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.

A role for glutamate transporters in the regulation of insulin secretion.

In the brain, glutamate is an extracellular transmitter that mediates cell-to-cell communication. Prior to synaptic release it is pumped into vesicles by vesicular glutamate transporters (VGLUTs). To inactivate glutamate receptor responses after release, glutamate is taken up into glial cells or neurons by excitatory amino acid transporters (EAATs). In the pancreatic islets of Langerhans, glutamate is proposed to act as an intracellular messenger, regulating insulin secretion from β-cells, but the mechanisms involved are unknown. By immunogold cytochemistry we show that insulin containing secretory granules express VGLUT3. Despite the fact that they have a VGLUT, the levels of glutamate in these granules are low, indicating the presence of a protein that can transport glutamate out of the granules. Surprisingly, in β-cells the glutamate transporter EAAT2 is located, not in the plasma membrane as it is in brain cells, but exclusively in insulin-containing secretory granules, together with VGLUT3. In EAAT2 knock out mice, the content of glutamate in secretory granules is higher than in wild type mice. These data imply a glutamate cycle in which glutamate is carried into the granules by VGLUT3 and carried out by EAAT2. Perturbing this cycle by knocking down EAAT2 expression with a small interfering RNA, or by over-expressing EAAT2 or a VGLUT in insulin granules, significantly reduced the rate of granule exocytosis. Simulations of granule energetics suggest that VGLUT3 and EAAT2 may regulate the pH and membrane potential of the granules and thereby regulate insulin secretion. These data suggest that insulin secretion from β-cells is modulated by the flux of glutamate through the secretory granules.

G-protein coupled receptor-evoked glutamate exocytosis from astrocytes: role of prostaglandins.

Astrocytes are highly secretory cells, participating in rapid brain communication by releasing glutamate. Recent evidences have suggested that this process is largely mediated by Ca(2+)-dependent regulated exocytosis of VGLUT-positive vesicles. Here by taking advantage of VGLUT1-pHluorin and TIRF illumination, we characterized mechanisms of glutamate exocytosis evoked by endogenous transmitters (glutamate and ATP), which are known to stimulate Ca(2+) elevations in astrocytes. At first we characterized the VGLUT1-pHluorin expressing vesicles and found that VGLUT1-positive vesicles were a specific population of small synaptic-like microvesicles containing glutamate but which do not express VGLUT2. Endogenous mediators evoked a burst of exocytosis through activation of G-protein coupled receptors. Subsequent glutamate exocytosis was reduced by about 80% upon pharmacological blockade of the prostaglandin-forming enzyme, cyclooxygenase. On the other hand, receptor stimulation was accompanied by extracellular release of prostaglandin E2 (PGE2). Interestingly, administration of exogenous PGE2 produced per se rapid, store-dependent burst exocytosis of glutamatergic vesicles in astrocytes. Finally, when PGE2-neutralizing antibody was added to cell medium, transmitter-evoked exocytosis was again significantly reduced (by about 50%). Overall these data indicate that cyclooxygenase products are responsible for a major component of glutamate exocytosis in astrocytes and that large part of such component is sustained by autocrine/paracrine action of PGE2.

Astrocytes contain a vesicular compartment that is competent for regulated exocytosis of glutamate.

Astrocytes establish rapid cell-to-cell communication through the release of chemical transmitters. The underlying mechanisms and functional significance of this release are, however, not well understood. Here we identify an astrocytic vesicular compartment that is competent for glutamate exocytosis. Using postembedding immunogold labeling of the rat hippocampus, we show that vesicular glutamate transporters (VGLUT1/2) and the vesicular SNARE protein, cellubrevin, are both expressed in small vesicular organelles that resemble synaptic vesicles of glutamatergic terminals. Astrocytic vesicles, which are not as densely packed as their neuronal counterparts, can be observed in small groups at sites adjacent to neuronal structures bearing glutamate receptors. Fluorescently tagged VGLUT-containing vesicles were studied dynamically in living astrocytes by total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy. After activation of metabotropic glutamate receptors, astrocytic vesicles underwent rapid (milliseconds) Ca(2+)- and SNARE-dependent exocytic fusion that was accompanied by glutamate release. These data document the existence of a Ca(2+)-dependent quantal glutamate release activity in glia that was previously considered to be specific to synapses.

