Glial Ca2+ signaling in the spinal cord and the myelin-protective effect of the GABAb receptor in oligodendrocyte precursor cells

Abstract

The highly complex network of glial cells in the central nervous system relies intracellularly and intercellularly on multilayered communication through the secondary messenger Ca2+ and is fundamentally different in its characteristics from the communication system of neurons, which is more rapidly timed. The Ca2+-based communication system is inherent in all glial cells, whether astroglia, microglia, or the cells of oligodendroglial lineage. Eech cell receives, processes, and sends signals through Ca2+ concentration changes and, embedded in a syncytium of cells, provides information about its activity. If a cellular stress response occurs, Ca2+ concentration is an important indicator of the switch in cellular function, from gene activity to protein turnover and integrity to targeted cell death. Such steps are cell type-specific and task-related, as well as controllable by surrounding cells or disease. This cellular Ca2+ activity can be visualized under cell type-specific promotors using the genetically encoded Ca2+ sensor GCaMP3 and has been comparatively analyzed in this study in spinal glial cells using two-photon microscopy in vivo and ex vivo. In the development and maintenance of myelin by oligodendrocytes, finely tuned Ca2+ signals are crucial for functional myelin quality. These mature oligodendrocytes arise throughout life from their precursors, NG2 glia, also a sensitive Ca2+ dependent process. The inhibitory neurotransmitter γ-aminobutyric acid (GABA) has a depolarizing effect on these cells via its ionotropic receptor (GABAA) on one hand and leads to an increase of intracellular Ca2+ via the metabotropic receptor (GABAB), presumably involving G proteins and phospholipase C, on the other hand. Already in clinical therapy of spasticity in multiple sclerosis, receptor agonists against GABA receptors are used to provide relief to patients. Conditional receptor loss in oligodendroglial precursor cells (OPCs) and its effect on Ca2+ homeostasis, as well as its combination with a toxic demyelination model by a cuprizone diet, were investigated in mouse spinal cord in this study. Because the peripheral arrangement of lipid-rich white matter in the spinal cord is readily accessible, two-photon microscopy in vivo was used. This study revealed cell type-specific and regionally dependent Ca2+ activity for microglia, astroglia as well as oligodendroglial precursor cells. Furthermore, loss of the metabotropic GABAB receptor in oligodendroglial precursor cells showed reduced Ca2+ activity and altered myelin structure and, at a later time point, a myelin protective effect with hardly altered Ca2+ signaling activity after toxic demyelination.

Das hoch komplexe Netzwerk aus Gliazellen im Zentralnervensystem stützt sich intra- und interzellulär auf die vielschichtige Kommunikation durch den sekundären Botenstoff Ca2+ und ist grundlegend anders in seiner Charakteristik als das Kommunikationssystem der Neurone, das zeitlich schneller getaktet ist. Die auf Ca2+ basierende Kommunikation ist allen Gliazellen eigen, ob Astroglia, Mikroglia oder Zellen der oligodendroglialen Linie. Jede dieser Zellen erhält, verarbeitet und sendet durch Ca2+ Konzentrationsänderungen Signale aus und gibt, eingebettet in einem Synzytium aus Zellen, Aufschluss über seine Aktivität. Kommt es zur zellulären Stressantwort ist die Ca2+ Konzentration ein wichtiger Indikator für die Umstellung der Zellfunktionen, von der Genaktivität über den Proteinumsatz und -integrität bis hin zum gezielten Zelltod. Solche Schritte sind zelltypspezifisch und aufgabenbezogen sowie durch umliegende Zellen oder Krankheiten manipulierbar. Diese zelleigene Ca2+ Aktivität kann unter zelltypspezifischen Promotoren mittels dem genetisch kodierten Kalziumsensor GCaMP3 visualisiert werden und ist in dieser Studie in spinalen Gliazellen mittels Zwei-Photonen Mikroskopie in vivo und ex vivo vergleichend analysiert worden. Bei der Entwicklung und Aufrechterhaltung des Myelins durch Oligodendrozyten sind fein abgestimmte Ca2+ Signale ausschlaggebend für funktionales Myelin. Reife Oligodendrozyten entstehen zeitlebens aus ihren Vorläufern, den NG2-Glia unter anderem durch einen sensiblen, Ca2+ abhängigen Prozess. Der inhibitorische Neurotransmitter γ-Aminobuttersäure (GABA) wirkt an diesen Zellen zum einen depolarisierend über seinen ionotropen Rezeptor (GABAA) und zum anderen positiv auf die Erhöhung des intrazellulären Ca2+ über den metabotropen Rezeptor (GABAB), vermutlich G-Proteine und Phospholipase C involvierend. Bereits in der klinischen Therapie von Spastiken bei Multipler Sklerose werden Agonisten gegen GABA Rezeptoren eingesetzt um den Patienten Linderung zu verschaffen. Der konditionelle Rezeptorverlust in oligodendroglialen Vorläuferzellen und dessen Auswirkung auf die Ca2+ Homöostase, sowie dessen Kombination mit einem toxischen Demyelinisierungsmodell durch eine Cuprizon Diät wurden in dieser Studie im Rückenmark von Mäusen untersucht. Da die periphere Anordnung der lipidreichen weißen Substanz im Rückenmark leicht zugänglich ist, konnte hier ebenfalls die Zwei-Photonen Mikroskopie in vivo eingesetzt werden. In dieser Studie zeigten sich zelltypspezifische und für Mikro- und Astroglia sowie oligodendrogliale Vorläuferzellen regional abhängige Ca2+ Aktivitäten. Des Weiteren führte der Verlust des metabotropen GABAB Rezeptors in oligodendroglialen Vorläuferzellen zu einer reduzierten Ca2+ Aktivität und veränderter Myelin Struktur sowie zu einem späteren Untersuchungszeitpunkt zu einem Myelin protektiven Effekt mit kaum veränderter Ca2+ Signalaktivität nach toxischer Demyelinisierung.