regulates astrocyte energy metabolism by limiting the contribution of mitochondria to the metabolic response, thereby increasing the local oxygen availability and preventing excessive mitochondrial reactive oxygen species production.