Zur Regulation des oxidativen Energiemetabolismus in Astrozyten: Darstellung einer mGluR5/ PKCδ - vermittelten Aktivierung von Mitochondrien in vitro

Astrozyten sind außerordentlich vielseitige Zellen, die im Gefüge des zentralen Nervensystems wichtige Rollen in der synaptischen Signalübertragung, im Neurotransmitterstoffwechsel sowie unter anderem in der Regulation der Energiesubstrataufnahme und der lokalen Durchblutung spielen. Die genannten Prozesse weisen eine ausgeprägte Abhängigkeit von lokal verfügbaren Energieäquivalenten auf. Astrozyten können als Reaktion auf verstärkte, umliegende synaptische Aktivität nicht nur anaerobe Stoffwechselwege wie z.B. Glykolyse hochregulieren, sondern weisen auch eine enorme oxidative Verstoffwechselungskapazität auf. Die Mechanismen zur Regulation des oxidativen Stoffwechsels sind z.B. in Hepatozyten oder Muskelzellen genauer beschrieben, wie vieles andere jedoch in Glia untererforscht. Einer der Signalwege zur Aktivierung des obligat aeroben Citratzyklus über das Schlüsselenzym Pyruvatdehydrogenase-Komplex (PDC) führt in Hepatozyten über die Proteinkinase Cδ (PKCδ). Diese bewerkstelligt die Aktivierung der PDC über eine Dephosphorylierung der Pyruvatdehydrogenase (PDH) durch die PDH-Phosphatase 1 (PDP1). Die selbst in peripheren Astrozytenforsätzen zahlreich vorhandenen Mitochondrien sind bislang in ihrer Funktion und Regulation nur unzureichend untersucht worden. Daher stellte sich die Frage, ob ein solcher PKCδ-vermittelter Signalweg auch in Astrozyten (über die Aktivierung der PDH) zur Aktivierung des mitochondrialen Stoffwechsels führen könnte, insbesondere um auf einen höheren Energiebedarf reagieren zu können. Nach zahlreichen Versuchen zum Nachweis des Vorliegens der beteiligten Enzyme in der postulierten Signalkaskade wurden primäre Astrozyten mit Glutamat stimuliert, wodurch eine erhöhte synaptische Aktivität in unmittelbarer Umgebung simuliert wurde. Mithilfe von anti-PKCδ-, anti-PDC- und phosphospezifischen anti-phospho-PDC-Antikörpern sowie der Nutzung Objekt-orientierter Bildverarbeitungsmethoden konnte eine Glutamat-induzierte, mitochondriale Translokation der PKCδ mit nachfolgender Dephosphorylierung des PDC (und damit dessen Aktivierung) gezeigt werden. Beide Prozesse, PKCδ-Translokation und PDH-Dephosphorylierung, werden durch den metabotropen Glutamatrezeptor 5 (mGluR5) vermittelt, wie sich durch dessen pharmakologische Inhibition zeigen lässt. Die mitochondriale Translokation der PKCδ und ihre Kinaseaktivität tragen dabei maßgeblich zur Aktivierung des PDC bei, sodass durch das Einwirken von Glutamat eine lokale Modulation des glialen oxidativen Stoffwechsels und der damit verbundenen Produktion von Adenosintriphosphat (ATP) ermöglicht wird. Da Astrozyten (v.a. mit ihren feinen peripheren Fortsätzen) besonders in der Nähe von Synapsen für die Funktionalität von Neuronen essentielle, ATP-verbrauchende Prozesse wie z.B. Glutamattransport aufrechterhalten müssen, ist eine solche Regulation durch Glutamat selbst als Indikator vermehrter synaptischer Aktivität naheliegend. Dabei scheint Glutamat in dualer Funktion sowohl signalgebend die Aktivität des Citratzyklus zu beeinflussen als auch nach Aufnahme in die Zelle selbst als Substrat zum anaplerotischen Einschleusen in den Citratzyklus zur Verfügung zu stehen. Mithilfe von luminometrischen ATP-Assays sowie mGluR- und isoformspezifischen PKC-Inhibitoren konnte gezeigt werden, dass einem durch Glutamat verursachten Abfall der intrazellulären ATP-Spiegel (aufgrund der damit einhergehenden Mehrbelastung der Zelle für Transportprozesse und z.B. Ionenhomöostase) durch die mGluR5/PKCδ-vermittelte Aktivierung der PDH entgegengewirkt werden könnte. In Zusammenschau könnte der mGluR5/PKCδ/PDH-vermittelte Signalweg gewissermaßen eine Bereitschaft bieten, um für gliale Stoffwechselprozesse die Deckung des Energiebedarfs in Astrozytenfortsätzen bei Aktivität angrenzender Synapsen (im Rahmen des Modells der dreiteiligen Synapse) zu ermöglichen. Eine mögliche pathophysiologische Rolle dieses Mechanismus bei zahlreichen neurodegenerativen Erkrankungen (bei denen häufig ein gestörter Energiestoffwechsel und/oder gliale Dysfunktion vermutet wird) müsste in weiterführenden Studien untersucht werden.