Functional characterization of neuron-NG2 cell synaptic transmission

Abstract

NG2 cells are nowadays considered as a fourth class of glial cells in the CNS. They express various types of voltage-gated ion channels and neurotransmitter receptors and exhibit the capability to proliferate and differentiate. Intriguingly, NG2 cells receive direct synaptic input from glutamatergic and GABAergic neurons throughout the CNS. However, the role of this synaptic innervation remains largely unknown. <br /> Within the framework of the present study three main aspects of the synaptic transmission between neurons and NG2 cells were investigated.<br /> (i) Functional characterization of GABA_A receptors in hippocampal NG2 cells.<br /> The fact that NG2 cells express functional GABA_A receptors has been known for a long time. However, the subunit composition and functional properties were less evident. The present study revealed that NG2 cells are endowed with a similar set of GABA_A receptor subunits as hippocampal neurons. Detailed analysis showed that in addition to synaptic GABA_A receptor currents, NG2 cells are able to sense ambient GABA via extrasynaptic receptors. In this context, it could be demonstrated that the γ2-subunit is selectively located in synaptic GABA_A receptors while being absent in extrasynaptic ones. Since the γ2-subunit is crucial for clustering of synaptic GABA_A receptors in neurons, it probably serves a similar role in NG2 cells.<br /> (ii) Analysis of the GABA_A receptor subunit expression pattern of neocortical NG2 cells during postnatal development.<br /> Neocortical NG2 cells experience a switch from synaptic to extrasynaptic GABAergic transmission during postnatal development. The present study revealed that this switch is accompanied by the downregulation of the γ2-subunit of GABA_A receptors. Together with the data summarized in (i), these findings suggest that the γ2-subunit is a pivotal component of synaptic GABA_A receptors in NG2 cells of different brain regions.<br /> (iii) Role of the NG2 protein in neuron-NG2 cell synaptic signaling. <br /> The NG2 protein exhibits structural similarities to the synaptic cell adhesion proteins neurexins. Furthermore, it is complexed with AMPA receptors via the synaptic protein GRIP. These findings suggested that the NG2 protein might serve as a synaptic cell adhesion protein at neuron-NG2 cells synapses and possibly influence AMPA receptor clustering in the glial postsynaptic density. To test this, synaptic transmission between hippocampal neurons and NG2 cells was investigated in juvenile and aged NG2 knockout animals. The findings revealed that AMPA receptor current kinetics and amplitudes as well as synaptic connectivity and short-term synaptic plasticity were unaltered in the absence of the NG2 protein. Based on these results it can be concluded that the NG2 protein is not necessary for synaptic communication between neurons and NG2 cells. However, further single-cell expression analysis demonstrated frequent expression of the postsynaptic cell adhesion proteins neuroligins in juvenile and aged NG2 cells. This finding indicates similar mechanisms of synaptic cell adhesion at neuron-NG2 cell synapses as known from neuron-neuron synapses.<br /> The results of the present study provide important new insights into the physiology of neuron-NG2 cell synapses. They may thus serve as a valuable basis for future studies aiming at elucidating the function of this unique type of neuron-glia communication.

