La regolazione del metabolismo in un modello in vitro di astrocity corticali: un meccanismo Ca2+-dipendente o Ca2+-independente?

Astrocytes are glial cells located in the central nervous system. They play several important roles, including synaptic signalling, neurotransmitter synthesis and recycling, control of nutrient uptake and neuronal survival. Calcium homeostasis is essential for astrocytes functions and for the correct bidirectional communication between astrocytes and neurons. Astrocytes are functionally compartmentalized, and calcium oscillations can occur in specific local microdomains. A change in astrocytic calcium microdomain activity influences the regulation of gliotransmitter release, a first crucial step in neuron to astrocytes signalling. In this context, mitochondria could play a pivotal role in shaping calcium waves and regulating cellular metabolism, at least in principle. However, the genuine contribution of mitochondrial calcium to astrocytes physiology is poorly investigated. Here, we study a possible link between mitochondrial calcium and metabolism. Our results show that star-shaped astrocytes represent a reasonable in vitro model for studying Ca2+ signalling and metabolic pathways. In our culture condition, astrocytes are metabolically flexible, being able to oxidize carbohydrates, fatty acids and amino acids. Thus, this supports the central role played by astrocytes in satisfying the brain energy demands. Indeed, in terms of Ca2+ signalling, ATP and glutamate cause similar cytosolic Ca2+ mobilization, but only ATP stimulates a consintent rise in [Ca2+] in mitochondrial matrix. Moreover, these stimuli are decoded differently at metabolic level. On the one hand, cellular stimulation with ATP selectively increases cytosolic glycolytic metabolism. On the other hand, cellular stimulation with glutamate boosts mitochondrial respiration, even in the absence of substantial mitochondrial Ca2+ uptake. To investigate the mechanisms underlying this different metabolic coupling, we evaluated the contribution of the glutamate transporters GLT-1 and GLAST, and showed that their pharmacological inhibition partially prevents the increase in mitochondrial respiration, but with limited impact on calcium dynamics. To further dissect the contribution of mitochondrial Ca2+ uptake to astrocytic metabolism, we devised two different strategies, one based on the pharmacological inhibition of the MCU (Mitochondrial Calcium Uniporter) complex, and the other based on the use of a mouse model carrying the monoallelic deletion of Mcu gene. Experiments performed in cortical astrocytes from Mcu+/- mice showed, as expected, lower mitochondrial calcium transients, but without major alterations in oxidative metabolism, suggesting a marginal role for matrix calcium elevations in this context. Overall, our results suggest that the astrocytes are cells with a complex and flexible metabolic profile. However, cellular and mitochondrial calcium dynamics play a minor role in this regulation, at least in our experimental settings.

Gli astrociti, principali cellule gliali del sistema nervoso centrale, sono coinvolti in diverse funzioni cerebrali tra cui trasmissione sinaptica, sintesi e riciclo di neurotrasmettitori, controllo dell’assorbimento di nutrienti e sopravvivenza neuronale. L’omeostasi del calcio è essenziale per le funzioni degli astrociti e per una corretta comunicazione bidirezionale tra astrociti e neuroni. Le diverse funzioni degli astrociti sono confinate in determinati compartimenti a livello cellulare, in particolare le oscillazioni di calcio possono avvenire in specifici microdomini. Un cambiamento dei transienti di calcio nei microdomini influenza la regolazione del rilascio di gliotrasmettitori che è alla base della comunicazione tra astrociti e neuroni. In questo contesto, i mitocondri giocano un ruolo cruciale nella modulazione dei segnali calcio e nella regolazione del metabolismo. Tuttavia, non è stato ancora completamente chiarito il ruolo svolto dal calcio mitocondriale nella fisiologia gliale. L’obiettivo finale di questo progetto è stato quello di studiare una possibile relazione tra calcio mitocondriale e metabolismo. I nostri risultati mostrano che gli astrociti radiali rappresentano un buon modello in vitro per studiare il ruolo del calcio e i segnali metabolici. In questa condizione, gli astrociti sono metabolicamente flessibili, poiché sono in grado di ossidare carboidrati, acidi grassi e amminoacidi. Questo risultato supporta il ruolo centrale degli astrociti nel soddisfare le richieste energetiche neuronali. Infatti, dal punto di vista del segnale calcio, ATP e glutammato generano simili mobilizzazioni di calcio a livello citosolico, tuttavia solo l’ATP causa un percettibile incremento nelle concentrazioni di calcio a livello della matrice mitocondriale. Inoltre, questi stimoli sono codificati in maniera diversa a livello metabolico. Da una parte, la stimolazione cellulare indotta dall’ATP incrementa il metabolismo glicolitico a livello citosolico. D’altra parte, la stimolazione cellulare dovuta al glutammato sostiene la respirazione mitocondriale, anche in assenza di un accumulo di calcio mitocondriale. Per studiare i meccanismi che sono alla base di questo diverso accoppiamento metabolico, abbiamo valutato il contributo dei trasportatori del glutammato GLT-1 e GLAST. In particolare, abbiamo dimostrato che la loro inibizione farmacologica previene parzialmente l’incremento della respirazione mitocondriale, ma influenzando solo limitatamente le dinamiche del calcio. Per analizzare ulteriormente il contributo del calcio mitocondriale sul metabolismo, abbiamo utilizzato due diverse strategie: una basata sull’ inibizione farmacologica del complesso MCU (Uniporto Mitocondriale del Calcio), e l’altra sull’utilizzo di un modello animale caratterizzato della delezione mono-allelica di Mcu. Esperimenti eseguiti in astrociti corticali isolati da topi Mcu+/- hanno mostrato, come atteso, un decremento nell’accumulo di calcio mitocondriale, ma senza causare alterazioni significative nel metabolismo ossidativo, suggerendo che l’aumento di calcio nella matrice mitocondriale giochi un ruolo marginale in questo contesto. In conclusione, i nostri risultati indicano che gli astrociti sono cellule con un profilo metabolico complesso e flessibile. Tuttavia, le dinamiche di calcio citosolico e mitocondriale svolgono una funzione secondaria in questa regolazione, almeno nelle nostre condizioni sperimentali.