Hyperosmolare Sucrose-Lösung induziert ultrastrukturelle Veränderungen in astrozytären Gap Junctions

Abstract

Astrozyten bilden im zentralen Nervensystem ein Stützgewebe, welches Schutz, Nährstoffversorgung sowie Aufrechterhaltung der biochemischen Gleichgewichte gewährleistet. In ihrer Gesamtheit bilden die Astrozyten einen komplexen, interagierenden Zellverband. Um diese herausragende Stellung wahrzunehmen, sind Astrozyten u. a. sowohl untereinander als auch mit anderen Zelltypen über Connexin 43-Gap Junctions verbunden, welche durch äußere Faktoren, wie osmotische Ungleichgewichte, beeinflusst werden können. Gleichzeitig ist bekannt, dass Connexin 43 auch in zahlreichen anderen pathologischen Prozessen, wie beispielsweise die Entstehung von Ödemen nach Schädelhirntraumata oder Schlaganfällen, involviert ist. Ultrastrukturell können Konfiguration und Morphologie der Gap Junctions mit Hilfe der Freeze fracture-immunogold labeling-Technik visualisiert werden, wodurch ihre Connexone elektronenmikroskopisch als Intramembranpartikel sichtbar werden. In dieser Arbeit wurde der Einfluss hyperosmolarer Sucrose-Lösung auf Ultrastruktur und Funktion astrozytärer Connexin 43-Gap Junctions näher beleuchtet. Weiterhin wurden auch mögliche Folgen für die Expression der Proteine Aquaporin 4, saures Glia-Faser Protein und Zona Occludens-Protein-1 erarbeitet. Darüber hinaus wurde überprüft, ob die hyperosmolare Stimulation Veränderungen in der Phosphorylierung von Connexin 43 induziert. Die Ergebnisse dieser Arbeit können wie folgt zusammengefasst werden: Hyperosmolare Sucrose-Lösung führt zu einer Vergrößerung der Gap Junctions und innerhalb dieser zu einer Auflockerung der Partikelstruktur. Während die mRNA-Synthese von Aquaporin 4, saurem Glia-Faser Protein und Connexin 43 weitestgehend unverändert bleibt, konnte herausgearbeitet werden, dass die mRNA-Synthese von Zona Occludens-Protein-1 zunimmt. Gleichzeitig zeigten Immunoblots eine Zunahme der Phosphorylierung von Connexin 43 am Serin-Rest 368. Im Scrape Loading/Dye Transfer Assay führte eine kurzfristige Sucrose-Inkubation zu einer verminderten Farbstoffweitergabe, welche für eine Einschränkung der Gap Junction-Permeabilität und daher für eine Abnahme der Zellkommunikation über Gap Junctions spricht. Connexin 43 scheint folglich bei der Reaktion von Astrozyten auf osmotische Stimuli, wie beispielsweise hyperosmolare Sucrose-Lösung, eine wesentliche Rolle zu spielen. Dabei scheint der Umverteilung der Connexone innerhalb der Gap Junctions eine besondere Rolle in der unmittelbaren Regulation zuzukommen.

Hyperosmolar sucrose solution induces ultrastructural changes of gap junctions in astrocytes In the central nervous system, astrocytes form a specialized supporting tissue, which garantuees protection, nutrition and maintenance of the biochemical balance. Together, astrocytes are seen as a complex, interacting cell structure. In view of this outstanding position, astrocytes are coupled both among themselves and to other cell types by, among others, connexin 43-gap junctions, which can be changed subsequently to external influences like osmotic imbalance. Also, it’s well known that connexin 43 plays a leading role in a large number of pathologic processes, for instance formation of brain edema after stroke or traumatic brain injury. Ultrastructure and morphology of gap junctions can be revealed by performing freeze fracture immunogold labeling, in which their connexons appear as intramembrane-particles. This present dissertation examined effects of hyperosmolar Sucrose on ultrastructure and function of connexin 43-gap junctions in astrocytes. Furthermore, possible consequences for aquaporin 4, glial fibrillary acid protein and zonula occludens protein-1 expression were worked out. In addition, possible changes in phosphorylation-state of connexin 43 as a response on hyperosmolar Sucrose were investigated. The results of this study can be summarized as follows: Hyperosmolar Sucrose-solution leads to an enlargement of the gap junctions and within these to a dispersal of the intramembrane-particles. There were no changes of mRNA-expression of glial fibrillary acid protein, connexin 43 and aquaporin 4, whereas a significant increase in zonula occludens protein-1 expression was detected. Additionally, immunoblots revealed an increase of phosphorylation of connexin 43 at the aminoacid site of Serin-rest 368. The scrape loading/dye transfer assay showed as a consequence of the incubation with hyperosmolar sucrose-solution a decrease of gap junction intercellular communication. It seems that connexin 43 plays a crucial role in the reaction of astrocytes to osmotic changes and stimuli, as for example in case of incubation with hyperosmolar sucrose-solution. Here, it’s possible, that the rearrangement of the connexons within the gap junction is a serious part of these regulation mechanisms.