Astroglial Glutamate Transporters, Calcium, and Mitochondria

星形胶质细胞谷氨酸转运蛋白、钙和线粒体

• 批准号: 10189721
• 负责人: Michael Byrne Robinson
• 金额: $ 50.74万
• 依托单位: CHILDREN'S HOSP OF PHILADELPHIA
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2018-09-15 至 2023-06-30
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10189721
• 关键词: Acute; Alzheimer' s Disease; Astrocytes; Attenuated; Back; Basal metabolic rate; Blood Vessels; Blood flow; Brain; Calcium; Calcium Signaling; Caliber; Cells; Chronic; Consumption; Coupled; Coupling; Data; Docking; Dominant-Negative Mutation; Dynamin; Functional Magnetic Resonance Imaging; GLAST Protein; Glucose; Glutamate Transporter; Glutamates; Goals; Human; Image; Impairment; Intervention; Ischemia; Kinetics; Learning; Measures; Mediating; Memory; Middle Cerebral Artery Occlusion; Mitochondria; Monitor; Motor; Nervous system structure; Neuraxis; Neurodegenerative Disorders; Neurologic; Neurons; Neurotransmitters; Oxygen; Pathology; Pharmacology; Positioning Attribute; Positron-Emission Tomography; Process; Proteins; Publications; Publishing; Sensory; Signal Pathway; Signal Transduction; Somatosensory Cortex; Stimulus; Stroke; Synapses; Testing; Time; Tissues; Trauma; Variant; Vasodilation; arteriole; base; deprivation; extracellular; genetic approach; genetic manipulation; in vivo; inhibitor/antagonist; nervous system disorder; neurovascular; neurovascular coupling; novel; operation; post stroke; presynaptic neurons; prevent; relating to nervous system; response; sensory cortex; trafficking; transmission process; two photon microscopy; two-photon; vasoconstriction

PROJECT SUMMARY/ABSTRACT    Glutamate  is  the  predominant  excitatory  neurotransmitter  in  the  mammalian  central  nervous  system  and  mediates  diverse  functions  including  sensory  and  motor  processing,  as  well  as  learning  and  memory.    The  energetic demand of this excitatory activity is met by a localized increase in blood flow.  Although this increase  in blood flow is important to support the energy demands of neural tissue and represents the basis of the signal  monitored with functional magnetic resonance imaging (fMRI), the mechanism(s) that underlie this effect remain  unresolved.    Unlike  other  classical  neurotransmitters,  that  are  directly  recycled  into  the  presynaptic  nerve  terminal,  most  glutamate  is  cleared  into  astrocytes.    This  clearance  is  mediated  by  two  Na+-­dependent  transporters,  called  GLT-­1  and  GLAST  (or  EAAT2  and  EAAT1,  respectively).    These  transporters  are  almost  exclusively expressed by astrocytes and enriched on fine astrocyte processes near synapses and on astrocyte  endfeet.    We  have  recently  shown  that  glutamate  transporters,  Na+/Ca2+  exchangers,  and  mitochondria  are  functionally  coupled  to  one  another  in  astrocyte  processes.      We  provide  a  strong  scientific  premise  for  the  hypothesis that increases in blood flow upon neuronal activation are due to glutamate transport into astrocytes.   In studies proposed in Specific Aim 1, we will use 2-­photon imaging combined with pharmacologic and genetic  manipulations  to  test  the  hypothesis  that  glutamate  transport  and  Na+/Ca2+  exchange  increase  calcium  in  astrocyte  endfeet  and  that  this  increase  in  calcium  is  necessary  for  stimulus-­evoked  increases  in  arteriole  diameter in vivo.   Normally, excitatory activity causes an increase in blood flow, but under some circumstances,  the response becomes inverted.   In Specific Aim 2, we will test the hypothesis that preventing mitochondria from  docking in astrocyte processes/endfeet results in exaggerated stimulus-­evoked calcium signaling in endfeet and  inversion of the neurovascular response.  After a stroke, decreases in blood flow extend beyond the occluded  vessel.   In  Specific  Aim  3,  we  will  test  the  hypothesis  that  focal  ischemia  results  in a  loss of  mitochondria  from  astrocyte  processes,  exaggerated  stimulus-­evoked  calcium  signaling  in  endfeet,  and  inversion  of  the  neurovascular  response  in  the  penumbra      These  studies  will  define  a  novel  mechanism  by  which  neuronal  activity causes an increase in neuronal blood flow, will define a novel mechanism by which this response inverts,  and a determine how these phenomena contribute to dysregulated blood flow observed after stroke.

项目总结/摘要   谷氨酸是哺乳动物中枢神经系统中主要的兴奋性神经递质， 介导多种功能，包括感觉和运动处理，以及学习和记忆。 的 这种兴奋性活动的能量需求通过局部血流量的增加来满足。 在血流中的能量对于支持神经组织的能量需求是重要的，并且代表信号的基础 通过功能性磁共振成像（fMRI）监测，这种效应的机制仍然存在 未解决的。 不像其他经典的神经递质，直接循环到突触前神经 在末端，大多数谷氨酸被清除到星形胶质细胞中。 这种清除是由两个Na+-β依赖性介导的。 转运蛋白，称为GLT-1和GLAST（或EAAT 2和EAAT 1，分别）。 这些运输机几乎 仅由星形胶质细胞表达，并在突触附近的精细星形胶质细胞过程和星形胶质细胞上富集 endfeet. 我们最近发现谷氨酸转运体、Na+/Ca 2+交换体和线粒体在细胞内表达， 在星形胶质细胞的过程中功能性地相互连接。 我们提供了强有力的科学前提， 这一假说认为，神经元激活后血流量增加是由于谷氨酸转运到星形胶质细胞。 在具体目标1中提出的研究中，我们将使用2-光子成像结合药理学和遗传学， 操作，以测试谷氨酸转运和Na+/Ca 2+交换增加钙的假设， 星形胶质细胞终足，这种钙的增加是必要的刺激引起的增加，在小动脉 直径在体内。 正常情况下，兴奋性活动会导致血流量增加，但在某些情况下， 则响应变为反转。 在具体目标2中，我们将检验防止线粒体 星形胶质细胞过程/终足中的对接导致终足中过度的刺激-突触诱发的钙信号传导， 中风后，血流的减少超出了闭塞的血管， 容器。 在具体目标3中，我们将检验局灶性缺血导致线粒体损失的假设， 星形胶质细胞过程，夸张的刺激-诱发终足钙信号传导，和逆转的 半影区神经血管反应 这些研究将确定一种新的机制， 活动导致神经元血流量增加，将定义一种新的机制，通过这种机制，这种反应被逆转， 并确定这些现象如何导致中风后观察到的血流失调。