Expression of the electrogenic Na+/HCO3 -cotransporter (NBCe1) and the vacuolar H+ -ATPase (V-ATPase) pump in acute hippocampal slices of the mouse under respiratory challenge conditions
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Media type:
E-Book;
Thesis
Title:
Expression of the electrogenic Na+/HCO3 -cotransporter (NBCe1) and the vacuolar H+ -ATPase (V-ATPase) pump in acute hippocampal slices of the mouse under respiratory challenge conditions
University thesis:
Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau, 2022
Footnote:
Description:
Meaningful neural activity is tightly tied to exact biochemical conditions in the brain. Acid-base homeostasis plays a key role in the excitability and functioning of neurons and glial cells under physiological conditions. Several buffer systems contribute to a biological plausible pH range which is strictly regulated by complementary mechanisms, including membrane transporters. Some of the most important, comprise the electrogenic Na+/HCO3- co-transporter (NBCe1) and the vacuolar-type proton (V-ATPase) pump. The role of these proteins in regulating pH in the brain in physiological and, particularly, under pathophysiological conditions has not been fully clarified. The aim of this study has been to elucidate how neural cells respond to respiratory-induced pH changes and compare their dynamics with known metabolic- or activity-induced phenomena of these transporters. The biological significance of the regulation of these two transporters in pathophysiological conditions is also discussed. To address these questions, hippocampal slices of the mouse were investigated using established hypercapnia and hypoxia in vitro models in a time-series. Oxygen-glucose deprivation (OGD) and hypoglycemia conditions were also used. In this experimental setup I was able to show that hypercapnia downregulates NBCe1 at 45'. In the hypoxic conditions a downregulation of NBCe1 was evidenced slightly earlier, at 30'. In OGD conditions I could only witness a downregulation of V-ATPase B1 subunit at 30'. The most complex regulation was observed in the hypoglycemic conditions, namely an upregulation of NBCe1 at 15' with a concomitant downregulation of V-ATPase A subunit at 15' and of V-ATPase E subunit at 30'. In all other conditions and time points, no up- or downregulation could be safely concluded. The results clearly showed a change in abundance of the aforementioned proteins in acute hippocampal slices of the mouse under conditions of respiratory challenge and bioenergetic failure. The advantages and disadvantages of this experimental approach were compared with alternative methods. ; Eine sinnvolle neuronale Aktivität ist eng mit genauen biochemischen Bedingungen im Gehirn verbunden. Die Säure-Base-Homöostase spielt eine Schlüsselrolle bei der Erregbarkeit und Funktion von Neuronen und Gliazellen unter physiologischen Bedingungen. Mehrere Puffersysteme tragen zu einem biologisch plausiblen pH-Bereich bei, der durch komplementäre Mechanismen, einschließlich Membrantransporter, streng reguliert wird. Zu den wichtigsten zählen der elektrogene Na+/ HCO3-Co-Transporter (NBCe1) und die Vakuolartyp-Protonenpumpe (V-ATPase). Die Rolle dieser Proteine bei der pH-Regulierung des Gehirns unter physiologischen und insbesondere pathophysiologischen Bedingungen wurde nicht vollständig geklärt. Ziel dieser Studie war es herauszufinden, wie neuronale Zellen auf respiratorisch induzierte pH-Änderungen reagieren, und ihre Dynamik mit bekannten metabolischen oder aktivitätsinduzierten Phänomenen dieser Transporter zu vergleichen. Die biologische Bedeutung der Regulation dieser beiden Transporter unter pathophysiologischen Bedingungen wird ebenfalls diskutiert. Um diese Fragen zu beantworten, wurden Hippocampusschnitte der Maus unter Verwendung etablierter in-vitro-Modelle für Hyperkapnie und Hypoxie in einer Zeitreihe untersucht. Sauerstoff-Glukose-Entzug (OGD) und Hypoglykämie-Bedingungen wurden ebenfalls benutzt. In diesem Versuchsaufbau konnte ich zeigen, dass Hyperkapnie NBCe1 bei 45' herunterreguliert. Unter hypoxischen Bedingungen wurde eine Herunterregulation von NBCe1 etwas früher, bei 30', nachgewiesen. Unter OGD-Bedingungen konnte ich nur eine Herunterregulation der V-ATPase B1-Untereinheit bei 30' beobachten. Die komplexeste Regulation wurde unter hypoglykämischen Bedingungen beobachtet, nämlich eine Hochregulation von NBCe1 bei 15' mit einer gleichzeitigen Herunterregulation der V-ATPase A-Untereinheit bei 15' und der V-ATPase E-Untereinheit bei 30'. Unter allen anderen Bedingungen und Zeitpunkten konnte keine Hoch- oder Herunterregulierung sicher geschlossen werden. Die Ergebnisse zeigten eindeutig eine Veränderung der Häufigkeit der oben genannten Proteine in akuten Hippocampusschnitten der Maus unter Bedingungen einer respiratorischen Herausforderung und eines bioenergetischen Versagens. Die Vor- und Nachteile dieses experimentellen Ansatzes wurden mit alternativen Methoden verglichen.