Astrocytes: biology and pathology

Astrocytes are specialized glial cells that outnumber neurons by over fivefold. They contiguously tile the entire central nervous system (CNS) and exert many essential complex functions in the healthy CNS. Astrocytes respond to all forms of CNS insults through a process referred to as reactive astrogliosis, which has become a pathological hallmark of CNS structural lesions. Substantial progress has been made recently in determining functions and mechanisms of reactive astrogliosis and in identifying roles of astrocytes in CNS disorders and pathologies. A vast molecular arsenal at the disposal of reactive astrocytes is being defined. Transgenic mouse models are dissecting specific aspects of reactive astrocytosis and glial scar formation in vivo. Astrocyte involvement in specific clinicopathological entities is being defined. It is now clear that reactive astrogliosis is not a simple all-or-none phenomenon but is a finely gradated continuum of changes that occur in context-dependent manners regulated by specific signaling events. These changes range from reversible alterations in gene expression and cell hypertrophy with preservation of cellular domains and tissue structure, to long-lasting scar formation with rearrangement of tissue structure. Increasing evidence points towards the potential of reactive astrogliosis to play either primary or contributing roles in CNS disorders via loss of normal astrocyte functions or gain of abnormal effects. This article reviews (1) astrocyte functions in healthy CNS, (2) mechanisms and functions of reactive astrogliosis and glial scar formation, and (3) ways in which reactive astrocytes may cause or contribute to specific CNS disorders and lesions

Étude du mécanisme de transport des cations par la Na, K-ATPase et de son implication dans la migraine familiale hémiplégique de type 2

