Электронный ключ к тайнам астроцитов
- Авторы: Рогачевский В.В.1, Шишкова Е.А.1
-
Учреждения:
- Институт биофизики клетки Российской академии наук, Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской Академии наук»
- Выпуск: Том 18, № 4 (2023)
- Страницы: 540-543
- Раздел: Материалы конференции
- URL: https://bakhtiniada.ru/2313-1829/article/view/256265
- DOI: https://doi.org/10.17816/gc623261
- ID: 256265
Цитировать
Открытый доступ
Доступ предоставлен
Только для подписчиков
Аннотация
Перисинаптические отростки астроцитов (PAP), участвуя в работе трёхчастного синапса, отвечают на его активацию локальной деполяризацией с высвобождением ионов Ca2+ из внутриклеточных депо в узлах ветвления отростков и проявляют локальные или генерализованные кальциевые события [1, 2]. Результаты этих электрофизиологических и имиджинговых экспериментов предполагают наличие в периферических отростках астроцитов депо ионов Ca2+. Однако по результатам первых электронно-микроскопических исследований сформировалось устойчивое мнение, что терминальные отростки астроцитов (TAP), контактирующие с синапсом и лежащие в непосредственной близости к интерфейсу «аксон–шипик», лишены каких-либо органелл, включая основное депо ионов Ca2+ астроцитов — цистерны гладкого эндоплазматического ретикулума (sER) [3]. По этой же причине существует серьезный скептицизм и в отношении Са2+-зависимого высвобождения глиотрансмиттеров in vivo. Обнаружение и анализ цистерн sER действительно могут быть ограничены их слабым электронным контрастом, исследованием астроцитарных отростков на одиночных срезах и недостаточным оптическим разрешением используемых приборов.
В данной работе с использованием просвечивающей электронной микроскопии и 3D-реконструкции на серийных срезах мы провели первый детальный анализ TAP в синапсах гиппокампа и коры мозга мыши. Применение альтернативных методов фиксации ткани мозга и контрастирования ультратонких срезов [4, 5] позволило усилить контраст элементарных мембран, включая мембраны цистерн sER нейронов и астроцитов. Однако данный подход усиливал и контраст гранул гликогена, маскирующих сходные с гранулами гликогена сечения цистерн sER. Для демаскирования цистерн sER в отростках астроцитов мы воспользовались быстрой разборкой гликогена в результате неанестетической эвтаназии. Освобождение от гранул гликогена профилей астроцитов позволило отчетливо наблюдать протяжённые цистерны sER, сходные по диаметрам (30–60 нм) и электронному контрасту с цистернами sER дендритов нейронов и его производному в дендритных шипиках — шипиковому аппарату. Наряду с протяжёнными цистернами sER цитоплазма PAP содержала сечения контрастных структур диаметром 10–30 нм, которые на малых увеличениях, с финальным разрешением изображения 1,7 нм/пиксель, по морфологии и размерам не отличались от гранул гликогена. Анализ на больших увеличениях, с рабочим разрешением 0,67–0,34 нм/пиксель изображения, что в 10–15 раз превышает стандартное разрешение сканирующей электронной микроскопии, позволил четко идентифицировать такие объекты, как органеллы, имеющие мембранную природу.
Анализ серийных срезов показывает, что данные структуры в PAP составляют два пула органелл: короткие, длиной ~130–170 нм, «нитевидные» цистерны sER с диаметром 10–30 нм и микровезикулы. При этом если PAP с морфологией тонких веточек содержат два типа цистерн sER (короткие «нитевидные» и протяжённые расширенные цистерны) и микровезикулы, то мембранные органеллы в TAP представлены лишь короткими фрагментами «нитевидных» цистерн sER и микровезикулами, группы которых имеют тенденцию располагаться в непосредственной близости от активных зон наиболее активных синапсов. Такое нестохастическое распределение цистерн sER и микровезикул предполагает существование механизма активного направленного транспорта мембранных органелл в сильно уплощённых ламеллах TAP. Сопоставление с литературными данными иммуноэлектронной микроскопии о расположении в PAP специфического маркера sER, Са2+-связывающего белка кальретикулина, позволяет считать наблюдаемые нами тонкие цистерны sER как ультраструктурной основой и первичным звеном в развитии спонтанных и индуцированных Ca2+-событий в TAP, так и необходимым условием для Са2+-зависимого везикулярного высвобождения глиотрансмиттеров вблизи активных синапсов.
Несмотря на устоявшееся мнение об отсутствии органелл в TAP, полученные данные предполагают существование динамической регуляции состава и числа органелл в ламеллах PAP в зависимости от активности синапса и открывают новые перспективы в исследованиях нейрон-глиального взаимодействия и понимании функциональной роли астроцитарного микроокружения в пластичности трёхчастного синапса и развитии патологических процессов в мозге.
Полный текст
Перисинаптические отростки астроцитов (PAP), участвуя в работе трёхчастного синапса, отвечают на его активацию локальной деполяризацией с высвобождением ионов Ca2+ из внутриклеточных депо в узлах ветвления отростков и проявляют локальные или генерализованные кальциевые события [1, 2]. Результаты этих электрофизиологических и имиджинговых экспериментов предполагают наличие в периферических отростках астроцитов депо ионов Ca2+. Однако по результатам первых электронно-микроскопических исследований сформировалось устойчивое мнение, что терминальные отростки астроцитов (TAP), контактирующие с синапсом и лежащие в непосредственной близости к интерфейсу «аксон–шипик», лишены каких-либо органелл, включая основное депо ионов Ca2+ астроцитов — цистерны гладкого эндоплазматического ретикулума (sER) [3]. По этой же причине существует серьезный скептицизм и в отношении Са2+-зависимого высвобождения глиотрансмиттеров in vivo. Обнаружение и анализ цистерн sER действительно могут быть ограничены их слабым электронным контрастом, исследованием астроцитарных отростков на одиночных срезах и недостаточным оптическим разрешением используемых приборов.
