Cross-talk between glutamate and potassium regulation at the astrocyte membrane

Astrocytes play a central role in the brain by regulating glutamate and extracellular potassium concentrations ([K+]0), both released by neurons into the extracellular space during neuronal activity. Glutamate uptake is driven by the inwardly directed sodium gradient across the astrocyte membrane and involves the influx of three sodium ions and one proton and the efflux of one K+ ion per glutamate molecule. The glutamate transport induced rise in intracellular sodium stimulates the Na+/K+-ATPase which leads to significant energetic costs in astrocytes. To evaluate how these two fundamental functions of astrocytes, namely glutamate transport and K+ buffering, which are directly associated with neuronal activity, coexist and if they influence each other, in this thesis work we examined different cellular parameters of astrocytes. We therefore investigated the impact of altered [K+]0 on glutamate transporter activity. To assess this question we measured intracellular sodium fluctuations in mouse primary cultured astrocytes using dynamic fluorescence imaging. We found that glutamate uptake was tightly modulated both in amplitude and kinetics by [K+]0. Elevated [K+]0 strongly decreased glutamate transporter activity, with significant consequences on the cells energy metabolism. To ultimately evaluate potential effects of [K+]0 and glutamate on the astrocyte mitochondrial energy production we extended these studies by investigating their impact on the cytosolic and mitochondrial pH. We found that both [K+],, and glutamate strongly influenced cytosolic and mitochondrial pH, but in opposite directions. The effect of a simultaneous application of K+ and glutamate, however, did not fit with the arithmetical sum of each individual effects, suggesting that an additional non¬linear process is involved. We also investigated the impact of [K+]0 and glutamate transport, respectively, on intracellular potassium concentrations ([K+]0 in cultured astrocytes by characterizing and applying a newly developed Insensitive fluorescent dye. We observed that [K+]i followed [K+]0 changes in a nearly proportional way and that glutamate superfusion caused a reversible, glutamate-concentration dependent drop of [K+],, Our study shows the powerful influence of [K+]u on glutamate capture. These findings have strong implications for our understanding of the tightly regulated interplay between astrocytes and neurons in situations where [K+]0 undergoes large activity-dependent fluctuations. However, depending on the extent of K+ versus glutamate extracellular rise, energy metabolism in astrocytes will be differently regulated. Moreover, the novel insights obtained during this thesis work help understanding some of the underlying processes that prevail in certain pathologies of central nervous system, such as epilepsy and stroke. These results will possibly provide a basis for the development of novel therapeutic strategies. -- Les astrocytes jouent un rôle central dans le cerveau en régulant les concentrations de potassium (K+) et de glutamate, qui sont relâchés par les neurones dans l'espace extracellulaire lorsque ceux- ci sont actifs. La capture par les astrocytes du glutamate est un processus secondairement actif qui implique l'influx d'ions sodium (Na+) et d'un proton, ainsi que l'efflux d'ions K+, ce processus entraîne un coût métabolique important. Nous avons évalué comment ces fonctions fondamentales des astrocytes, la régulation du glutamate et du K+ extracellulaire, qui sont directement associés à l'activité neuronale, coexistent et si elles interagissent, en examinant différents paramètres cellulaires. Dans ce projet de thèse nous avons évalué l'impact des modifications de la concentration de potassium extracellulaire ([K+],,) sur le transport du glutamate. Nous avons mesuré le transport du glutamate par le biais des fluctuations internes de Na+ grâce à un colorant fluorescent en utilisant de l'imagerie à fluorescence dynamique sur des cultures primaires d'astrocytes. Nous avons trouvé que la capture du glutamate était étroitement régulée par [K+]0 aussi bien dans son amplitude que dans sa cinétique. Par la suite, nous avons porté notre attention sur l'impact de [K+]0 et du glutamate sur le pH cytosolique et mitochondrial de l'astrocyte dans le but, in fine, d'évaluer les effets potentiels sur la production d'énergie par la mitochondrie. Nous avons trouvé qu'autant le K+ que le glutamate, de manière individuelle, influençaient fortement le pH, cependant dans des directions opposées. Leurs effets individuels, ne peuvent toutefois pas être additionnés ce qui suggère qu'un processus additionnel non-linéaire est impliqué. En appliquant une nouvelle approche pour suivre et quantifier la concentration intracellulaire de potassium ([K+]0 par imagerie à fluorescence, nous avons observé que [K+]i suivait les changements de [K+]0 de manière quasiment proportionnelle et que la superfusion de glutamate induisait un décroissement rapide et réversible de [K+]i, qui dépend de la concentration de glutamate. Notre étude démontre l'influence de [K+]0 sur la capture du glutamate. Ces résultats permettent d'améliorer notre compréhension de l'interaction entre astrocytes et neurones dans des situations où [K+]0 fluctue en fonction de l'activité neuronale. Cependant, en fonction de l'importance de l'augmentation extracellulaire du K+ versus le glutamate, le métabolisme énergétique des astrocytes va être régulé de manière différente. De plus, les informations nouvelles que nous avons obtenues durant ce travail de thèse nous aident à comprendre quelques- uns des processus sous-jacents qui prévalent dans certaines pathologies du système nerveux central, comme par exemple l'épilepsie ou l'accident vasculaire cérébral. Ces informations pourront être importantes à intégrer dans la cadre du développement de nouvelles stratégies thérapeutiques