Résumé La Na,K-ATPase est une protéine transmembranaire, présente dans toutes les cellules de mammifères et indispensable à la viabilité cellulaire. Elle permet le maintien des gradients sodiques et potassiques à l'origine du potentiel membranaire en transportant 3 Na+ en dehors de la cellule contre 2 K+, grâce à l'énergie fournie par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP. Le potentiel membranaire est indispensable au maintien de l'excitabilité cellulaire et à la transmission de l'influx nerveux. Il semblerait que la Na,K-ATPase soit liée à l'hypertension et à certains troubles neurologiques comme la Migraine Familiale Hémiplégique (1VIFH). La MFH est une forme de migraine avec aura, qui se caractérise par une hémiparésie. Cette forme de migraine est très rare. Elle se transmet génétiquement sur un mode autosomique dominant. Plusieurs mutations localisées dans le gène de la Na,K-ATPase ont été identifiées durant ces 3 dernières années. C'est la première fois qu'une maladie génétique est associée au gène de la Na,K-ATPase. La compréhension du fonctionnement de cette protéine peut donner des informations sur les mécanismes conduisant à ces pathologies. On sait que la fonction d'une protéine est liée à sa structure. L'étude de sa fonction nécessite donc l'étude de sa structure. Alors que la structure de la SERCA a été déterminée à haute résolution, par cristallographie, celle de la Na,K-ATPase ne l'est toujours pas. Mais ces 2 ATPases présentent une telle homologie qu'un modèle de la Na,K-ATPase a pu être élaboré à partir de la structure de la SERCA. Les objectifs de cette étude sont d'une part, de comprendre le contrôle de l'accessibilité du K+ extracellulaire àses sites de liaison. Pour cela, nous avons ciblé cette étude sur la 2ìème et la 31eme boucle extracellulaire, qui relient respectivement les segments transmembranaires (STM) 3-4 et 5-6. Le choix s'est porté sur ces 2 boucles car elles bordent le canal des cations formés des 4ième' Sième et 6'ème hélices. D'autre part, nous avons également essayer de comprendre les effets des mutations, liées à la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2 (MFH2), sur la fonctionnalité de la Na,K-ATPase. Alors que les STM et les domaines cytoplasmiques sont relativement proches entre la Na,KATPase et la SERCA, les boucles extracellulaires présentent des différences. Le modèle n'est donc pas une approche fiable pour déterminer la structure et la fonction des régions extracellulaires. Nous avons alors utilisé une approche fonctionnelle faisant appel à la mutation dirigée puis à l'étude de l'activité fonctionnelle de la Na,K ATPase par électrophysiologie sur des ovocytes de Xenopus. En conclusion, nous pouvons dire que la troisième boucle extracellulaire participerait à la structure de la voie d'entrée des cations et que la deuxième boucle extracellulaire semble impliquée dans le contrôle de l'accessibilité des ions K+àses sites de liaison. Concernant les mutations associées à la MFH2, nos résultats ont montré une forte diminution de l'activité fonctionnelle de la pompe Na,K, inférieure aux conditions physiologiques de fonctionnement, et pour une des mutations nous avons observés une diminution de l'affmité apparente au K+ externe. Nous poumons faire l'hypothèse que l'origine pathologique de la migraine est liée à une diminution de l'activité de la pompe à Na+. Summary The Na,K-ATPase is a transmembrane protein, present in all mammalian cells and is necessary for the viability of the cells. It maintains the gradients of Na+ and K+ involved in the membrane potential, by transporting 3Na+ out the cell, and 2K+ into the cell, using the energy providing from one ATP molecule hydrolysis. The membrane potential is necessary for the cell excitability and for the transmission of the nervous signal. Some evidence show that Na,K-ATPase is involved in hypertension and neurological disorders like the Familial Hemiplegic Migraine (FHM). La FHM is a rare form of migraine characterised by aura and hemiparesis and an autosomal dominant transmission. Several mutations linked to the Na,KATPase gene have been identified during these 3 last years. It's the first genetic disorder associated with the Na,K-ATPase gene. Understand the function of this protein is important to elucidate the mechanisms implicated in these pathologies. The function of a protein is linked with its structure. Thus, to know the function of a protein, we need to know its structure. While the Ca-ATPase (SERCA) has been crystallised with a high resolution, the structure of the Na,K-ATPase is not known. Because of the great homology between these 2 ATPases, a model of the Na,K-ATPase was realised by comparing with the structure of the SERCA. The aim of this study is on one side, understand the control of the extracellular K+ accessibility to their binding sites. Because of theirs closed proximity with the cation pathway, located between the 4th, 5th and 6th helices, we have targeted this study on the 2nd and the 3rd extracellular loops linking respectively the transmembrane segment (TMS) 3 and 4, and the TMS 5 and 6. And on the other side, we have tried to understand the functional effects of mutations linked with the Familial Hemiplegic Migraine Type 2 (FHM2). In contrast with the transmembrane segments and the cytoplasmic domains, the extracellular loops show lots of difference between Na,K-ATPase and SERCA, the model is not a good approach to know the structure and the function of the extracellular loops. Thus, we have used a functional approach consisting in directed mutagenesis and the study of the functional activity of the Na,K-ATPase by electrophysiological techniques with Xenopus oocytes. In conclusion, we have demonstrated that the third extracellular loop could participate in the structure of the entry of the cations pathway and that the second extracellular loop could control the K+ accessibility to their binding sites. Concerning the mutations associated with the FHM2, our results showed a strong decrease in the functional activity of the Na,K-pump under physiological conditions and for one of mutations, induce a decrease in the apparent external K+ affinity. We could make the hypothesis that the pathogenesis of migraine is related to the decrease in Na,K-pump activity. Résumé au large publique De la même manière que l'assemblage des mots forme des phrases et que l'assemblage des phrases forme des histoires, l'assemblage des cellules forme des organes et l'ensemble des organes constitue les êtres vivants. La fonction d'une cellule dans le corps humain peut se rapprocher de celle d'une usine hydroélectrique. La matière première apportée est l'eau, l'usine électrique va ensuite convertir l'eau en énergie hydraulique pour fournir de l'électricité. Le fonctionnement de base d'une cellule suit le même processus. La cellule a besoin de matières premières (oxygène, nutriments, eau...) pour produire une énergie sous forme chimique, l'ATP. Cette énergie est utilisée par exemple pour contracter les muscles et permet donc à l'individu de se déplacer. Morphologiquement la cellule est une sorte de petit sac rempli de liquide (milieu intracellulaire) baignant elle-même dans le liquide (milieu extracellulaire) composant le corps humain (un adulte est constitué environ de 65 % d'eau). La composition du milieu intracellulaire est différente de celle du milieu extracellulaire. Cette différence doit être maintenue pour que l'organisme fonctionne correctement. Une des différences majeures est la quantité de sodium. En effet il y a beaucoup plus de sodium à l'extérieur qu'à l'intérieur de la cellule. Bien que l'intérieur de la cellule soit isolé de l'extérieur par une membrane, le sodium arrive à passer à travers cette membrane, ce qui a tendance à augmenter la quantité de sodium dans la cellule et donc à diminuer sa différence de concentration entre le milieu extracellulaire et le milieu intracellulaire. Mais dans les membranes, il existe des pompes qui tournent et dont le rôle est de rejeter le sodium de la cellule. Ces pompes sont des protéines connues sous le nom de pompe à sodium ou Na,K-ATPase. On lui attribue le nom de Na,K-ATPase car en réalité elle rejette du sodium (Na) et en échange elle fait entrer dans la cellule du potassium (K), et pour fonctionner elle a besoin d'énergie (ATP). Lorsque les pompes à sodium ne fonctionnent pas bien, cela peut conduire à des maladies. En effet la Migraine Familiale Hémiplégique de type 2, est une migraine très rare qui se caractérise par l'apparition de la paralysie de la moitié d'un corps avant l'apparition du mal de tête. C'est une maladie génétique (altération qui modifie la fonction d'une protéine) qui touche la pompe à sodium située dans le cerveau. On a découvert que certaines altérations (mutations) empêchent les pompes à sodium de fonctionner correctement. On pense alors que le développement des migraines est en partie dû au fait que ces pompes fonctionnent moins bien. Il est important de bien connaître la fonction de ces pompes car cela permet de comprendre des mécanismes pouvant conduire à certaines maladies, comme les migraines. En biologie, la fonction d'une protéine est étudiée à travers sa structure. C'est pourquoi l'objectif de cette thèse a été d'étudier la structure de la Na,K-ATPase afin de mieux comprendre son mécanisme d'action

Functional effects of Na+,K+-ATPase gene mutations linked to familial hemiplegic migraine.

