The dynamics of astroglial cytoskeleton and effects of gonadal steroids

Abstract

The cellular units of the central nervous system are the nerve cells (neurons) and the glia cells (neuroglia) – called summarizingly neural cells. Unlike nerve cells, glia undergo shape alterations, regression or hypertrophy, migration, etc. also in the mature central nervous system. Therefore, it is conceivable that glial cytoskeleton has to adapt rapidly to structural changes of the cell. In the present work we concentrated on changes in the cytoskeleton of astrocytes. In contrast to oligodendrocytes, astrocytes contain a characteristic system of intermediate filaments in both the perinuclear cytoplasm and processes. A major structural protein synthesized by astrocytes is the glial fibrillary acidic protein (GFAP). It has been observed that astrocytes react to brain injuries with hypertrophy in the surrounding of the lesion and with the accumulation of cytoplasmic fibrillary material in order to fill the space of the tissue discontinuity or replace spatially the lost neurons. Thus, an increase in GFAP-immunoreactivity might be indicative for “reactive gliosis”. Beside the local reaction to a neural damage, a hypothesis was advanced concerning the effects of astroglial reaction also in the projection areas of the injured neurons. These areas might be at considerable distance from the site of the lesion therefore, we introduced the term “remote astroglial response (RAR)”. In a group of experiments we addressed the question • whether proliferation or hypertrophy of the cell is the leading feature of the astrocyte reaction, • whether or not RAR is coupled to synaptic degeneration, • whether changes in the GFAP-IR reflect changes in the synthesis of the protein or indicate conformational changes of the molecule that alter immunoreactivity, and • whether steroids can alter glial reaction. As revealed in the geniculo-cortical system used as a model, * remote astroglial response was triggered by synaptic degeneration. The astrocyte cell bodies and large processes hypertrophized and moved slightly closer to the site of synaptic degeneration. Parallel biochemical studies suggested that the increase in GFAP-IR during RAR was due to a net increase in the amount of this protein in the affected astrocytes. This phenomenon was a consequence of an enhanced GFAP synthesis. To study the effect of gonadal steroids on astroglial cytoskeleton we were interested to find out if there is a region outside the “endocrine brain” where astroglial cytoskeleton shows a sexual dimorphism and if different hormonal states can alter astroglial cytoskeleton and its reaction as revealed by GFAP-immunoreactivity (-IR). For this set of experiments the interpeduncular nucleus (IPN) was chosen displaying a high GFAP-IR but not been described having steroid receptors. Comparing male and female rat brains, a sexual dimorphism for GFAP could be pointed out in the interpeduncular nucleus – a brain region that is not involved in hormonal regulatory mechanisms. * In males, the deprivation of testicular sex-steroid hormones caused a drastic fall in GFAP-immunoreactivity, while hormone substitution diminished the decrease. In females, the intensity of GFAP-immunostaining was sexual cycle-dependent with the lowest intensity reaction during estrus. This suggests that gonadal sexual hormones are essential in maintaining a high GFAP-IR, thus they can be regarded as astrocyte cytoskeleton-activating factors. Deprivation of gonadal steroids suppressed the remote astroglial response. The suppressive effect was more pronounced in females than in males. Immunoreactivity of MAP2, tau-protein and dystrophin didn’t alter in our experiments. The fact that the cytoskeleton of astrocytes in areas lacking steroid hormone receptors responded to alterations in the hormonal state of the animal, argues for a more widespread effect of gonadal steroids in the brain than earlier believed. Finally, the phenomenon of RAR highlights the involvement of the projection area of lesioned neurons in the impairment caused to the brain by a focal lesion, thus it should be regarded as a holistic phenomenon. Accordingly, where secondary synaptic degeneration occurs, astrocytes react with a cytoskeletal hypertrophy. This hypertrophy could be influenced by gonadal hormones. The main perspective of the present findings is the possible manipulation of gonadal steroid levels to reduce the detrimental effects of the astrocyte reaction, primarily in cerebral edema, focal epilepsy and neurodegenerative disorders.

