Why Oligodendrocytes Keep Axons Alive, but Easily Die

Oligodendrocyttenes myelinisering av nervefibre er kritisk for at nervesignalene skal nå fram. Oligodendrocytter blir imidlertid lett ødelagt ved iskjemi og andre former for energimangel . Det er usikkert hvorfor oligodendrocyttene er spesielt sårbare, men cellenes energifabrikker, mitokondriene, er trolig involvert. I nervecellene møtes lokale energibehov ved at mitokondriene rekrutteres til aktive synapser som har behov for energi. Vi har studert lokalisering og mobilitet av mitokondrier i myeliniserende oligodendrocytter i organotypiske hjerneskiver fra mus. Vi viser for første gang at mitokondriene er til stede ikke bare i oligodendrocytt-cellekropper og primære prosesser, men også i cytoplasmiske kanaler i myelinlaget, hovedsakelig i den ytre og indre cytoplasmiske tungen. Men disse mitokondriene er små av størrelse, få i antall og viser liten mobilitet sammenlignet med mitokondrier i nerveceller. Videre ser vi at mitokondriebevegelsen i oligodendrocyttene øker ved aktivering av glutamatreseptorer og hemmes ved fjerning av kalsium. Dette er motsatt av hva man ser i nerveceller og kan tyde på at oligodendrocytt-mitokondriene beveger seg bort fra de områdene i cellen som krever ekstra ATP og kalsium-regulering. Våre data kan derfor tyde på at oligodendrocytt-mitokondriene ikke er tilstrekkelig utstyrt for å håndtere de økte behovene for ATP produksjon og kalsium-regulering som oppstår under energimangel. Ved elektronmikroskopiske undersøkelser ser vi at mitokondriene som sitter i de cytoplasmiske kanalene myelinet har en spesiell ultrastruktur med svært få cristae. Ettersom det er overflatearealet av cristae som bestemmer ATP-produksjonen i mitokondriene, kan disse funnene tyde på at ATP-produksjonen i myelin-mitokondriene er lav. Det er mulig at disse mitokondriene i stedet er spesialisert for andre funksjoner som for eksempel fettmetabolisme for å ivareta myelinlaget.

BACKGROUND AND HYPOTHESES: The brain white matter is composed of nerve cell axons wrapped in myelin, a specialized extended plasma membrane synthesized by oligodendrocytes. Oligodendrocytes and myelin are important for proper brain function, but are rapid ly damaged in low energy conditions. Mitochondria are the main producers of the high-energy molecule adenosine triphosphate (ATP) and are therefore important in cell energy metabolism, but mitochondria have never been shown in CNS myelin. I hypothesize th at mitochondria in CNS myelin are sparse with restricted mobility. This could explain the vulnerability of oligodendrocytes to energy deprivation. I further hypothesize that lactate, the product of glycolysis, is released from myelin and taken up by axons . MAIN OBJECTIVES AND METHODS: I will use structured illumination microscopy (SIM) of organotypic mouse brain slice cultures transfected with a fluorescent mitochondrial marker to study the localization and mobility of mitochondria in myelin. By use of c onfocal time-lapse pH-imaging, I will test whether there is a transfer of lactate from myelin to axons. Finally, I will use electrophysiological methods to check whether lactate uptake into axons is important for action potential propagation. MOST CRITIC AL R&D CHALLENGES TO BE FACED: SIM is a newly developed super-resolution imaging technique that will provide the required spacial and temporal resolution for studying mitochondrial localization and mobility in myelin. So far, SIM has only been used for im aging of single cells in culture, but not on organotypic slice cultures. The SIM imaging on slice cultures is the most critical methodological challenge in my project. I will spend one year in a lab that is at the forefront of super-resolution imaging to perform SIM. Together with experts in the lab, I will develop a technique that enables imaging on the slice cultures.