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Kiavasch Mohammad Nejad Farid

• Astrozyten sind außerordentlich vielseitige Zellen, die im Gefüge des zentralen Nervensystems wichtige Rollen in der synaptischen Signalübertragung, im Neurotransmitterstoffwechsel sowie unter anderem in der Regulation der Energiesubstrataufnahme und der lokalen Durchblutung spielen. Die genannten Prozesse weisen eine ausgeprägte Abhängigkeit von lokal verfügbaren Energieäquivalenten auf. Astrozyten können als Reaktion auf verstärkte, umliegende synaptische Aktivität nicht nur anaerobe Stoffwechselwege wie z.B. Glykolyse hochregulieren, sondern weisen auch eine enorme oxidative Verstoffwechselungskapazität auf. Die Mechanismen zur Regulation des oxidativen Stoffwechsels sind z.B. in Hepatozyten oder Muskelzellen genauer beschrieben, wie vieles andere jedoch in Glia untererforscht. Einer der Signalwege zur Aktivierung des obligat aeroben Citratzyklus über das Schlüsselenzym Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDC) führt in Hepatozyten über die Proteinkinase Cδ (PKCδ). Diese bewerkstelligt die Aktivierung der PDC über eine Dephosphorylierung der Pyruvatdehydrogenase (PDH) durch die PDH-Phosphatase 1 (PDP1). Die selbst in peripheren Astrozytenforsätzen zahlreich vorhandenen Mitochondrien sind bislang in ihrer Funktion und Regulation nur unzureichend untersucht worden. Daher stellte sich die Frage, ob ein solcher PKCδ-vermittelter Signalweg auch in Astrozyten (über die Aktivierung der PDH) zur Aktivierung des mitochondrialen Stoffwechsels führen könnte, insbesondere um auf einen höheren Energiebedarf reagieren zu können. Nach zahlreichen Versuchen zum Nachweis des Vorliegens der beteiligten Enzyme in der postulierten Signalkaskade wurden primäre Astrozyten mit Glutamat stimuliert, wodurch eine erhöhte synaptische Aktivität in unmittelbarer Umgebung simuliert wurde. Mithilfe von anti-PKCδ-, anti-PDC- und phosphospezifischen anti-phospho-PDC-Antikörpern sowie der Nutzung Objekt-orientierter Bildverarbeitungsmethoden konnte eine Glutamat-induzierte, mitochondriale Translokation der PKCδ mit nachfolgender Dephosphorylierung des PDC (und damit dessen Aktivierung) gezeigt werden. Beide Prozesse, PKCδ-Translokation und PDH-Dephosphorylierung, werden durch den metabotropen Glutamatrezeptor 5 (mGluR5) vermittelt, wie sich durch dessen pharmakologische Inhibition zeigen lässt. Die mitochondriale Translokation der PKCδ und ihre Kinaseaktivität tragen dabei maßgeblich zur Aktivierung des PDC bei, sodass durch das Einwirken von Glutamat eine lokale Modulation des glialen oxidativen Stoffwechsels und der damit verbundenen Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) ermöglicht wird. Da Astrozyten (v.a. mit ihren feinen peripheren Fortsätzen) besonders in der Nähe von Synapsen für die Funktionalität von Neuronen essentielle, ATP-verbrauchende Prozesse wie z.B. Glutamattransport aufrechterhalten müssen, ist eine solche Regulation durch Glutamat selbst als Indikator vermehrter synaptischer Aktivität naheliegend. Dabei scheint Glutamat in dualer Funktion sowohl signalgebend die Aktivität des Citratzyklus zu beeinflussen als auch nach Aufnahme in die Zelle selbst als Substrat zum anaplerotischen Einschleusen in den Citratzyklus zur Verfügung zu stehen. Mithilfe von luminometrischen ATP-Assays sowie mGluR- und isoformspezifischen PKC-Inhibitoren konnte gezeigt werden, dass einem durch Glutamat verursachten Abfall der intrazellulären ATP-Spiegel (aufgrund der damit einhergehenden Mehrbelastung der Zelle für Transportprozesse und z.B. Ionenhomöostase) durch die mGluR5/PKCδ-vermittelte Aktivierung der PDH entgegengewirkt werden könnte. In Zusammenschau könnte der mGluR5/PKCδ/PDH-vermittelte Signalweg gewissermaßen eine Bereitschaft bieten, um für gliale Stoffwechselprozesse die Deckung des Energiebedarfs in Astrozytenfortsätzen bei Aktivität angrenzender Synapsen (im Rahmen des Modells der dreiteiligen Synapse) zu ermöglichen. Eine mögliche pathophysiologische Rolle dieses Mechanismus bei zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen (bei denen häufig ein gestörter Energiestoffwechsel und/oder gliale Dysfunktion vermutet wird) müsste in weiterführenden Studien untersucht werden.
• As part of the tripartite synapse, astrocytes play important roles in synaptic signaling, neurotransmitter synthesis and recycling; they are also involved in control of nutrient uptake and local blood flow. Many of these processes depend strongly on local energy utilization. In response to increased neuronal activity and energy demands astrocytes not only upregulate anaerobic glycolysis – they also possess significant capacity for oxidative mitochondrial metabolism. While mechanisms underlying the regulation of mitochondrial metabolism as well as their role in organismic physiology have been characterized in e.g. hepatocytes and muscle fibres, the role of glial oxidative metabolism and its regulation are less well understood. A known signaling pathway in hepatocytes is the regulation of the mitochondrial key enzyme pyruvate dehydrogenase complex (PDC) by protein kinase Cδ (PKCδ). PKCδ is known to activate PDC via pyruvate dehydrogenase phosphatase 1 (PDP1) and therefore upregulate the rate of the TCA cycle by boosting its substrate influx. To investigate a possible influence of synaptic activity on glial mitochondrial activity, primary astrocytes were stimulated with glutamate. Using fluorescent immunocytochemistry with anti-PKCδ, anti-PDC and anti-phospho-PDC antibodies and object oriented image analysis, glutamate-induced mitochondrial translocation of PKCδ and subsequent dephosphorylation of PDC could be demonstrated, indicating its activation. The metabotropic glutamate receptor 5 (mGluR5) is identified as the key receptor inducing mitochondrial PKCδ translocation, applying glutamate and/or mGluR ligands. Thus, the glutamate-induced translocation of PKCδ seems to mediate activation of PDC, which would allow local modulation of glial mitochondrial activity and production of adenosine triphosphate (ATP), by glutamate. Astrocytes, especially when in proximity of synaptic activity must maintain ATP-consuming processes such as fast glutamate uptake and recycling. It therefore can be postulated that glutamate serves both, as a metabolite for the TCA cycle and a signaling molecule to enhance TCA activity and concomitantly overall mitochondrial oxidative activity. Using luminometric ATP assay and subtype-specific inhibitors of PKC and mGluR5, it is demonstrated that the enormous initial drop in intracellular ATP following glutamate application could be counteracted by the described mGluR5/PKCδ-dependent mitochondrial activation. The postulated mechanism of mGluR5/PKCδ-induced activation of mitochondrial metabolism is therefore thought to be necessary for energy homeostasis in glial cells and could be of pathophysiologic significance in several neurodegenerative diseases with known impaired energy metabolism and glial dysfunction.