Expression von Aquaporin 4 und Aquaporin 9 in glialen und neuronalen Zellkulturen des Mesencephalons und des Striatums der Maus

Abstract

Hintergrund: Aquaporine (AQP) sind Wasserkanalproteine, welche eine bedeutende Rolle in der Homöostase- und Volumenregulation der Zelle spielen. Neben ausschließlich wasserpermeablen Aquaporinen wie AQP4 existieren auch Aquaglyceroporine wie AQP9, welche zusätzlich für einige Stoffwechselmetabolite (z.B. Laktat) permeabel sind. Im Zentralnervensystem werden hauptsächlich AQP4 und AQP9 exprimiert. Die Rolle dieser Aquaporine während der Entwicklung und Differenzierung bestimmter Hirngebiete ist bisher nur ansatzweise untersucht.

Ebenso ist über die Expression von AQP4 und AQP9 während der Entwicklung und Faktoren, die diese regulieren, wenig bekannt. Die Aquaporin-Expression könnte unter anderem durch die Entwicklungssignale Dopamin und Östrogen reguliert werden. Hinweise hierfür werden in dieser Arbeit anhand eines Zellkulturmodells aus mesencephalem und striatalem Gewebe der Maus zu unterschiedlichen Entwicklungsstadien (embryonal und postnatal) untersucht. Material und Methoden: Gliale und neuronale Zellkulturen des Mesencephalons und des Striatums der Maus wurden mit Dopamin oder Östrogen in An- bzw. Abwesenheit von Dopamin- bzw. Östrogen-spezifischen Rezeptorantagonisten behandelt. Die Analyse der AQP4- bzw. AQP9-Expression erfolgte per real-time-PCR (auf AQP-mRNA-Ebene) sowie per Western Blot und Immunzytochemie (auf AQP-Proteinebene).

Ergebnisse: Dopamin führte im Striatum zu einer Hochregulation von AQP9 in Neuronen und in Gliazellen, dagegen zu einer Herunterregulation von AQP4 in Gliazellen. In mesencephalen Gliazellkulturen führte die Dopaminbehandlung zur Hochregulation von AQP9 und zu einer Herunterregulation von AQP4. In Neuronen des Mesencephalons waren die Konzentrationen von AQP4 und AQP9 unterhalb der Nachweisgrenze. Bei Östrogenbehandlung striataler Zellen zeigte sich bei Neuronen- und Gliazellen eine Herunterregulation von AQP9, während AQP4 in Gliazellen hochreguliert wurde.

Diskussion: Dopamin und Östrogen modifizierten die AQP-Expression in striatalen und mesencephalen Zellkulturen. Diese Ergebnisse stützen unsere Hypothese, wonach die durch Östrogen stimulierte Zellproliferation während der Ontogenese möglicherweise die Expression von AQP4 erfordert, welche die im Verlauf von Zellteilungen auftretenden Volumenänderungen erleichtert. Das Differenzierungssignal Dopamin dagegen scheint die Expression von AQP9 und damit den Austausch von energiereichen Stoffwechselmetaboliten über die Zellmembran während der stoffwechselintensiven Phase der Zelldifferenzierung zu fördern. Bezüglich der Signaltransduktion der beobachteten dopaminergen Effekte scheinen neben D1- bzw. D2-Rezeptoren auch andere Rezeptoren (u.a. alpha2-Adrenozeptoren) bzw. Signaltransduktionswege eine Rolle zu spielen. Da frühzeitige Störungen glutamaterger und dopaminerger Transmittersysteme während der Ontogenese als Ursache einer späteren Erkrankung an Schizophrenie diskutiert werden, könnte man die Vermutung anstellen, dass auch eine dysfunktionale AQP-Expression während der Embryonalentwicklung ein Element dieser Pathogenese darstellen könnte.

Background: Aquaporins (AQP) are water channel proteins that play important roles in the regulation of water homeostasis and volume in cells. Besides aquaporins, which are permeable exclusively to water, like AQP4, there are also aquaglyceroporins, like AQP9, which are also permeable to some products of metabolism (e.g. lactate). AQP4 and AQP9 are the major aquaporins expressed in the central nervous system. The role of these aquaporins during development and differentiation of distinct brain regions have been explored only superficially. Little is known about the expression of AQP4 and AQP9 during development and factors that regulate this expression. The developmental signals dopamine and estrogen might regulate the expression of Aquaporins. This thesis explores the above hypothesis by using a cell culture model of mesencephalic and striatal mouse tissue in different stages of development (embryonal and postnatal).

Methods: Glial and neuronal cell cultures of the mouse mesencephalon and striatum were treated with dopamine and estrogen both in presence and absence of specific receptor antagonists. The AQP4 or AQP9 expression was measured by real-time PCR (AQP mRNA level) and western blot (AQP protein level).

Results: In the striatum, dopamine led to an upregulation of AQP9 in neurons and glial cells and downregulation of AQP4 in glial cells only. The treatment with dopamine in mesencephalic glial cultures led to upregulation of AQP9 and downregulation of AQP4. The concentration of AQP4 and AQP9 in mesencephalic neurons was below detection limit. The treatment of striatal cells with estrogen led to a downregulation of AQP9 in both neurons and glia. AQP4 was upregulated in glial cells only.

Conclusions: Dopamine and estrogen modified the expression of AQPs in striatal and mesencephal cell cultures. These results support our hypothesis that cell proliferation stimulated by estrogen during ontogenesis probably requires the expression of AQP4, which facilitates volume changes during cell division. As a differentiation-inducing signal, dopamine seems to support the expression of AQP9. This allows the exchange of energy-rich metabolites via cell membrane during. As to signal transduction of the dopaminergic effects, receptors other than D1- and D2 seem to play a role. Since the early disturbance of the glutamatergic and dopaminergic transmitter systems during ontogenesis is discussed in the pathogenesis of schizophrenia in the adult one might speculate that dysfunction of AQP expression in early development might play a role also.