Stiftung Tierärztliche Hochschule Hannover (TiHo)

Serotonergic Signaling and Impact of small GTPases in Astrocytes

Müller, Franziska E.

Serotonergic Signaling and Impact of small GTPases in Astrocytes Franziska Müller Astrocytes are highly versatile glial cells and an important component of the brain network. Their complex morphology is a key hallmark and supposed to be crucial for executing their various functions. Within the present study, we summarized how small GTPases of the Rho family regulate astrocyte morphology, and compared different methods that aim to determine Rho GTPase activity with high temporal and spatial resolution in living astrocytes. We used several of these approaches to show that the small GTPase RhoA is activated by serotonin receptor 4 (5-HT4R), whose expression we observed in astrocytes in vitro and in vivo. Activation of RhoA through stimulation of 5-HT4R led to increased filamentous actin structures and reduced morphological complexity of astrocytes. A closer look on the heterotrimeric G proteins Gα13 and GαS, known to couple to 5-HT4R, revealed a high basal activity of 5-HT4R via Gα13 signaling. Since astrocytes closely interact with neurons, we investigated the impact of astrocytic 5-HT4R signaling on neuronal properties and found a regulatory role of excitatory synaptic circuits in vitro and in situ. We further aimed to examine the involvement of fluctuations in intracellular calcium concentrations [Ca2+], which are a unique feature and supposedly one of the central ways of signaling in astrocytes. To this end, we developed a novel approach to detect and quantify astrocytic Ca2+ events based on multi-threshold calculations. Moreover, we uncovered a temperature dependence of Ca2+ characteristics and successfully applied our analysis to various kinds of data acquired in vitro, in situ and in vivo. This novel quantitative approach opens unforeseen opportunities for detailed investigation of the relationship between astrocyte morphology and Ca2+ signaling.

Serotonerge Signalwege und Einfluss von kleinen GTPasen in Astrozyten Franziska Müller Astrozyten sind vielseitige Gliazellen und ein wichtiger Bestandteil des Hirnnetzwerks. Ihre komplexe Morphologie ist ein Schlüsselmerkmal und vermutlich für die Ausführung ihrer verschiedenen Funktionen von entscheidender Bedeutung. In der vorliegenden Arbeit haben wir zusammengefasst, wie kleine GTPasen der Rho-Familie die Astrozytenmorphologie regulieren, und verschiedene Methoden verglichen, mit denen die Rho-GTPase-Aktivität mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung in lebenden Astrozyten bestimmt werden kann. Durch Anwendung mehrerer dieser Ansätze konnten wir zeigen, dass die kleine GTPase RhoA durch den Serotoninrezeptor 4 (5-HT4R) aktiviert wird, dessen Expression in Astrozyten in vitro und in vivo bestätigt werden konnte. Die Aktivierung von RhoA durch Stimulation von 5-HT4R führte zu einem erhöhten Anteil von filamentösen Aktinstrukturen und einer Verringerung der morphologischen Komplexität von Astrozyten. Ein genauerer Blick auf die heterotrimeren G Proteine Gα13 und GαS, von denen bekannt ist, dass sie an 5-HT4R koppeln, zeigte eine hohe basale Aktivität von 5-HT4R über den Gα13-Signalweg. Da Astrozyten in enger Wechselwirkung mit Neuronen stehen, wurde der Einfluss von astrozytären 5-HT4R-Signalen auf die neuronalen Eigenschaften untersucht und eine regulatorische Rolle für das exzitatorische synaptische Netzwerk sowohl in vitro und in situ nachgewiesen. Ferner sollte die Beteiligung von Fluktuationen der intrazellulären Calciumkonzentrationen [Ca2+] untersucht werden, welche ein einzigartiges Merkmal und vermutlich eine der wichtigsten Arten der Signalübertragung in Astrozyten darstellen. Deshalb wurde ein neuartiger Ansatz entwickelt, um astrozytäre Ca2+-Events mit Hilfe von flexibel anwendbaren Schwellenwerten zu erfassen und zu quantifizieren. Hierbei wurde zudem eine Temperaturabhängigkeit der Ca2+-Eigenschaften aufgedeckt und die Analyse erfolgreich mit verschiedensten Daten validiert, die in vitro, in situ und in vivo gemessen wurden. Dieser neue quantitative Ansatz eröffnet bisher nicht dagewesene Möglichkeiten für detaillierte Untersuchungen, um den Zusammenhang zwischen Astrozytenmorphologie und Ca2+-Signalen zu charakterisieren.

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Müller, F.E., 2020. Serotonergic Signaling and Impact of small GTPases in Astrocytes. Hannover.
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