Familial hemiplegic migraine type 2, an autosomal dominant form of migraine with aura, has been associated with four distinct mutations in the alpha2-subunit of the Na+,K+-ATPase. We have introduced these mutations in the alpha2-subunit of the human Na+,K+-ATPase and the corresponding mutations in the Bufo marinus alpha1-subunit and studied these mutants by expression in Xenopus oocyte. Metabolic labeling studies showed that the mutants were synthesized and associated with the beta-subunit, except for the alpha2HW887R mutant, which was poorly synthesized, and the alpha1BW890R, which was partially retained in the endoplasmic reticulum. [3H]ouabain binding showed the presence of the alpha2HR689Q and alpha2HM731T at the membrane, whereas the alpha2HL764P and alpha2HW887R could not be detected. Functional studies with the mutants of the B. marinus Na+,K+-ATPase showed a reduced or abolished electrogenic activity and a low K+ affinity for the alpha1BW890R mutant. Through different mechanisms, all these mutations result in a strong decrease of the functional expression of the Na+,K+-pump. The decreased activity in alpha2 isoform of the Na+,K+-pump expressed in astrocytes seems an essential component of hemiplegic migraine pathogenesis and may be responsible for the cortical spreading depression, which is one of the first events in migraine attacks

A third Na+-binding site in the sodium pump

The sodium pump, or Na,K-ATPase, exports three intracellular sodium ions in exchange for two extracellular potassium ions. In the high resolution structure of the related calcium pump, two cation-binding sites have been identified. The two corresponding sites in the sodium pump are expected to be alternatively occupied by sodium and potassium. The position of a third sodium-specific site is still hypothetical. Here, we report the large effects of single residue substitutions on the voltage-dependent kinetics of the release of sodium to the extracellular side of the membrane. These mutations also alter the apparent affinity for intracellular sodium while one of them does not affect the intrinsic affinity for potassium. These results enable us to locate the third sodium-specific site of the sodium pump in a space between the fifth, sixth, and ninth transmembrane helices of the alpha-subunit and provide an experimental validation of the model proposed by Ogawa and Toyoshima [Ogawa, H. & Toyoshima, C. (2002) Proc. Natl. Acad. Sci. USA 99, 15977-15982]

Two de novo mutations in the Na,K-ATPase gene ATP1A2 associated with pure familial hemiplegic migraine.

Contains fulltext : 51118.pdf (publisher's version ) (Closed access

Recurrent ATP1A2 mutations in Portuguese families with familial hemiplegic migraine.

Contains fulltext : 53476.pdf (publisher's version ) (Closed access)Familial hemiplegic migraine is a rare autosomal dominant subtype of migraine with aura. Three genes have been identified, all involved in ion transport. There is considerable clinical variation associated with FHM mutations. Genotype-phenotype correlation studies are needed, but are challenging mainly because the number of carriers of individual mutations is low. One exception is the recurrent T666M mutation in the FHM1 CACNA1A gene that was identified in almost one-third of FHM families and showed variable associated clinical features and severity, both within and among FHM families. Similar studies in the FHM2 ATP1A2 gene have not been performed because of the low number of carriers with individual mutations. Here we report on the recurrence of ATP1A2 mutations M731T and T376M that affect sodium-potassium pump functioning in two Portuguese FHM families. Considerably increasing the number of mutation carriers with these mutations indicated a clear genotype-phenotype correlation: both mutations are associated with pure FHM. In addition, we show that recurrent mutations for ATP1A2 are more frequent than previously thought, which has implications for genotype-phenotype correlations and genetic testing

Astrocyte–neuron interactions in neurological disorders

Astrocytes have long been considered as just providing trophic support for neurons in the central nervous system, but recently several studies have highlighted their importance in many functions such as neurotransmission, metabolite and electrolyte homeostasis, cell signaling, inflammation, and synapse modulation. Astrocytes are, in fact, part of a bidirectional crosstalk with neurons. Moreover, increasing evidence is stressing the emerging role of astrocyte dysfunction in the pathophysiology of neurological disorders, including neurodegenerative disease, stroke, epilepsy, migraine, and neuroinflammatory diseases