В данной работе с использованием просвечивающей электронной микроскопии и 3D-реконструкции на серийных срезах мы провели первый детальный анализ TAP в синапсах гиппокампа и коры мозга мыши. Применение альтернативных методов фиксации ткани мозга и контрастирования ультратонких срезов [4, 5] позволило усилить контраст элементарных мембран, включая мембраны цистерн sER нейронов и астроцитов. Однако данный подход усиливал и контраст гранул гликогена, маскирующих сходные с гранулами гликогена сечения цистерн sER. Для демаскирования цистерн sER в отростках астроцитов мы воспользовались быстрой разборкой гликогена в результате неанестетической эвтаназии. Освобождение от гранул гликогена профилей астроцитов позволило отчетливо наблюдать протяжённые цистерны sER, сходные по диаметрам (30–60 нм) и электронному контрасту с цистернами sER дендритов нейронов и его производному в дендритных шипиках — шипиковому аппарату. Наряду с протяжёнными цистернами sER цитоплазма PAP содержала сечения контрастных структур диаметром 10–30 нм, которые на малых увеличениях, с финальным разрешением изображения 1,7 нм/пиксель, по морфологии и размерам не отличались от гранул гликогена. Анализ на больших увеличениях, с рабочим разрешением 0,67–0,34 нм/пиксель изображения, что в 10–15 раз превышает стандартное разрешение сканирующей электронной микроскопии, позволил четко идентифицировать такие объекты, как органеллы, имеющие мембранную природу.
Анализ серийных срезов показывает, что данные структуры в PAP составляют два пула органелл: короткие, длиной ~130–170 нм, «нитевидные» цистерны sER с диаметром 10–30 нм и микровезикулы. При этом если PAP с морфологией тонких веточек содержат два типа цистерн sER (короткие «нитевидные» и протяжённые расширенные цистерны) и микровезикулы, то мембранные органеллы в TAP представлены лишь короткими фрагментами «нитевидных» цистерн sER и микровезикулами, группы которых имеют тенденцию располагаться в непосредственной близости от активных зон наиболее активных синапсов. Такое нестохастическое распределение цистерн sER и микровезикул предполагает существование механизма активного направленного транспорта мембранных органелл в сильно уплощённых ламеллах TAP. Сопоставление с литературными данными иммуноэлектронной микроскопии о расположении в PAP специфического маркера sER, Са2+-связывающего белка кальретикулина, позволяет считать наблюдаемые нами тонкие цистерны sER как ультраструктурной основой и первичным звеном в развитии спонтанных и индуцированных Ca2+-событий в TAP, так и необходимым условием для Са2+-зависимого везикулярного высвобождения глиотрансмиттеров вблизи активных синапсов.
Несмотря на устоявшееся мнение об отсутствии органелл в TAP, полученные данные предполагают существование динамической регуляции состава и числа органелл в ламеллах PAP в зависимости от активности синапса и открывают новые перспективы в исследованиях нейрон-глиального взаимодействия и понимании функциональной роли астроцитарного микроокружения в пластичности трёхчастного синапса и развитии патологических процессов в мозге.
ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ
Источник финансирования. Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 20-34-90068.
Об авторах
В. В. Рогачевский
Институт биофизики клетки Российской академии наук, Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской Академии наук»
Автор, ответственный за переписку.
Email: ckpem.icb.ras@gmail.com
Россия, Пущино
Е. А. Шишкова
Институт биофизики клетки Российской академии наук, Федеральный исследовательский центр «Пущинский научный центр биологических исследований Российской Академии наук»
Email: ckpem.icb.ras@gmail.com
Россия, Пущино
Список литературы
- Armbruster M., Naskar S., Garcia J.P., et al. Neuronal activity drives pathway-specific depolarization of peripheral astrocyte processes // Nature Neuroscience. 2022. Vol. 25, N 5. P. 607–616. doi: 10.1038/s41593-022-01049-x
- Arizono M., Inavalli V.V.G.K., Panatier A., et al. Structural basis of astrocytic Ca2+ signals at tripartite synapses // Nature Communications. 2020. Vol. 11, N 1. P. 1906. doi: 10.1038/s41467-020-15648-4
- Semyanov A, Verkhratsky A. Astrocytic processes: from tripartite synapses to the active milieu // Trends in Neuroscience. 2021. Vol. 44, N 10. P. 781–792. doi: 10.1016/j.tins.2021.07.006
- Shishkova E., Kraev I., Rogachevsky V. Evaluation of Oolong Tea Extract Staining of Brain Tissue with Special Reference to Smooth Endoplasmic Reticulum // Biophysics. 2022. Vol. 67. P. 752–760. doi: 10.1134/S0006350922050177
- Шишкова Е.А., Рогачевский В.В. Два субкомпартмента гладкого эндоплазматического ретикулума в перисинаптических отростках астроцитов: Ультраструктура и распределение в синапсах гиппокампа и неокортекса // Биофизика. 2023. Т. 68, № 2. С. 320–333. doi: 10.31857/S0006302923020126
Дополнительные файлы