SDF 1-alpha (CXCL12) triggers glutamate exocytosis from astrocytes on a millisecond time scale: Imaging analysis at the single-vesicle level with TIRF microscopy

Chemokines are small chemotactic molecules widely expressed throughout the central nervous system. A number of papers, during the past few years, have suggested that they have physiological functions in addition to their roles in neuroinflammatory diseases. In this context, the best evidence concerns the CXC-chemokine stromal cell-derived factor (SDF-1alpha or CXCL12) and its receptor CXCR4, whose signalling cascade is also implicated in the glutamate release process from astrocytes. Recently, astrocytic synaptic like microvesicles (SLMVs) that express vesicular glutamate transporters (VGLUTs) and are able to release glutamate by Ca(2+)-dependent regulated exocytosis, have been described both in tissue and in cultured astrocytes. Here, in order to elucidate whether SDF-1alpha/CXCR4 system can participate to the brain fast communication systems, we investigated whether the activation of CXCR4 receptor triggers glutamate exocytosis in astrocytes. By using total internal reflection (TIRF) microscopy and the membrane-fluorescent styryl dye FM4-64, we adapted an imaging methodology recently developed to measure exocytosis and recycling in synaptic terminals, and monitored the CXCR4-mediated exocytosis of SLMVs in astrocytes. We analyzed the co-localization of VGLUT with the FM dye at single-vesicle level, and observed the kinetics of the FM dye release during single fusion events. We found that the activation of CXCR4 receptors triggered a burst of exocytosis on a millisecond time scale that involved the release of Ca(2+) from internal stores. These results support the idea that astrocytes can respond to external stimuli and communicate with the neighboring cells via fast release of glutamate.

Modulation de l’expression du transporteur vésiculaire du glutamate : implication dans la plasticité des neurones dopaminergiques

