Влияние реактивной глии Бергмана на кратковременную синаптическую пластичность в моделях мозжечковой нейродегенерации, вызванной хронической активацией ChR2 и экспрессией мутантного атаксина-1

Аnton N. Shuvaev1, Оlga S. Belozor2, Oleg I. Mozjei3, Daria A. Yakovleva4, Аndrey N. Shuvaev4, Marina V. Smolnikova5, Еlena A. Pozhilenkova2, S. . Каsparov6, Vladimir V. Salmin2, Аlla B. Salmina2
1ФГБОУ ВО «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого», Красноярск; ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», Красноярск, Россия; 2ФГБОУ ВО «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого», Красноярск, Россия; 3ФГАОУ ВО «Балтийский федеральный университет», Калининград, Россия; 4ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», Красноярск, Россия; 5ФГБОУ ВО «Красноярский государственный медицинский университет имени профессора В.Ф. Войно-Ясенецкого», Красноярск; «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук», Красноярск, Россия; 6Университет Бристоля, Бристоль, Великобритания

Аннотация


Введение. Нарушение синаптической пластичности происходит на ранних стадиях нейродегенеративного процесса и потенциально обратимо. Исследование механизмов, ассоциированных с синаптической пластичностью при нейродегенеративных состояниях мозжечка, открывает возможности для исследования потенциальных терапевтических средств.

Цель работы — исследование влияния астроцитарного звена на парное облегчение (PPF) в синапсах коры мозжечка мышей с помощью комплекса методов иммуногистохимического, оптогенетического и электрофизиологического анализа.

Материалы и методы. Опыты проведены на 12-недельных мышах линии CD1. Модель астроглиоза мозжечка мыши создавали с помощью хронической активации светочувствительных каналов ChR2 в глии Бергмана и после экспрессии в ней мутантного атаксина-1. Для моделирования астроцит-опосредованной нейродегенерации мозжечка мышам интракортикально вводили векторные конструкции AVV GFAP-ChR2-mKate с последующей хронической 4-дневной фотостимуляцией in vivo и LVV GFAP-ATXN1[Q85]-Flag без фотостимуляции. Мышам контрольных групп вводили физиологический раствор или LVV GFAP-ATXN1[Q2]-Flag. Динамику PPF-возбуждающих постсинаптических токов клеток Пуркинье регистрировали с помощью метода локальной фиксации потенциала. Экспрессию anti-GFAP, mKate и anti-Ataxin1 в коре мозжечка изучали методом иммуногистохимии.

Результаты. Для реактивной глии коры мозжечка после хронической фотостимуляции характерно повышение иммунореактивности анти-GFAP и изменение морфологии в виде извитости их отростков. У таких животных в синапсах клеток Пуркинье с параллельными волокнами коэффициент PPF был значительно увеличен из-за нарушения обратного захвата глутамата и перераздражения пресинапса этим нейромедиатором. Однако фотоактивация реактивной глии Бергмана приводила к резкому замедлению глутамат-глутаминового цикла и истощению пула глутамата на пресинапсе с последующим постепенным уменьшением коэффициента PPF. Подобные патологические механизмы найдены в нейродегенеративной модели с селективным поражением глии Бергмана мутантным атаксином-1.

Заключение. Астроциты оказывают влияние на кратковременную синаптическую пластичность, такую как PPF. При астроглиозе мозжечка нарушение PPF носит многоуровневый характер: изначально высокий уровень PPF значительно уменьшается после активации глии Бергмана, что связано с нарушением обратного захвата глутамата реактивной глией.

Для цитирования: Шуваев А.Н., Белозор О.С., Можей O.И., Яковлева Д.A., Шуваев А.Н., Смольникова М.В., Пожиленкова Е.A., Каспаров С., Салмин В.В., Салмина А.Б. Влияние реактивной глии Бергмана на кратковременную синаптическую пластичность в моделях мозжечковой нейродегенерации, вызванной хронической активацией ChR2 и экспрессией мутантного атаксина-1. Анналы клинической и экспериментальной неврологии. 2021; 15(1): 51–58. https://doi.org/10.25692/ACEN.2021.1.6


Ключевые слова

кратковременная синаптическая пластичность; PPF; астроглиоз; спиноцеребеллярная атаксия 1-го типа; обратный захват глутамата

Полный текст:

PDF

Литература

Goodlett C.R., Mittleman G. The Cerebellum. In: Conn P.M. (ed.). Conn's Translational Neuroscience. London, 2016: 191–212. DOI: 10.1016/C2014-0-02630-5.

Tyrrell T., Willshaw D. Cerebellar cortex: its simulation and the relevance of Marr's theory. Philos Trans R Socb Lond B Biol Sci. 1992; 336(1277): 239–257. DOI: 10.1098/rstb.1992.0059. PMID: 1353267.

Hughes J.R. Post-tetanic рotentiation. Physiol Rev. 1958; 38(1): 91–113. DOI: 10.1152/physrev.1958.38.1.91. PMID 13505117.

