RU 126, Subproject: Cellular mechanisms in the pull principle

Nach dem „Energy on demand“-Konzept decken Neurone ihren Energiebedarf durch die bevorzugte Aufnahme von Laktat, welches von Astrozyten bedarfsabhängig zur Verfügung gestellt wird. Die zellulären Mechanismen, welche die erhöhte glykolytische Kapazität der Astrozyten regulieren, sind ungeklärt. Wir hypothetisieren, dass Hypoxie-induzierbare Faktoren 194 (HIFs), von denen drei Subtypen (HIF-1, HIF-2 und HIF-3) bekannt sind, hierbei eine Schlüsselrolle spielen. HIF-1 steigert als selektiver Transkriptionsfaktor die Produktion von Laktat durch Induktion glykolytischer Enzyme und erhöht die Verfügbarkeit von Pyruvat zur Laktat-Bildung durch indirekte Hemmung der Pyruvatdehydrogenase. Außerdem wird die Aufnahme von Glukose und die Freisetzung von Laktat durch Induktion spezifischer Glukoseund Laktat-Transporter gesteigert. Um eine mögliche Rolle des HIF-Systems bei der zentralnervösen Regulation des Glukose-Metabolismus zu untersuchen, wollen wir die folgenden Fragen bearbeiten: 1.) Sind HIFs und HIF-Zielgene in Neuronen und Astrozyten unterschiedlich exprimiert und wie wird diese Expression reguliert? 2.) Welche Rolle spielen HIFs für die differentielle Aktivierung glykolytischer Enzyme in Neuronen und Astrozyten? Dazu soll die Expression und Regulation von HIF und HIF-Zielgenen im Gehirn gesunder bzw. adipöser und/oder diabetischer Ratten sowie in Primärkulturen von Neuronen und Astrozyten untersucht werden. Durch molekularbiologische Interventionen sollen die Expression gezielt manipuliert und zelluläre Konsequenzen analysiert werden. Diese Studien könnten molekulare Mechanismen, die dem „Pull-Prinzip zugrunde liegen, aufzeigen und Aufschluss über mögliche Störungen bei Adipositas/Diabetes geben.

Im Projekt B7 sollte die Rolle und Regulation des Transkriptionsfaktors HIF-1α für den astrozytären Glukosestoffwechsel und die differentielle Aktivierung glykolytischer Enzyme in Neuronen und Astrozyten untersucht werden. Es wurde postuliert, dass die Aktivierung von HIF-1α in Astrozyten zu einer erhöhten Glukoseaufnahme und Abgabe von Laktat („pull principle”) führt. Nach der Etablierung der Astrozytenkulturen in Lübeck in Zusammenarbeit mit Luc Pellerin in Lausanne (Projekt B1) konnten wir zeigen, dass 1) der Glukosetransporter Glut1, der Laktattransporter MCT4 und verschiedene glykolytische Enzyme in Astrozyten und Neuronen differentiell exprimiert werden, 2) diese Expression durch exogenes Stickstoffmonoxid (NO) hoch reguliert wird, 3) NO HIF-1α in Astrozyten nicht aber in Neuronen stabilisiert und dass 4) die Stabilisierung von HIF-1α für die Induktion von Glut1, MCT4 und verschiedenen glykolytischen Enzymen in Astrozyten verantwortlich ist und in diesen die Laktat-Produktion und -Freisetzung stimuliert. Die Aktivierung von HIF-1α in Astrozyten durch NO erfolgte dabei unabhängig von einer Aktivierung des klassischen über die lösliche Guanylylcyclase vermittelten Signalweges, aber war abhängig vom Phosphoinositid-3-Kinase/AKT/mTOR- und MAP-Kinase-Signalweg. Zudem konnten wir in einen Ko-Kultursystem nachweisen, dass endogenes aus Endothelzellen freigesetztes NO ebenfalls die oben aufgeführte astrozytäre HIF-1α Aktivierung und Expression der Zielgene induzieren kann. In einem zweiten Versuchsabschnitt wurden Mäuse mit einem astrozytenspezischen HIF-1α knock-out generiert. Eine in diesen Tieren möglicherweise gestörte Energieversorgung von Neuronen könnte eine diabetische Stoffwechsellage und die Entwicklung von Adipositas begünstigen. In einer ersten Versuchsserie konnte allerdings kein Unterschied in der Gewichtsentwicklung, dem Blutzucker und der Nahrungsaufnahme in astrozytenspezifischen HIF-1α knock-out Mäusen beobachtet werden. Möglicherweise ist hier eine deutlich längere Haltung der Mäuse unter hochkalorischer Diät notwendig. Der Effekt von NO auf den astrozytären Glukosestoffwechsel und die Rolle von HIF-1α in Astrozyten wurde außerdem in Zusammenarbeit mit anderen Arbeiten der KFO 126 untersucht. Eine weitere Kollaboration im Rahmen dieses Projektes ergab sich hinsichtlich der Aktivierung von HIF-1α.