Importance of glutamate dehydrogenase, GDH, in astrocyte metabolism for maintenance of glutamate and energy homeostasis

TY - BOOK

T1 - Importance of glutamate dehydrogenase, GDH, in astrocyte metabolism for maintenance of glutamate and energy homeostasis

AU - Skytt, Dorte M

PY - 2012/6/29

Y1 - 2012/6/29

N2 - Glutamat er den hyppigst forekommende aktiverende neurotransmitter i hjernen, og astrocytter spiller en vigtig rolle i opretholdelsen af glutamathomeostasen. Det primære optag af glutamat efter glutamaterg neurotransmission udføres af astrocytter, og selve glutamatstofskiftet i astrocytterne er nødvendigt, for fortsat effektiv fjernelse af glutamat fra synapsen. Efter at være optaget i astrocytten kan glutamat enten blive amideret af glutaminsynthease eller blive metaboliseret oxidativt i mitokondrierne. Den sidstnævnte proces bliver i det mindste til en vis grad initieret ved oxidativ deaminering katalyseret af glutamat dehydrogenase (GDH). GDH har en afgørende position, der knytter aminosyrehomeostase til energimetabolisme, og GHD aktivitet kan facilitere brugen af glutamat som energisubstrat, hvorved poolen af tricarboxylsyre (TCA) cyklus intermediære øges. På denne måde kan TCA cyklus aktiviteten accelereres, den komplette oxidation af glutamat gennem ”pyruvat recycling” og den oxidative omsætning af glukose. I dette studie var målet, at undersøge GDH’s specifikke betydning i astrocytstofskiftet for opretholdelse af glutamat- og energihomeostase. Dette er blevet undersøgt ved hjælp af small interfering RNA (siRNA) medieret reduktion af GDH i dyrkede kortikale astrocytter og primærkulturer af cerebellare astrocytter fra CNS-specifikke nul mus (CNS-Glud1-/-). Resultater fra astrocytter med siRNA- medieret reduceret GDH eksponeret for [15NH4+] (1.0 mM) understøtter nuværende in vivo og in vitro studier i, at GDH overvejende arbejder i retningen af oxidativ deaminering og ikke i retning af reduktiv aminering. Real-time ATP produktion viste, at kapaciteten til at øge glykolysen er forøget i CNS-Glud1-/- astrocytter som mangler GDH aktivitet selvom, at resultaterne indikerer at det basale ATP niveau var lavere i CNS-Glud1-/-. Ligeledes var procent [U-13C]alanin dannet ved inkubation med [U-13C]glucose (2.5 mM) øget, hvilket er konsistent med en forhøjet glykolytisk aktivitet i astrocytter der mangler GDH. I modsætning til stigningen i glykolytisk aktivitet, var CO2 produktionen fra [U-14C]glukose (250 µM) reduceret i astrocytter uden GDH aktivitet, hvilket foreslås tolket som en essentielt defekt TCA cyklus. Det blev vist, at glutamat kan metaboliseres oxidativt, og at GDH spiller en central rolle ved, at CO2 produktion fra den oxidative omsætning af [U-14C]glutamat formindskes i astrocytter, der mangler GDH aktivitet. Da reguleringen af GDH er knyttet til cellens energistatus, blev inkubationerne med [15N]glutamat eller [U-13C]glutamat (100 µM) udført i tilstedeværelse eller fravær af glukose. . ”Pyruvat recycling”, det vil sige den komplette oxidation af glutamat, blev mindsket i CNS-Glud1-/- astrocytter hvor glukose ikke var tilstede. Når astrocytter blev eksponeret for [15N]glutamat (100 µM) under tilstedeværelse af glukose, resulterede den reducerede eller manglende GDH aktivitet i en øget inkorporering af [15N] i glutamat, aspartat og alanin, hvilket også blev afspejlet i en akkumulering af glutamat og netto- syntese af aspartat. Det foreslås, at den store netto-syntese af aspartat, grundet mangel på GDH aktivitet, sker via sammenkobling af aspartat aminotransferase og den del af TCA cyklus, der omdanner a-ketoglutarat til oxaloacetat, også kendt som den trunkerede TCA cyklus. Glutamat akkumuleringen og den øgede aspartat syntese indvirkede ikke på glutaminmængden i astrocytter med reduceret GDH aktivitet. I modsætning havde astrocytter uden GDH aktivitet lavere koncentrationer af glutamin både intra- og ekstracellulært sammenlignet med kontrol astrocytter. Ved energideprivering øgede de astrocytter, der manglede GDH aktivitet, deres glutaminsyntese og –frisætning med en faktor 3,5 i forhold til en fordobling i kontrol astrocytterne. Således er det et mere dramatisk respons på glukose mangel hvad angår glutaminproduktion i CNS-Glud1-/- astrocytter. Baseret på de præsenterede resultater foreslås det, at delvis energi svigt i CNS-Glud1- /- fører til en partiel nedbrydning af Na+ gradienten hvorved den øgede co-transport af Na+ og glutamin ud af astrocytten, accelererer glutaminsyntesen. Tilgængeligheden af glutamat for transport ind i mitokondrierne og oxidativ metabolisme kan blive reduceret af en sådan øget metabolisme af glutamat til glutamin.Mangel på GDH aktivitet kan resultere i en essentielt defekt TCA cyklus i astrocytter og et øget behov for glykolyse. Til sammen bidrager de opnåede eksperimentelle data, til konklusionen at GDH’s primære rolle i astrocytter er at opretholde energihomeostasen grundet den anaplerotiske funktion af GDH.