Regehr W.G. Short-term presynaptic plasticity. Cold Spring Harb Perspect Biol. 2012; 4(7): a005702. DOI: 10.1101/cshperspect.a005702. PMID: 22751149.

Díaz-Rojas F., Sakaba T., Kawaguchi S.Y. Ca2+ current facilitation determines short-term facilitation at inhibitory synapses between cerebellar Purkinje cells. J Physiol. 2015; 593(22): 4889–4904. DOI: 10.1113/JP270704. PMID: 26337248.

Zucker R.S., Regehr W.G. Short-term synaptic plasticity. Annu Rev Physiol. 2002; 64: 355–405. DOI: 10.1146/annurev.physiol.64.092501.114547. PMID 11826273.

Tani H., Dulla C.G., Farzampour Z. et al. A local glutamate-glutamine cycle sustains synaptic excitatory transmitter release. Neuron. 2014; 81(4): 888–900. DOI: 10.1016/j.neuron.2013.12.026. PMID: 24559677.

Lee A., Anderson A.R., Beasley S.J. et al. A new splice variant of the glutamate-aspartate transporter: cloning and immunolocalization of GLAST1c in rat, pig and human brains. J Chem Neuroanat. 2012; 43(1): 52–63. DOI: 10.1016/j.jchemneu.2011.10.005. PMID: 22026960.

Valtcheva S., Venance L. Control of long-term plasticity by glutamate transporters. Front Synaptic Neurosci. 2019; 11: 10. DOI: 10.3389/fnsyn.2019.00010. PMID: 31024287.

Belozor O.S., Yakovleva D.A., Potapenko I.V. et al. Extracellular S100β disrupts Bergman glia morphology and synaptic transmission in cerebellar Purkinje cells. Brain Sci. 2019; 9(4): pii: E80. DOI: 10.3390/brainsci9040080. PMID: 31013844.

Klement I.A., Skinner P.J., Kaytor M.D. et al. Ataxin-1 nuclear localization and aggregation: role in polyglutamine-induced disease in SCA1 transgenic mice. Cell. 1998; 95(1): 41–53. DOI: 10.1016/s0092-8674(00)81781-x. PMID: 9778246.

Zinebi F., Russell R.T., McKernan M., Shinnick-Gallagher P. Comparison of paired-pulse facilitation of AMPA and NMDA synaptic currents in the lateral amygdala. Synapse. 2001; 42(2): 115–127. DOI: 10.1002/syn.1107. PMID: 11574948.

Shuvaev A.N., Hosoi N., Sato Y. et al. Progressive impairment of cerebellar mGluR signalling and its therapeutic potential for cerebellar ataxia in spinocerebellar ataxia type 1 model mice. J Physiol. 2017; 595(1): 141–164. DOI: 10.1113/JP272950. PMID: 27440721.

Liu B., Paton J.F., Kasparov S. Viral vectors based on bidirectional cell-specific mammalian promoters and transcriptional amplification strategy for use in vitro and in vivo. BMC Biotechnol. 2008; 8: 49. DOI: 10.1186/1472-6750-8-49. PMID: 18485188.

Gourine A.V., Kasymov V., Marina N. et al. Astrocytes сontrol breathing through pH-dependent release of ATP. Science. 2010; 329(5991): 571–575. DOI: 10.1126/science.1190721. PMID: 20647426.

Figueiredo M., Lane S., Stout R.F. Jr. et al. Comparative analysis of optogenetic actuators in cultured astrocytes. Cell Calcium. 2014; 56(3): 208–214. DOI: 10.1016/j.ceca.2014.07.007. PMID: 25109549.

Hewinson J., Paton J.F., Kasparov S. Viral gene delivery: optimized protocol for production of high titer lentiviral vectors. Methods Mol Biol. 2013; 998: 65–75. DOI: 10.1007/978-1-62703-351-0_5. PMID: 23529421.

Han C.L., Zhao X.M., Liu Y.P. et al. Gene expression profiling of two epilepsy models reveals the ECM/Integrin signaling pathway is involved in epiletogenesis. Neuroscience. 2019; 396: 187–199. DOI: 10.1016/j.neuroscience.2018.10.021. PMID: 30452975.

Satake S., Inoue T., Imoto K. Paired-pulse facilitation of multivesicular release and intersynaptic spillover of glutamate at rat cerebellar granule cell-interneurone synapses. J Physiol. 2012; 590(22): 5653–5675. DOI: 10.1113/jphysiol.2012.234070. PMID: 22930264.

Armbruster M., Hanson E., Dulla C.G. Glutamate clearance is locally modulated by presynaptic neuronal activity in the cerebral cortex. J Neurosci. 2016; 36(40): 10404–10415. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.2066-16.2016. PMID: 27707974.




DOI: http://dx.doi.org/10.25692/ACEN.2021.1.6