Hypoxia Increases Cytosolic Ca2+ in Goldfish Horizontal Cells Exposed to Glutamate

Abstract

Central neurons of the common goldfish (Carassius auratus) are exceptional in their capacity to survive Ca2+-induced excitotoxicity and cell death during hypoxia. Horizontal cells (HCs) are inhibitory interneurons of the retina that are tonically depolarized by the neurotransmitter, glutamate, yet preserve intracellular Ca2+ homeostasis. In HCs isolated from goldfish, and in the absence of glutamatergic input, intracellular Ca2+ concentration ([Ca2+]i) is protected from prolonged exposure to hypoxia by mitochondrial ATP-dependent K+ (mKATP) channel activity. In the present study, we investigated the effects of hypoxia upon [Ca2+]i in isolated HCs during tonic activation by glutamate to better predict the effects of hypoxia in the active retina. Dynamic changes in [Ca2+]i were measured using the ratiometric Ca2+ indicator, Fura-2. Application of 100 µM glutamate during hypoxia (PO2 = 25 mmHg) produced a greater rise in [Ca2+]i compared to the same glutamate stimulus during normoxia. The hypoxia-dependent increase in [Ca2+]i was abolished by application of 5-hydroxydecanoic acid, which renders mKATP channels inactive. Extracellular Ca2+ did not contribute to the elevated [Ca2+]i observed during hypoxia, as the effect persisted in Ca2+-free solution and during application of verapamil, an L-type Ca2+ channel blocker. By contrast, inhibition of the mitochondrial Ca2+ uniporter or ryanodine receptors (with ruthenium red or ryanodine, respectively) abolished the hypoxia-dependent rise in [Ca2+]i. This study reports a paradoxical mKATP-dependent rise in [Ca2+]i during hypoxia in HCs activated by glutamate, and suggests roles for the mitochondria and intracellular Ca2+ stores in regulating this mechanism.

Les neurones centraux du poisson rouge commun (Carassius auratus) sont exceptionnels dans leur capacité à survivre à l'excitotoxicité induite par le Ca2+ et à la mort cellulaire pendant l'hypoxie. Les cellules horizontales (CH) sont des interneurones inhibiteurs de la rétine qui sont à la fois dépolarisées de manière tonique par le neurotransmetteur, le glutamate, tout en préservant l'homéostasie intracellulaire du Ca2+. Dans les CH isolées du poisson rouge, et en l'absence d'entrée glutamatergique, la concentration intracellulaire en Ca2+ ([Ca2+]i) est protégée d'une exposition prolongée à l'hypoxie grâce à l'activité des canaux K+ mitochondriaux dépendant de l’ATP (mKATP). Dans cette étude, nous avons étudié les effets de l'hypoxie sur [Ca2+]i dans des CH isolées pendant l'activation tonique par le glutamate afin de mieux prédire les effets de l'hypoxie dans la rétine active. Des changements dynamiques dans [Ca2+]i ont été mesurés à l'aide de l'indicateur de Ca2+ par rapport, Fura-2. L'application de 100 µM de glutamate pendant l'hypoxie (PO2 = 25 mmHg) a produit une augmentation plus importante de [Ca2+]i par rapport au même stimulus de glutamate pendant la normoxie. L'augmentation de [Ca2+]i dépendante de l'hypoxie a été abolie par l'application d'acide 5-hydroxydécanoïque, qui rend les canaux mKATP inactifs. Le Ca2+ extracellulaire n'a pas contribué à l'élévation de [Ca2+]i observée pendant l'hypoxie, car l'effet a persisté dans une solution sans Ca2+ et pendant l'application de vérapamil, un bloqueur des canaux Ca2+ de « L-type ». En revanche, l'inhibition du transporteur uniporteur de Ca2+ mitochondrial ou des récepteurs à la ryanodine (avec du rouge de ruthénium ou de la ryanodine, respectivement) a aboli l'augmentation de [Ca2+]i dépendante de l'hypoxie. Cette étude rapporte une augmentation paradoxale de [Ca2+]i dépendante des mKATP pendant l'hypoxie dans des CH activées par le glutamate, et suggère des rôles pour les mitochondries et les réserves intracellulaires de Ca2+ dans la régulation de ce mécanisme.