AB - Glutamat er den hyppigst forekommende aktiverende neurotransmitter i hjernen, og astrocytter spiller en vigtig rolle i opretholdelsen af glutamathomeostasen. Det primære optag af glutamat efter glutamaterg neurotransmission udføres af astrocytter, og selve glutamatstofskiftet i astrocytterne er nødvendigt, for fortsat effektiv fjernelse af glutamat fra synapsen. Efter at være optaget i astrocytten kan glutamat enten blive amideret af glutaminsynthease eller blive metaboliseret oxidativt i mitokondrierne. Den sidstnævnte proces bliver i det mindste til en vis grad initieret ved oxidativ deaminering katalyseret af glutamat dehydrogenase (GDH). GDH har en afgørende position, der knytter aminosyrehomeostase til energimetabolisme, og GHD aktivitet kan facilitere brugen af glutamat som energisubstrat, hvorved poolen af tricarboxylsyre (TCA) cyklus intermediære øges. På denne måde kan TCA cyklus aktiviteten accelereres, den komplette oxidation af glutamat gennem ”pyruvat recycling” og den oxidative omsætning af glukose. I dette studie var målet, at undersøge GDH’s specifikke betydning i astrocytstofskiftet for opretholdelse af glutamat- og energihomeostase. Dette er blevet undersøgt ved hjælp af small interfering RNA (siRNA) medieret reduktion af GDH i dyrkede kortikale astrocytter og primærkulturer af cerebellare astrocytter fra CNS-specifikke nul mus (CNS-Glud1-/-). Resultater fra astrocytter med siRNA- medieret reduceret GDH eksponeret for [15NH4+] (1.0 mM) understøtter nuværende in vivo og in vitro studier i, at GDH overvejende arbejder i retningen af oxidativ deaminering og ikke i retning af reduktiv aminering. Real-time ATP produktion viste, at kapaciteten til at øge glykolysen er forøget i CNS-Glud1-/- astrocytter som mangler GDH aktivitet selvom, at resultaterne indikerer at det basale ATP niveau var lavere i CNS-Glud1-/-. Ligeledes var procent [U-13C]alanin dannet ved inkubation med [U-13C]glucose (2.5 mM) øget, hvilket er konsistent med en forhøjet glykolytisk aktivitet i astrocytter der mangler GDH. I modsætning til stigningen i glykolytisk aktivitet, var CO2 produktionen fra [U-14C]glukose (250 µM) reduceret i astrocytter uden GDH aktivitet, hvilket foreslås tolket som en essentielt defekt TCA cyklus. Det blev vist, at glutamat kan metaboliseres oxidativt, og at GDH spiller en central rolle ved, at CO2 produktion fra den oxidative omsætning af [U-14C]glutamat formindskes i astrocytter, der mangler GDH aktivitet. Da reguleringen af GDH er knyttet til cellens energistatus, blev inkubationerne med [15N]glutamat eller [U-13C]glutamat (100 µM) udført i tilstedeværelse eller fravær af glukose. . ”Pyruvat recycling”, det vil sige den komplette oxidation af glutamat, blev mindsket i CNS-Glud1-/- astrocytter hvor glukose ikke var tilstede. Når astrocytter blev eksponeret for [15N]glutamat (100 µM) under tilstedeværelse af glukose, resulterede den reducerede eller manglende GDH aktivitet i en øget inkorporering af [15N] i glutamat, aspartat og alanin, hvilket også blev afspejlet i en akkumulering af glutamat og netto- syntese af aspartat. Det foreslås, at den store netto-syntese af aspartat, grundet mangel på GDH aktivitet, sker via sammenkobling af aspartat aminotransferase og den del af TCA cyklus, der omdanner a-ketoglutarat til oxaloacetat, også kendt som den trunkerede TCA cyklus. Glutamat akkumuleringen og den øgede aspartat syntese indvirkede ikke på glutaminmængden i astrocytter med reduceret GDH aktivitet. I modsætning havde astrocytter uden GDH aktivitet lavere koncentrationer af glutamin både intra- og ekstracellulært sammenlignet med kontrol astrocytter. Ved energideprivering øgede de astrocytter, der manglede GDH aktivitet, deres glutaminsyntese og –frisætning med en faktor 3,5 i forhold til en fordobling i kontrol astrocytterne. Således er det et mere dramatisk respons på glukose mangel hvad angår glutaminproduktion i CNS-Glud1-/- astrocytter. Baseret på de præsenterede resultater foreslås det, at delvis energi svigt i CNS-Glud1- /- fører til en partiel nedbrydning af Na+ gradienten hvorved den øgede co-transport af Na+ og glutamin ud af astrocytten, accelererer glutaminsyntesen. Tilgængeligheden af glutamat for transport ind i mitokondrierne og oxidativ metabolisme kan blive reduceret af en sådan øget metabolisme af glutamat til glutamin.Mangel på GDH aktivitet kan resultere i en essentielt defekt TCA cyklus i astrocytter og et øget behov for glykolyse. Til sammen bidrager de opnåede eksperimentelle data, til konklusionen at GDH’s primære rolle i astrocytter er at opretholde energihomeostasen grundet den anaplerotiske funktion af GDH.

M3 - Ph.D. thesis

SN - 9788792719539

BT - Importance of glutamate dehydrogenase, GDH, in astrocyte metabolism for maintenance of glutamate and energy homeostasis

CY - København

ER -