text size

Ca2+ signalling in magnocellular neurones of the rat supraoptic nucleus.

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Ca2+ signalling in magnocellular neurones of the rat supraoptic nucleus.
Title (in czech):
Vápníková signalizace magnocelulárních neuronů supraoptického jádra potkanů.
Type:
Dissertation
Author:
Ing. Štěpán Kortus, Ph.D.
Supervisor:
RNDr. Martin Zápotocký, Ph.D.
Opponents:
Ing. Daniel Šuta, PhD.
MUDr. Mgr. Tomáš Hromádka
Thesis Id:
153340
Faculty:
First Faculty of Medicine (1.LF)
Department:
Institute of Biophysics and Informatics First Faculty of Medicine Charles University in Prague (11-00170)
Study programm:
Medical Biophysics (P5110)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
03/12/2019
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
Vazopresin, oxytocin, hypotalamus, vápníková signalizace, magnocelulární, supraoptické jádro, vápníkové zobrazování, Fura-2
Keywords:
vasopressin, Oxytocin, Hypothalamus, Calcium signalling, Magnocellular, Supraoptic nucleus, Calcium imaging, Fura-2
Abstract (in czech):
Abstrakt v českém jazyce Magnocelulární neurosekreční buňky hypotalamu vysílají své axony do neurohypofýzy, kde do krevního řečiště uvolňují hormony oxytocin a vazopresin. Oxytocin se uplatňuje zejména při porodu a je nezbytný pro stimulaci sekrece mléka během laktace. Základní fyziologickou funkcí vazopresinu je řízení re-absorpce vody v ledvinách, čímž se podílí na regulaci tělesné rovnováhy tekutin. K sekreci hormonů dochází zejména z terminálů neuronů v hypofýze, nicméně hormony jsou secernovány i z dendritů v supraoptickém jádru, kde difundují a ovlivňují okolní buňky skrze autokrinní efekt. Mechanismy řídící sekreci oxytocinu a vazopresinu byly intenzivně studovány během posledních dekád a předpokládá se, že zásadní, v porozumění fyziologie sekrece, je vztah mezi Ca2+ signalizací, sekrecí z dendritů a elektrickou aktivitou magnocelulárních neuronů. V této práci kombinujeme matematickou analýzu s experimentálním měřením Ca2+ signálů izolovaných neuronů ze supraoptického jádra. K jejich identifikaci využíváme transgenní potkany exprimující vazopresin nebo oxytocin značený fluorescenčním proteinem. Studujeme změny Ca2+ homeostázy během těhotenství, laktace a dehydratace. Dále se zaměřujeme na spontánní a indukované Ca2+ signály a na to, jak autoregulační mechanismus vazopresinu může ovlivňovat sekreci hormonu. Tato práce přináší detailní analýzu spontánních Ca2+ oscilací a depolarizací indukovaných Ca2+ odpovědí v izolovaných magnocelulárních neuronech. Ukazujeme, jak jsou tyto oscilace ovlivněny fyziologickým statusem organismu (dehydratace, laktace) a vystavením extracelulárním stimulům (osmotická změna, vazopresin). Zaměřujeme se dále na mechanismy nutné ke vzniku [Ca2+]i oscilací a ukazujeme, že pro jejich existenci nejsou nutné akční potenciály, ale že jsou výsledkem vnitrobuněčné aktivity koordinující Ca2+ kanály a Na/Ca2+ výměník. Nad rámec toho prokazujeme, že vazopresin reguluje Ca2+ oscilace prostřednictvím autokrinní signalizace podobně, jako tomu bylo prokázánu u elektrické aktivity. U Ca2+ signálů vyvolaných depolarizací membrány detailně popisujeme, jak jsou odpovědi modulovány stavem naplnění vnitrobuněčných Ca2+ zásobníků. Celkově tato práce pokrývá mechanismy Ca2+ signalizace magnocelulárních buněk, které doposud nebyly dostatečně prostudovány, a jejichž znalost je zároveň nezbytná k plnému porozumění funkce oxytocinu a vazopresinu.
Abstract:
Abstract The magnocellular neurosecretory cells (MNCs) of the hypothalamus project axons from the supraoptic nucleus to the posterior pituitary gland, where they secrete either oxytocin or vasopressin into the circulation. Oxytocin is important for delivery at birth and is essential for milk ejection during suckling. Vasopressin primarily promotes water reabsorption in the kidney to maintain body fluid balance. The profile of oxytocin and vasopressin secretion is principally determined by the pattern of action potentials initiated at the cell bodies in the hypothalamus. MNCs principally secrete hormones from terminals in the pituitary, but the secretion also occurs from their dendrites in the supraoptic nucleus, where they diffuse and affect the neighbouring cells. Mechanisms controlling the oxytocin and vasopressin secretion from MNCs have been extensively studied over the last decades and it is assumed that the relationship between Ca2+ signalling, secretion from dendrites, and the firing patterns is essential in understanding the magnocellular neurosecretory system. In this project, we combine mathematical analysis and experimental measurements of Ca2+ activity of MNCs of transgenic rats expressing an arginine vasopressin-enhanced green fluorescent protein (AVP-eGFP) or oxytocin-monomeric red fluorescent protein (OT-mRFP1). We report a detailed analysis of the spontaneous [Ca2+]i oscillations and depolarization-induced [Ca2+]i elevations in MNCs in isolated conditions. We show how these oscillations are affected by the physiological state of the animal (dehydration, lactation) and by exposure to extracellular stimuli (osmotic change, exposure to vasopressin). In terms of mechanisms underlying the oscillations, we show that they do not require action potentials but are rather mediated by intrinsic mechanisms driven by the action of Ca2+ channels and the membrane Na+/Ca2+ exchanger. Furthermore, we prove that vasopressin has autoregulatory feedback on oscillating neurones similar to the autocrine signalling described for electrical activity. For depolarization- induced [Ca2+]i elevation, we show, in detail, how the [Ca2+]i responses are modulated by the filling state of the intracellular Ca2+ stores. Taken together, this study covers important Ca2+ signalling mechanisms in MNCs that have not yet been sufficiently described and are essential for understanding the physiology of oxytocin and vasopressin secretion.
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Ing. Štěpán Kortus, Ph.D. 35.22 MB
Download Abstract in czech Ing. Štěpán Kortus, Ph.D. 94 kB
Download Abstract in english Ing. Štěpán Kortus, Ph.D. 87 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Ing. Štěpán Kortus, Ph.D. 1.2 MB
Download Supervisor's review RNDr. Martin Zápotocký, Ph.D. 335 kB
Download Opponent's review Ing. Daniel Šuta, PhD. 1022 kB
Download Opponent's review MUDr. Mgr. Tomáš Hromádka 1.91 MB
Download Defence's report prof. MUDr. RNDr. Jiří Beneš, CSc. 1.94 MB