Neuer Zelltyp im Gehirn entdeckt
Jahrzehntelang bestand das Gehirn primär aus zwei Zelltypen: Neuronen und Gliazellen. Forscher an der Universität Lausanne haben nun eine dritte, «Hybrid»-Zelle entdeckt, die morphologische und funktionelle Anteile von Neuronen und Gliazellen aufweist.
Die spezifische Astrozyten-Unterart der «Hybrid-Zellen» wirkt an der synaptischen Kommunikation mit.
Das Gehirn wird nach bisherigem Verständnis im Grossen und Ganzen von zwei Zelltypen geprägt – den Neuronen (Nervenzellen) und den mit dem Sammelbegriff «Gliazellen» bezeichneten Nervengewebe. Gliazellen leisten dem Gehirn wichtige Dienste leisten, darunter, ein Stützgerüst für Nervenzellen zu bieten, und für deren elektrische Isolation, sowie für die Immunabwehr im zentralen Nervensystem zu sorgen.
Arbeiten Astrozyten im synaptischen Spalt mit?
Schon bisher wurde beobachtete, dass Astrozyten, eine Unterart der Gliazellen, oft in engem Kontakt mit Synapsen stehen. Aus diesem Grund wurde bereits schon länger vermutet, dass Astrozyten eine aktive Rolle im synaptischen Spalt spielen, und sie möglicherweise Teil an der neuronalen Signalweiterleitung haben könnten.
Bislang gab es jedoch widersprüchliche Ergebnisse zu der «Astrozyten-Glutamat-Exozytose-Hypothese»– ein wissenschaftlicher Konsens wurde daher nie erreicht. Eine neue Forschungsarbeit in der Fachzeitschrift Nature könnte diesen nun geschaffen haben.
Die Forscher von der Abteilung für Grundlagen-Naturwissenschaften an der Universität von Lausanne (UNIL) und dem Wyss-Zentrum für Bio- und Neuroingenieurswesen in Genf konnten zeigen, dass bestimmte Zellen zwar die morphologischen Eigenschaften von Astrozyten haben, gleichzeitig aber die Maschinerie innehaben, um an der synaptischen Übertragung teilzunehmen.
Neun Subgruppen von Astrozyten entdeckt
Mit Einzelzell-RNA-Analysen und Sequenzierungsdaten konnten die Wissenschaftler insgesamt neun molekular unterschiedliche Cluster von Astrozyten im Gehirn nachweisen. In einer der Unterpopulation von Astrozyten lagen in Einzelzellanalysen Transkripte vor, die für Proteine der Glutamat Freisetzung codieren. Diese werden üblicherweise nur von Neuronen benutzt.
So fanden sie das unter anderem Transkript für die die Glutamat-Transporter VGLUT1 und VGLUT2. Diese gewährleisten die Füllung der neuronalen Vesikel, die zur Freisetzung von Glutamat im synaptischen Spalt benutzt werden.
Hybrid-Zellen können schnell Gultamat sezernieren
Im Anschluss untersuchten die Forscher, ob die Hybriden zwischen Astrozyten und Gliazellen auch auf spezifische Stimuli schnell Glutamat sezernieren können. Um dies nachzuweisen, visualisierten sie durch eine innovative Bildgebungsmethode die Glutamat-Freisetzung von Vesikeln in der lebenden Maus.
Sie entdeckten dabei eine Subgruppe von Astrozyten, die auf selektive Stimuli mit einer schnellen Glutamatfreisetzung reagierten. Diese fand in räumlich abgegrenzten Bereichen der Hybrid-Zellen statt, die an Synapsen erinnern.
Funktion bei Erinnerung und Dopaminsekretion
Die hybriden glutaminergen Astrozyten kamen dabei in spezifischen Hirnregionen konzentriert vor. So entdeckten die Forscher, dass der neue Astrozyten-Subtyp vor allem an kortiko-hippocampalen als auch an nigrostriatalen Schaltprozessen teilnimmt.
Blockierten sie die Glutamatfreisetzung der Hybrid-Zellen, war etwa die Langzeitpotenzierung beeinträchtigt, ein neuronaler Prozess, der an der Bildung von Erinnerungen beteiligt ist. Auch die Kontrolle epileptischer Anfälle war bei Mäusen ohne die Fähigkeit der Glutamatexozytose in den Hybrid-Zellen eingeschränkt.
Zudem konnten die Forscher zeigen, dass die Dopaminsekretion in der Substantia nigra reduziert war, wenn die Glutamatsekretion gezielt in Astrozyten ausgeschaltet war. Die glutaminergen Astrozyten könnten also auch bei Morbus Parkinson eine Rolle spielen.
«Daten widersprechen der klassischen Neuronen-Glia-Dichotomie»
Ihre Daten, schreiben die Autoren, zeigen neue Ebenen der Komplexität und Spezifität der Gehirnfunktionen auf. «Wir haben gezeigt, dass es ‹hybride› Zellen gibt, die der klassischen Dichotomie von Neuronen und Glia widersprechen.»
Die Forscher wollen nun die mögliche Beteiligung dieser neu identifizierten Astrozyten-Subpopulation an der Pathogenese von Erkrankungen wie der Alzheimer-Krankheit untersuchen.
- De Ceglia R et al. Specialized astrocytes mediate glutamatergic gliotransmission in the CNS. Nature 2023, epub ahead of print. Doi: 10.1038/s41586-023-06502-w