Mechanism for Coupling Neuronal Activity to Glucose Utilization
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Mechanism for Coupling Neuronal Activity to Glucose Utilization Glutamatergic synapse Astrocyte Capillary LACTATE GLUTAMINE Synaptic vesicles ADP ATP GLUCOSE GLUTAMATE EAAT G H+ K+ Na+ Neuronal glutamate receptors Glycolysis K+ Na/K APTase ATP ADP GLUCOSE Transporteurs au GABA Haute affinité, dépendants du Na+,ClGAT1, GAT2, GAT-3, BGT-1 Exprimés à travers le SNC Sur astrocytes et neurones Les transporteurs astrocytaires sont responsables de ~20% du recaptage de GABA GABA 2 Na+ ClEXTRACELLULAIRE GAT INTRACELLULAIRE Sodium intracellulaire : réponse au GABA 380nm B 25 (mM) CTRL + 20 Intracellular Na 1mM 15 10 4 min 5 0.5 GABA (mM) C 1 5 10 i (% Response 500µM GABA) 350 + 500µM [Na ] Amplitude A 300 250 200 150 100 50 0 0.01 0.1 1 10 100 1000 GABA (µM) 10 4 10 5 Sodium intracellulaire : réponse au GABA et glutamate Intracellular Na+ (mM) 30 25 20 15 10 5 0 GABA 500 µM Glutamate 200 µM 2 min 50 50 40 40 30 20 2 min [Na+i] (mM) [Na+i] (mM) Degré d’ activation de la Na/K ATPase par le GABA et le glutamate 30 10 10 0 0 GABA 500 µM Ouabain GABA 5 mM Ouabain 4.0 [Na+i] (mM) 50 40 20 2 min [Na+i] Slope ratio 60 30 3.5 (32,4) 3.0 2.5 2.0 ns 1.5 1.0 10 0.5 0 0.0 Glutamate Ouabain 2 min 20 (48,7) (46,6) GABA 500 µM GABA 5 mM Glutamate 200 µM Relations concentration - response de l’ inhibition par la ouabaine de la capture de 86Rb dans les astrocytes en présence ou en absence de glutamate Activité NaK-ATPase (% Basal) Ouabaine (M) Marquage par double immunofluorescence de la sous-unité ⟨2 de la Na+/K+-ATPase (A et D), avec GLAST (C) ou GLT-1 (F) . (B GLAST, E GLT 1) Cholet et al, 2002 Immunocytochimie par microscopie électronique des 2 sous-unités de la Na+/K+-ATPase dans le cortex frontoparietal de rat (couches III à V) Histogramme de la distribution des éléments cellulaires engainés par les lamelles astrocytaires marquées immunohistochimiquement par λα σουσ−υνιτ⎡ α2, GLAST or GLT-1 dans le cortex frontoparietal de rat Détermination indirecte des niveaux d’ ATP par imagerie au free Mg2+: comparaison entre GABA et glutamate Mag-Green fluorescence (a.u.) 120 115 110 105 5 min 100 95 Glutamate 200µM GABA 500 µM GABA 5 mM FCCP 2µM 1000 800 600 400 200 0 1600 1400 GABA 5mM ns 500µ µM GABA 500 1400 200µ µM Glutamate 200 1600 Lactate release (nmol/mg prot) 1800 CTRL ns GABA 5mM 1200 500µ µM GABA 500 Glutamate 200 200µ µM CTRL 2-DG uptake (fmol/mg prot) Réponses métaboliques au GABA et au glutamate 2000 1800 ns ns 1200 1000 800 600 400 200 0 L’unité neuroénergétique Neurone Astrocyte ATP EAAT ATP Glucose Capillaire K+ EAAT Na+, K+-ATPase Na+ L’unité neuroénergétique Neurone Astrocyte ATP EAAT ATP Glucose Capillaire K+ EAAT Na+, K+-ATPase Na+ Cultures primaires d’astrocytes préparées à partir de souris KO GLAST VoutsinosVoutsinos-Porche et al 2003 Visualiation par by Autoradiographie au Deoxyglucose de l’Activité la voie Vibrisses-Barils (Whisker-to-Barrel) Knott et al., Neuron 34:265-273, 2002 Réduction de la réponse métabolique suite à une stimulation des vibrisses chez les souris GLAST KO VoutsinosVoutsinos-Porche et al 2003 P10 GLAST +/+ P10 GLAST -/650 20 700 20 nCi/g C 250 20 250 20 D D Control - no stim Control - C2 stim GLAST Antisense Reduces Whisker-Stimulated Glucose Utilization in the Rat Somatosensory Cortex Utilisation de Glucose Cytochrome Oxidase