<strong>Funktionelle Charakterisierung der synaptischen Transmission zwischen Neuronen und NG2 Zellen</strong><br /> NG2 Zellen werden heutzutage als vierter Glia-Zelltyp im ZNS angesehen. Sie exprimieren verschiedene spannungsgesteuerte Ionenkanäle und Neurotransmitter-Rezeptoren und besitzen die Fähigkeit zu proliferieren und differenzieren. Interessanterweise erhalten NG2 Zellen direkten synaptischen Input von glutamatergen und GABAergen Neuronen im gesamten ZNS. Die Rolle dieser synaptischen Innervation ist jedoch weitestgehend unbekannt. Im Rahmen der vorliegenden Studie wurden drei Hauptaspekte der synaptischen Transmission zwischen Neuronen und NG2 Zellen untersucht. <br /> (i) Funktionelle Charakterisierung von GABA_A-Rezeptoren in hippokampalen NG2 Zellen.<br /> Die Tatsache, dass NG2 Zellen funktionelle GABA_A-Rezeptoren exprimieren, ist seit langer Zeit bekannt. Die genaue Untereinheiten-Zusammensetzung und die funktionellen Eigenschaften wurden jedoch noch nicht bestimmt. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass NG2 Zellen eine ähnliche Ausstattung an GABA_A-Rezeptor Untereinheiten aufweisen wie hippokampale Neurone. Im Rahmen weitergehender Analysen stellte sich heraus, dass NG2 Zellen neben synaptischen GABA_A-Rezeptorströmen auch umgebendes GABA über extrasynaptische GABA_A-Rezeptoren wahrnehmen können. In diesem Zusammenhang konnte nachgewiesen werden, dass die γ2-Untereinheit bevorzugt in synaptischen GABA_A-Rezeptoren vorhanden ist, während sie in extrasynaptischen fehlt. In Neuronen ist die γ2-Untereinheit eine Voraussetzung für den dichten Zusammenhalt synaptischer GABA_A-Rezeptoren. Es ist daher anzunehmen, dass die γ2-Untereinheit diese Funktion auch in NG2 Zellen wahrnimmt.<br /> (ii) Analyse der GABA_A-Rezeptor Untereinheiten Expression von neokortikalen NG2 Zellen während der postnatalen Entwicklung.<br /> In neokortikalen NG2 Zellen findet während der postnatalen Entwicklung eine Umstellung von synaptischer auf extrasynaptische Transmission statt. Die vorliegende Studie konnte zeigen, dass diese Umstellung mit der Runterregulierung der γ2-Untereinheit einhergeht. Im Zusammenhang mit den unter Punkt (i) zusammengefassten Daten, deutet dies darauf hin, dass die γ2-Untereinheit eine entscheidende Komponente von synaptischen GABA_A-Rezeptoren in NG2 Zellen in verschiedenen Hirnregionen ist.<br /> (iii) Rolle des NG2 Proteins bei der synaptischen Signalübertragung zwischen Neuronen und NG2 Zellen.<br /> Das NG2 Protein besitzt strukturelle Ähnlichkeit zu den synaptischen Zelladhäsions-proteinen Neurexinen. Außerdem ist es durch Interaktion mit dem synaptischen Protein GRIP in einem Komplex mit AMPA-Rezeptoren zu finden. Diese Ergebnisse deuteten darauf hin, dass das NG2 Protein als synaptisches Zelladhäsionsprotein an Neuron-NG2 Zell Synapsen fungiert und möglicherweise die enge Zusammenlagerung von AMPA-Rezeptoren in der glialen postsynaptischen Membranregion beeinflusst. Um dies zu überprüfen, wurde die synaptische Transmission zwischen hippokampalen Neuronen und NG2 Zellen in jungen und gealterten NG2-Knockout Mäusen untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass AMPA-Rezeptor Kinetiken und Amplituden sowie synaptische Konnektivität und Kurzzeit-Plastizität in der Abwesenheit von NG2 unverändert sind. Diese Daten deuten darauf hin, dass das NG2 Protein für die synaptische Kommunikation zwischen Neuronen und NG2 Zellen nicht notwendig ist. Weiterführende Einzelzell-Expressionsanalysen zeigten hingegen die häufige Anwesenheit der postsynaptischen Zelladhäsionsproteine Neuroligine in jungen und gealterten NG2 Zellen. Dies könnte bedeuten, dass die synaptische Zelladhäsion an Neuron-NG2 Zell Synapsen ähnlich wie bei Neuron-Neuron Synapsen reguliert ist.<br /> Die Daten der vorliegenden Studie liefern neue Erkenntnisse über die Physiologie von Neuron-NG2 Zell-Synapsen. Sie stellen daher eine wertvolle Basis für zukünftige Studien dar, die die Funktion dieser besonderen Neuron-Glia Kommunikation aufdecken wollen.