Biochemical and biophysical studies on Aplysia sensory neurons indicate that inhibitory responses to the molluscan peptide FMRFamide are mediated by lipoxygenase metabolites of arachidonic acid. These compounds are a new class of second messengers in neurons.

The spatial–temporal characteristics of intracellular calcium ([Ca 2+ ] i ) changes elicited in neurons and astrocytes by various types of stimuli were investigated by means of confocal fluorescent microscopy in acute rat brain slices loaded with the Ca 2+ indicator indo-1. Neurons and astrocytes from the visual cortex and CA1 hippocampal region were identified in situ on the basis of their morphological, electrophysiological, and pharmacological features. We show here that stimulation of neuronal afferents triggered periodic [Ca 2+ ] i oscillations in astrocytes. The frequency of these oscillations was under a dynamic control by neuronal activity as it changed according to the pattern of stimulation. After repetitive episodes of neuronal stimulation as well as repetitive stimulation with a metabotropic glutamate receptor agonist, astrocytes displayed a long-lasting increase in [Ca 2+ ] i oscillation frequency. Oscillating astrocytes were accompanied by repetitive [Ca 2+ ] i elevations in adjacent neurons, most likely because of the release of glutamate via a tetanus toxin-resistant process. These results reveal that [Ca 2+ ] i oscillations in astrocytes represent a highly plastic signaling system that underlies the reciprocal communication between neurons and astrocytes.

Formation of reactive oxygen species and disfunction of the excitatory amino acid (EAA) system are thought to be key events in the development of neuronal injury in several acute and long-term neurodegenerative diseases. Recent evidence suggests that the two phenomena may be interdependent. The present study is aimed at exploring possible molecular mechanisms underlying oxygen radical-EAA interaction. Exposure of cortical astrocytic cultures to either xanthine + xanthine oxidase (X/XO), a free radical-generating system, or hydrogen peroxide (H2O2) results in a marked decrease of high-affinity glutamate transport. Within 10 min of X/XO application, uptake falls to approximately 60% of its control value. In parallel no detectable release of lactate dehydrogenase occurs. X/XO effect is abolished in the presence of a mixture of scavenger enzymes (superoxide dismutase+catalase) or by the disulfide-reducing agents glutathione and dithiothreitol (DTT), but not by lipophilic antioxidants or ascorbate. The time course of inhibition shows an almost linear decline of glutamate transport during cell exposure to free radicals, while upon their inactivation the decline stops but established inhibition persists for at least 1 hr. In this situation, application of DTT significantly restores transport function. These data suggest that free radicals inhibit glutamate uptake primarily by long-lasting oxidation of protein sulfhydryl (SH) groups. Chemical modifiers of free SH groups, such as p-chloromercuribenzoate and N-ethylmaleimide, also induce uptake inhibition. Na+/K+ ATPase is a known target of oxygen radicals and may be involved in glutamate uptake inhibition. Indeed, ouabain, a blocker of the pump, reduces uptake in astrocytes.(ABSTRACT TRUNCATED AT 250 WORDS)

The reuptake of glutamate in neurons and astrocytes terminates excitatory signals and prevents the persistence of excitotoxic levels of glutamate in the synaptic cleft. This process is inhibited by oxygen radicals and hydrogen peroxide (H2O2). Here we show that another biological oxidant, peroxynitrite (ONOO-), formed by combination of superoxide (O2-) and nitric oxide (NO), potently inhibits glutamate uptake by purified or recombinant high affinity glutamate transporters reconstituted in liposomes. ONOO- reduces selectively the Vmax of transport; its action is fast (reaching > or = 90% within 20 s), dose-dependent (50% inhibition at 50 microM), persistent upon ONOO- (or by product) removal, and insensitive to the presence of the lipid antioxidant vitamin E in the liposomal membranes. Therefore, it likely depends on direct interaction of ONOO- with the glutamate transporters. Three distinct recombinant glutamate transporters from the rat brain, GLT1, GLAST, and EAAC1, exhibit identical sensitivity to ONOO . H2O2 also inhibits reconstituted transport, and its action matches that of ONOO- on all respects; however, this is observed only with 5-10 mM H202 and after prolonged exposure (10 min) in highly oxygenated buffer. NO, released from NO donors (up to 10 mM), does not modify reconstituted glutamate uptake, although in parallel conditions it promotes cGMP formation in synaptosomal cytosolic fraction. Overall, our results suggest that the glutamate transporters contain conserved sites in their structures conferring vulnerability to ONOO- and other oxidants.

Summary

 Glutamatergic gliotransmission provides a stimulatory input to excitatory synapses in the hippocampal dentate gyrus. Here, we show that tumor necrosis factor-alpha (TNFα) critically controls this process. With constitutive TNFα present, activation of astrocyte P2Y1 receptors induces localized [Ca²⁺]_i elevations followed by glutamate release and presynaptic NMDA receptor-dependent synaptic potentiation. In preparations lacking TNFα, astrocytes respond with identical [Ca²⁺]_i elevations but fail to induce neuromodulation. We find that TNFα specifically controls the glutamate release step of gliotransmission. In cultured astrocytes lacking TNFα glutamate exocytosis is dramatically slowed down due to altered vesicle docking. Addition of low picomolar TNFα promptly reconstitutes both normal exocytosis in culture and gliotransmission in situ. Alternatively, gliotransmission can be re-established without adding TNFα, by limiting glutamate uptake, which compensates slower release. These findings demonstrate that gliotransmission and its synaptic effects are controlled not only by astrocyte [Ca²⁺]_i elevations but also by permissive/homeostatic factors like TNFα. 

Video Abstract