Modulation of gene expression by chronic stress in astroglia in hippocampus and prefrontal cortex of the rat

Abstract

Es gibt Hinweise auf kausale Zusammenhänge zwischen Veränderungen der Glia im Gehirn und Depressionen. Um zu untersuchen ob depressionsähnliche Zustände Veränderungen in den Astrozyten induzieren, haben wir die Modulation in der Expression von Astroglia-spezifischen Genen im Hippocampus von männlichen Ratten in 2 Modellen von chronischem Stress, chronischem sozialem Stress (tägliche Konfrontation mit einem dominanten Männchen über 5 Wochen) und chronischem Restraint Stress (Immobilisation für 6 Stunden/Tag für 3 Wochen) analysiert. In den Versuchen mit sozialem Stress wurde darüber hinaus der Einfluss von chronischer Citalopram-Gabe auf die Genexpression im Hippocampus und im präfrontalen Kortex (PFC) untersucht. Die Expression von 6 astroglialen Genen wurde ermittelt: N-myc-downregulated Gene 2 (Ndrg2), Saures Gliafaserprotein (GFAP), Glutamat-Transporter 1 (GLT-1), Glutamat und Aspartat-Transporter (GLAST), Aquaporin 4 (AQP4) und der einwärts-gleichrichtende Kalium-Kanal 4.1 (Kir 4.1). Außerdem wurden Proteinanalysen im Hippocampus mit quantitativen Western Blots durchgeführt. Da bislang noch kein valides Referenz-Gen für den PFC in Versuchen mit chronischem sozialem Stress bekannt ist, mussten zunächst mehrere häufig verwendeten Referenzgene auf ihre Expressionsstabilität in dieser Gehirnregion getestet werden. Um hemisphärische Effekte zu ermitteln, wurden die rechte und die linke Hemisphäre getrennt untersucht. Die Ergebnisse der astroglialen Genexpression nach chronischem Stress suggeriert eine unterschiedliche Regulation in Abhängigkeit vom verwendeten Stressprotokoll. Chronischer Restraint-Stress verändert die Expression von astroglialen Genen die einen direkten Einfluss auf die neuronale Aktivität haben: GLT-1 spielt eine wichtige Rolle in der Glutamat-Clearance aus dem synaptischen Spalt und Kir4.1 ist notwendig um K+-Konzentrationen im Interstitialraum niedrig zu halten. Die Hochregulation von GLT-1 auf mRNA-Ebene und die Runterregulation von Kir4.1 auf Proteinebene weist auf eine veränderte Glutamat- und Kalium-Ionen-Homöostase nach chronischem Restraint-Stress hin. Auch chronischer sozialer Stress löst tiefgehende Veränderungen bei Astroglia aus. GFAP wird herunterreguliert, was möglicherweise auf die Anwesenheit von ruhenden Astrozyten hinweist. Ob dies ein pathologischer Prozess oder ein adaptiver Mechanismus ist, der das System vor einer überschießenden Reaktion schützt, ist noch nicht geklärt. Chronischer sozialer Stress führt auch zu einer Hochregulierung der NDRG2-Expression, die nicht auf Veränderungen in der Astrozytenzahl, sondern auf eine Veränderung in der Menge von NDRG2 die pro Zelle exprimiert wird, beruht. Dies hat möglicherweise einen Einfluss auf die Zellproliferation. Im Gegensatz zu vorhergehenden Ergebnissen im dorsalen Raphekern, wurden die beobachteten Veränderungen in der Genexpression im Hippocampus nach chronischem sozialen Stress nicht durch eine 4-wöchige Behandlung mit Citalopram aufgehoben. Jedoch hebt Citalopram die stress-induzierten Veränderungen von 2 Genen in der Hippocampus-Formation auf. Es handelt sich dabei um das synaptosomal assoziiertes Protein 25 (SNAP-25) und Syntaxin-1A. Beide Gene spielen bei der synaptischen Transmission eine Rolle. Zusammengenommen weisen diese Ergebnisse möglicherweise darauf hin, dass der therapeutische Effekt von Citalopram von der Gehirnregion und der spezifischen neurochemischen Umgebung sowie den Eigenschaften der Zielzellen abhängt. Außerdem scheint die Normalisierung der astroglialen Genexpression keine Grundvoraussetzung für die therapeutische Wirkung von Citalopram zu sein. Diese Ergebnisse stimmen mit der Hypothese überein, dass eine chronische antidepressive Behandlung die Plastizität von Gehirnzellen stimuliert; Gliaveränderungen zeigen dabei möglicherweise einen anderen zeitlichen Verlauf im Vergleich mit neuronalen Veränderungen. In Bezug auf die Quantifizierung der Genexpression im PFC ist es nicht möglich klare Schlüsse zu ziehen, da zahlreiche mutmaßliche Referenzgene, zumindest im linken PFC, ebenfalls durch den chronischen Stress beeinflusst waren. Dennoch zeigte die Analyse der Stabilität der Referenzgene, dass Cyclophilin im rechten PFC stabil exprimiert wurde. Des Weiteren wurden Astrozytenkulturen generiert um Einsicht in die mögliche Rolle von NDRG-2 zu gewinnen. Da NDRG-2 zuvor mit Zellproliferation und der Stabilisierung der Zellmorphologie in Verbindung gebracht wurde, wurden die Astrozytenkulturen mit AAV-Vektoren, die zwei Isoformen von NDRG2 (Ndrg2S and Ndrg2L) exprimieren, transduziert. Als Kontrollen wurden EGFP-transduzierte und Puffer-behandelte Kulturen verwendet. Anschließend wurden an den Astrozyten morphologische Messungen, Proliferationsstudien und Genexpressionsanalysen durchgeführt. Die EGFP-transduzierten Kulturen weisen Unterschiede bezüglich der morphologischen Parameter und der Proliferation auf, dies legt nahe, dass diese Kulturen keine geeignete Kontrolle für die Transduktion darstellen. Daher war es nicht möglich festzustellen, ob die Veränderungen in der Zellproliferation, die nach NDRG2 Transduktion beobachtet wurden, in Beziehung zur NDRG2 Expression oder mit dem Transduktions-Protokoll per se stehen. Es wurden keine signifikanten Veränderungen in den gemessenen morphologischen Parametern festgestellt, die GFAP-Quantifizierung zeigte keine signifikanten Alterationen nach NDRG2 Transduktion und es lag eine hohe Variabilität der Ergebnisse aus verschiedenen Versuchen vor.