Adaptive regulation of calcium excitability and energy metabolism by CREB-dependent transcription in astrocytes: study of the mechanisms governing astrocyte plasticity

Abstract

Cada cop més evidencies suggereixen que els astròcits participen en les altes funcions cerebrals, controlant des de la transmissió sinàptica fins a les ones cerebrals globals i els processos d’aprenentatge i memòria. Diferents mecanismes han sigut proposats com a responsables d’aquests processos mediats per astròcits, entre ells, l’alliberació de gliotransmissors a partir de les senyals de calci així com la de lactat semblen els principals efectors. L’existència d’aquest control de les funcions cerebrals per part dels astròcits suggereix que aquestes cèl·lules poden regular les funcions cerebrals en resposta a experiència tan com les neurones, constituint el fenomen de plasticitat astrocitària. En neurones s’ha demostrat que el conegut factor de transcripció CREB, coordina les plasticitats sinàptica i intrínseca. El fet que, en astròcits, l’activació de CREB també està regulada per activitat cerebral, situa aquest factor de transcripció com a la diana ideal per promoure canvis dependents d’activitat en astròcits. En aquesta tesi hem analitzat l’efecte de l’activació de la transcripció depenent de CREB en astròcits, centrant-nos en l’excitabilitat del calci i en el metabolisme d’aquestes cèl·lules. Hem demostrat que l’activació de la transcripció depenent de CREB redueix les senyals citosòliques de calci a través del mitocondri a la vegada que augmenta l’alliberació de lactat, dos canvis que poden tenir impacte en la transmissió sinàptica. Una altra contribució important d’aquest estudi es l’anàlisi molecular dels mitocondris dels astròcits, que ha revelat que aquestes cèl·lules poden utilitzar metabòlits que no són glucosa, com ara àcids grassos, per respondre a les necessitats metabòliques energètiques. Els nostres resultats estableixen el CREB en astròcits con un eix de la plasticitat astrocitària i revelen la interacció entre la plasticitat i el metabolisme energètic en astròcits. Aquests descobriments constitueixen un avenç mecanístic i conceptual en el coneixement de la biologia dels astròcits i com aquestes cèl·lules poden controlar l’aprenentatge i la memòria.

An increasing body of evidence suggests that astrocytes participate in higher-brain functions, controlling from synaptic transmission to global brain waves and learning and memory processes. Different mechanisms have been proposed to mediate these astrocyte-dependent processes, astrocytic lactate release and calcium-dependent gliotransmission being the main known effectors. The existence of control of brain functions by astrocytes suggests that astrocytes may shape brain functions in response to experience as much as neurons, thus constituting the phenomenon of astrocyte plasticity. In neurons, the transcription factor CREB is the best known coordinator of synaptic and intrinsic plasticity. The fact that, in astrocytes, CREB activation is also activity-dependent, positions CREB as an ideal target to promote plasticity-related changes in astrocytes, too. In this thesis, we have analyzed the effect of the activation of CREB-dependent transcription in astrocytes, specifically regarding calcium signals and metabolism. We have demonstrated that activation of CREB-dependent transcription reduces cytosolic calcium events via mitochondria and increases in lactate release, which may have impact on synaptic transmission. An important contribution of the study is the molecular analysis of astrocytic mitochondria, which has revealed that astrocytes may use fuels other than glucose such as fatty acids to meet basic energy metabolic demands. Taken together, our results establish astrocytic CREB as a hub in astrocyte-plasticity and shed light on the interplay between plasticity and energy metabolism in astrocytes; these findings constitute a conceptual and mechanistic advance in the knowledge of astrocytic biology and how these cells may control learning and memory.