Control -C2 stim Control -No stim C2 130 115 75 Groupe I 50 40 Random -C2 stim CSF - C2 stim Antisense -C2 stim CSF - C2 stim 20 15 10 Groupe II Groupe III µmol/100g/min Barrel recording 30 25 PSTH 20 15 10 5 0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 1 0 Field potential -1 -2 0 0.05 0.10 0.15 Recording site 0.20 0.25 0.30 seconds Astrocyte Synapse glutamatergique Capillaire Glucose Vm Pyr LACTATE Lac GLUTAMINE ADP Glutamate B ATP Gln GLUCOSE GLUTAMATE A K+ H+ glycolysis G Metabotropic Na+ Na+ C a2+ Ionotropic Glutamate receptor G ATP N a + /K+ A T P a se PGK ADP K+ GLUCOSE Le glutamate stimule la glycolyse aérobie dans les astrocytes 1000 800 EC50 = 80 µM 600 400 200 0 -6 -5 -4 -3 Log [Glutamate] M Production de lactate Increase over basal lactate release (nmol/mg prot/30 min) Increase over basal [3H]-2DG uptake (fmol/mg prot/20 min) Utilisation de glucose 500 400 EC50 = 78µM 300 200 100 0 -6 -5 -4 -3 Log [Glutamate] M Métabolisme du lactate Hexokinase Glucose Glycogen Phosphorylase Glycogen Glucose 6-P PFK Glycogen Synthase Fructose 1, 6- bisP 2 ATP in NAD+ H+ LDH 5 Pyruvate Acetyl-CoA 36 ATP out TCA cycle Lactate LDH 1 NADH, H+ H+ MCT 1 MCT 2 Transporteurs aux monocarboxylates MCT1-9 ont été identifiés par homologie de séquence Specifiques pour le L-lactate, le pyruvate et les corps cétoniques Co-transport avec H+ Km : 0.1-1 mM Km MCT1 > MCT2 Out In N-terminus C-terminus Juel & Halestrap, J Physiol 517:633-642 (1999) Ne ur on es Expression de MCT1 et MCT2 mRNAs dans des cultures primaires de neurones et astrocytes corticaux 3.6 kb es t cy o tr s A MCT1 9.5 kb 6.7 kb MCT2 2.7 kb Actin Colocalisation de MCT1 et S100Β dans le cerveau de souris MCT1 MCT1 & S100 ® S100 ® 20 µm Colocalisation de MCT2 et MAP2 dans le cerveau de souris MCT2 MAP2 MCT2 & MAP2 LDH 1 : Neurones anti-LDH1 LDH 5 Astrocytes anti-LDH5 ASTROCYTE-NEURON LACTATE SHUTTLE NAVETTE LACTATE ASTROCYTE - NEURONE Energy GLUCOSE Glycolysis PDH PYRUVATE PYRUVATE LDH 1 LDH 5 LACTATE LACTATE MCT 1&2 GLUCOSE Participation de substrats au métabolisme oxidatif peut être déterminé par RMN 13C Bouzier-Sore et al., JCBFM 23:1298-1306 (2003) Contribution relative du glucose et du lactate au métabolisme oxidatif neuronal [Lactate] (mM) Glucose exogène (⟨1 + ⟨2) Lactate exogène (⟨3) 1.1 53.28% 46.72% 5.5 10.05% 89.95% 11 7.09% 92.91% Concentration de glucose : 5.5 mM Bouzier-Sore et al., JCBFM 23:1298-1306 (2003) Constantes de temps différentes pour l’activité synaptique et la réponse métabolique Rôle de l’espace extracellulaire comme tampon spatial et temporel Astrocyte Synapse glutamatergique Capillaire Glucose Vm Pyr LACTATE Lac GLUTAMINE ADP Glutamate B ATP Gln GLUCOSE GLUTAMATE A K+ H+ glycolysis G Metabotropic Na+ Na+ C a2+ Ionotropic Glutamate receptor G ATP N a + /K+ A T P a se PGK ADP K+ GLUCOSE Christian Giaume Mechanism for Coupling Neuronal Activity to Glucose Utilization Synapse Glutamatergique G Réseau astrocytaire Capillaire Vagues intercellulaires calciques, sodiques et métaboliques Vague sodique Glucose Glucose Glucose Glucose Glutamate Na+ Na+ Ca2+ Na+ Vague métabolique Ca2+ ATP Na+ Na+ Ca2+ ATP Ca2+ Ca2+ ATP Vague calcique ATP Mécanisme d’amplification du couplage neurométabolique Synapse Capillaire G Synapse G Réseau astrocytaire Constantes de temps différentes pour l’activité synaptique et la réponse métabolique Rôle de l’espace extracellulaire comme tampon spatial et temporel