De nombreuses études ont établi que la majorité des neurones libèrent plus qu’une substance chimique. Il est bien connu que les neurones peuvent co-exprimer et co-libérer des neuropeptides en plus de leur neurotransmetteur, mais des évidences de la co-libération de deux petits neurotransmetteurs à action rapide se sont accumulées récemment. Des enregistrements électrophysiologiques ont aussi montré que des neurones sérotoninergiques et dopaminergiques isolés peuvent libérer du glutamate quand ils sont placés en culture. De plus, la présence de glutamate et de glutaminase a été détectée dans des neurones sérotoninergiques, dopaminergiques et noradrénergiques par immunomarquage sur des tranches de cerveau. Malheureusement, en considérant le rôle métabolique du glutamate, sa détection immunologique n’est pas suffisante pour assurer le phénotype glutamatergique d’un neurone. Récemment, la découverte de trois transporteurs vésiculaires du glutamate (VGLUT1-3) a grandement facilité l’identification des neurones glutamatergiques. Ces transporteurs sont nécessaires pour la libération de glutamate et constituent les premiers marqueurs morphologiques du phénotype glutamatergique. Il a été démontré que des neurones noradrénergiques expriment VGLUT2 et que des neurones sérotoninergiques expriment VGLUT3. Mais aucune évidence d’expression d’un des sous-types de VGLUT n’a été reportée pour les neurones dopaminergiques. Le but de notre travail était d’identifier quel sous-type de VGLUT est exprimé par les neurones dopaminergiques mésencéphaliques, et de déterminer si le phénotype glutamatergique de ces neurones peut être modulé dans des conditions particulières. Premièrement, nous avons utilisé des microcultures pour isoler les neurones dopaminergiques et des doubles marquages immunocytochimiques pour observer l’expression de VGLUT dans les neurones positifs pour la tyrosine hydroxylase (TH). Nous avons montré que la majorité (80%) des neurones TH+ isolés exprime spécifiquement VGLUT2. Cette expression est précoce au cours du développement in vitro et limitée aux projections axonales des neurones dopaminergiques. Toutefois, cette forte expression in vitro contraste avec la non-détection de ce transporteur dans les rats adultes in vivo. Nous avons décidé ensuite de regarder si l’expression de VGLUT2 pouvait être régulée pendant le développement cérébral de jeunes rats et sous des conditions traumatiques, par double hybridation in situ. Entre 14 et 16 jours embryonnaires, les marquages de VGLUT2 et de TH montraient une superposition significative qui n’était pas retrouvée à des stades ultérieurs. Dans le mésencéphale de jeunes rats postnataux, nous avons détecté l’ARNm de VGLUT2 dans environs 1-2% des neurones exprimant l’ARNm de TH dans la substance noire et l’aire tegmentaire ventrale (ATV). Pour explorer la régulation de l’expression de VGLUT2 dans des conditions traumatiques, nous avons utilisé la 6-hydroxydopamine (6-OHDA) pour léser les neurones dopaminergiques dans les jeunes rats. Dix jours après la chirurgie, nous avons trouvé que 27% des neurones dopaminergiques survivants dans l’ATV exprimaient l’ARNm de VGLUT2 dans les rats 6-OHDA. Finalement, nous avons observé la colocalisation de la protéine VGLUT2 dans les terminaisons TH positives par microscopie électronique. Dans les rats normaux, la protéine VGLUT2 est retrouvée dans 28% des terminaisons axonales TH dans le noyau accumbens. Dans les rats lésés à la 6-OHDA, nous avons observé une diminution considérable des terminaisons TH positives, et une augmentation dans la proportion (37%) des terminaisons dopaminergiques présentant du VGLUT2. Nos résultats suggèrent que le phénotype glutamatergique des neurones dopaminergiques est régulé au cours du développement, peut être réactivé dans des états pathologiques, et que ces neurones peuvent libérer du glutamate dans conditions spécifiques.

Neurochemistry of the afferents to the rat cochlear root nucleus: Possible synaptic modulation of the acoustic startle

Afferents to the primary startle circuit are essential for the elicitation and modulation of the acoustic startle reflex (ASR). In the rat, cochlear root neurons (CRNs) comprise the first component of the acoustic startle circuit and play a crucial role in mediating the ASR. Nevertheless, the neurochemical pattern of their afferents remains unclear. To determine the distribution of excitatory and inhibitory inputs, we used confocal microscopy to analyze the immunostaining for vesicular glutamate and GABA transporter proteins (VGLUT1 and VGAT) on retrogradely labeled CRNs. We also used reverse transcription-polymerase chain reaction (RT-PCR) and immunohistochemistry to detect and localize specific neurotransmitter receptor subunits in the cochlear root. Our results show differential distributions of VGLUT1- and VGAT-immunoreactive endings around cell bodies and dendrites. The RT-PCR data showed a positive band for several ionotropic glutamate receptor subunits, M1-M5 muscarinic receptor subtypes, the glycine receptor alpha 1 subunit (GlyR alpha 1), GABA(A), GABA(B), and subunits of alpha 2 and beta-noradrenergic receptors. By immunohistochemistry, we confirmed that CRN cell bodies exhibit positive immunoreaction for the glutamate receptor (GluR) 3 and NR1 GluR subunits. Cell bodies and dendrites were also positive for M2 and M4, and GlyR alpha 1. Other subunits, such as GluR1 and GluR4 of the AMPA GluRs, were observed in glial cells neighboring unlabeled CRN cell bodies. We further confirmed the existence of nor-adrenergic afferents onto CRNs from the locus coeruleus by combining tyrosine hydroxylase immunohistochemistry and tract-tracing experiments. Our results provide valuable information toward understanding how CRNs might integrate excitatory and inhibitory inputs, and hence how they could elicit and modulate the ASR. (C) 2008 IBRO. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.