A központi idegrendszer sejtes elemeit két csoportra oszthatjuk: az idegsejtekre, vagy neuronokra és a gliasejtekre, vagy neurogliára. Az idegsejtektől eltérően a glia az érett, kifejlett idegrendszerben is képes alak- és helyzetváltoztatásokra, zsugorodásra ill. megnagyobbodásra stb. Nyilvánvaló, hogy a sejt strukturális változásainak követéséhez a gliális sejtváz (cytoskeleton) gyors adaptációs készsége szükséges. Jelen munkánkban az asztrociták sejtvázának változásaira összpontosítottunk. Az oligodendrocitákkal ellentétben az asztrociták jellegzetes, intermedier filamentumokból álló vázrendszere nemcsak a sejtmagot övező citoplazmában, hanem a nyúlványokban is megfigyelhető. Az asztrociták által szintetizált legfőbb struktúrfehérje az un. savanyú gliális rostos fehérje (GFAP – glial fibrillary acidic protein). Megfigyelték, hogy agyi sérülésekre a lézió körüli asztrociták megnagyobbodással reagálnak és a citoplazmában felhalmozzák a fibrilláris fehérjét. Ezzel a szöveti hézagot töltik ki, ill. az elpusztult neuronok helyét foglalják el. Ílymódon a megnövekedett GFAP-immunreaktivitás a “reaktív gliózis” kórjelzésére használható. Az agyi sérülésre adott helyi, lokális glia-válaszon túlmenően megfogalmazódott a hipotézis, amely szerint a sérült agyrégió projekciós területén is várhatóak változások. Ezen jelenség leírására a “távoli asztroglia-válasz” (“RAR – remote astroglial response”) fogalmát vezették be. Kísérleteinkkel a következőkre kerestünk választ: • Az asztrociták reakciójakor a proliferatio, vagy a sejtek és rostok megnagyobbodása következtében fellépő hipertrófia bír-e elsődleges jelentőséggel? • A távoli asztroglia-választ (RAR-t) szinapszisok pusztulása váltja-e ki? • A GFAP-immunreaktivitásban észlelt módosulások a fehérjeszintézis változását jelzik-e, vagy az immunreaktivitás a fehérjemolekula módosulását, konformációs változását jelzi? • A gonadális szteroidok befolyásolják-e a glia-reakció mértékét?

Amint az a modellként alkalmazott genikulo-kortikális rendszerben megfigyelhető, * a távoli asztroglia-válasz (RAR) kiváltásában a szinapszisok pusztulása volt a meghatározó. Az asztrociták sejtteste és nyúlványaik megnagyobbodtak és a szinaptikus degeneráció irányába mozdultak el. Párhuzamos biokémiai kísérletek tanúsága szerint a RAR által érintett asztrocitákban az össz-GFAP mennyiségi növekedése volt megfigyelhető, ami fokozott fehérje-szintézist bizonyít. Gonadális hormonok asztrociták sejtvázára gyakorolt hatásának vizsgálatakor megfogalmazódott a kérdés, hogy vajon létezik-e olyan agyrégió az “endokrin agyterületeken” kívül, ahol nemi dimorfizmus fedezhető fel. Befolyásolja-e az asztrociták sejtvázát ill. a GFAP-immunreakcióval nyomonkövethető asztroglia-választ a hormonális állapotok különbözősége? Ezen kísérleti sorozathoz az interpeduncularis nucleust (IPN) választottuk, mint egy magas GFAP-immunpozitivitással bíró, de szteroid-receptorokat nem tartalmazó agyterületet. Hím és nőstény patkányok agyát összehasonlítva jelentős GFAP-beli különbség észlelhető az interpeduncularis nucleusban – tehát egy olyan magban, amelyik nem vesz részt hormonális folyamatok szabályozásában. * Hímekben a gonadális szteroidok megvonása jelentősen csökkentette a GFAP-immunreaktivitást, míg helyettesítő hormonkezelés enyhítette a csökkenés mértékét. Nőstények esetében a GFAP-immunreaktivitás a nemi ciklussal összefüggő változásokat mutat: a legalacsonyabb szint ösztruszban tapasztalható. Adataink arra utalnak, hogy gonadális szteroidok elengedhetetlenül szükségesek a normál GFAP-immunreaktivitás fenntartásához, és ilyen minőségükben az asztrociták sejtvázának aktiválóiként szerepelnek. Ezen szteroidok megvonása csökkentette a távoli asztroglia-válasz intenzitását, a csökkenés jelentősebb mértékű volt nőstényekben, mint hímekben. MAP2, Tau és dystrophin immunreaktivitásában vizsgálataink nem mutattak nemi eltérést. A szexuális szteroidok korábban feltételezettnél nagyobb területen kifejtett hatásáról tanúskodik az a tény, hogy az állat hormonszintje befolyásolja az asztrociták sejtvázát olyan agyrégióban is, ahol nem bizonyítottak ezen hormonok számára receptorokat. Végezetül, a távoli asztroglia-válasz fellépése rámutat arra a tényre, hogy egy lokális agyi lézióban, a sérült idegsejteken kívül ezek projektios területei is érintettek, tehát holisztikus jelenségről van szó. Ennek értelmében a másodlagosan megjelenő szinaptikus degenerációt az asztrociták sejtvázának hipertrofiája követi. Ezen sejtmegnagyobbodás mértéke nemi hormonokkal befolyásolható. Mindezek tükrében elképzelhető, hogy jelen eredményekből kiindulva az asztrociták reakciójának káros hatásai csökkenthetőek a nemi szteroidok szintjének változtatásával pl. agyi ödéma, fokális epilepszia és neurodegeneratív megbetegedések esetében.