Calcium signalling in the nervous system

Abstract

Calcium (Ca2+) is a main secondary messenger in nearly all eukaryotic cells, including those belonging to the central and peripheral nerve system. Free intracellular Ca2+ ([Ca2+]i) in resting cells is maintained at low concentrations (submicromolar range). In contrast, the Ca2+ concentration in the extracellular space and the endoplasmic lumen exceeds the 103 - 106 range. This results in a cytosolic - directed Ca2+ flow whenever a Ca2+ permeable ion channel opens on the plasma or endoplasmic membrane. These Ca2+ flows are often triggered by extracellular ligands like neurotropic factors (brain derived neurotrophic factor (BDNF), glial cell derived neurotrophic factor (GDNF)), neurotransmitters (glutamate, NMDA) or even adenosine 5’ - triphosphate (ATP). In some cases, a Ca2+ elevation occurs without apparent stimulation and are therefore denoted as ’spontaneous’ Ca2+ elevations. My doctoral work is focused on the regulation of cytosolic Ca2+ in cells belonging to the nerve system, with a particular interest in microglia, the immune cells of the nerve system. Like all other cells, microglia cells possess many receptors and Ca2+ channels in the plasma membrane, including receptors for classical neurotransmitters. Experiments in living animals revealed that microglia can display spontaneous cytosolic Ca2+ elevations. It was, however, unclear if these elevations were triggered by released neurotransmitters, extracellular ligands, intracellular or autocrine signalling. Therefore I performed Ca2+ imaging experiments with cultured microglia and detected spontaneous Ca2+ elevations in 50% of the isolated microglia cells in absence of neurons and other glial cells. Sequential experiments indicated that these elevations are regulated via phospholipase C (PLC), inositol 1,4,5-trisphosphate (IP3) and inositol 1,4,5-trisphosphate receptor (IP3R) on the endoplasmic membrane. Purinergic signalling was excluded as autocrine trigger of these events. In a second study, I showed that cultivated microglia lack functional NMDA receptors on the plasma membrane. In contrast to the in situ patch clamp experiments of S. Wendt, where NMDA triggered a plasma membrane current, a Ca2+ elevation after NMDA application remained absent in vitro. In the peripheral system, increased expression of neurotropic factors (ciliary neurotrophic factor (CNTF), BDNF, GDNF, vascular endothelial growth factor (VEGF), neurotrophin - 3 (NT - 3) and nerve growth factor (NGF)) could lead to an increased internal Ca2+ concentration due to the continuous stimulation of the PLC dependent signalling pathway(s). I investigated if long - term elevated Ca2+ concentration (20 weeks) could change proliferation and regeneration of nerve cells after damage. However, neurotropic factor overexpression did not improve motor or sensory recovery after sciatic nerve injury in rats.

Calcium (Ca2+) fungiert als wichtiger sekundärer Botenstoff in nahezu allen eucaryontischen Zelltypen inclusive Zellen des Nervensystems. Die freie, intracelluläre Ca2+ - Konzentration ([Ca2+]i) ruhender Zellen ist für gewöhnlich sehr niedrig (submikromolaren Bereich). Im Gegensatz dazu ist die extrazelluläre Ca2+ - Konzentration und die im Lumen des ER 103 bis 106 - fach höher, was dazu führt, dass es zu einem Ca2+ - Einstrom ins Cytosol kommt, wann immer sich Ca2+ - permeable Ionenkanäle in der Plasmamembran oder der Membran des ER öffnen. Cytosolische Ca2+ - Erhöhungen können von extrazellulären Liganden, wie etwa neurotropen Faktoren (z.B. BDNF, GDNF) und Neurotransmittern (Glutamat, NMDA) oder auch ATP hervorgerufen werden. In einigen Zelltypen treten jedoch auch transiente Erhöhungen von [Ca2+]i ohne offensichtliches Vorhandensein extrazellulärer Liganden auf und werden deshalb als ’spontan’ bezeichnet. Ich habe mich in meiner Doktorarbeit mit der Regulation von cytosolischen Ca2+ in Zellen des Nervensystems beschäftigt. Insbesondere habe ich mich Mikroglia gewidmet, den Immunzellen des Nervensystems. Mikroglia besitzen wie alle Zellen viele Rezeptoren und Ca2+ Kanäle in der Plasmamembran - und exprimieren auch Rezeptoren für klassische Neurotransmitter. Aus Studien an lebenden Mäusen war bereits bekannt, dass Mikroglia spontane cytosolische Ca2+ - Erhöhungen aufweisen. Nicht klar war jedoch, ob diese Ca2+ - Erhöhungen durch freigesetzte Neurotransmitter oder andere extrazelluläre Liganden hervorgerufen werden oder durch intrazelluläres oder autokrines Signalling von Microglia selbst. Daher führte ich Ca2+ - Imaging - Experimente an kultivierten Microglia durch, und auch hier - in Abwesenheit von Neuronen und anderen Gliazellen - zeigten 50% dieser isolierten Microglia spontane Ca2+ - Erhöhungen. In Folgeexperimenten konnte ich zeigen, dass diese Erhöhungen über PLC, IP3 und IP3R in der ER-Membran reguliert werden. Purinerges Signalling als autokrinen Trigger dieser spontanen Ca2+ -Erhebungen konnten hingegen ausgeschlossen werden. In einer weiteren Studie konnte ich zeigen, dass kultivierte Microglia keine funktionellen NMDA - Rezeptoren in der Plasmamembran exprimieren. Im Gegensatz zu parallelen Patch - Clamp - Experimenten von S.Wendt, in denen NMDA Ströme über die Plasmamembran evozierte, fand ich in vitro keinerlei Erhöhung des [Ca2+]i nach Applikation von NMDA. In peripheren Neuronen kann eine Exposition von neurotropen Faktoren (CNTF, BDNF, GDNF, VEGF, NT - 3 and NGF) Erh¨ohungen des [Ca2+]i durch Stimulation von PLC abhängigen Signalwegen verursachen. Ich habe untersucht, ob sich dies möglicherweise auf die Proliferation und die Regeneration von Nervenzellen nach einer Schädigung auswirkt. Eine langfristige Überexpression von neurotropen Faktoren (20 Wochen) verbesserte jedoch nicht die motorische oder sensorische Erholung nach Ischiasnervenschäden bei Ratten.