Liganden-abhängige Desensitisierung und pro-algetische Signalwege des hMrgX1-Rezeptors

Der humane Mas-related gene X1 (hMrgX1)-Rezeptor ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor, der selektiv in nozizeptiven Spinalganglienneuronen exprimiert wird. Eine spezifische Aktivierung des Rezeptors durch das Proenkephalin-Spaltprodukt BAM8-22 (bovine adrenal medulla 8-22) wird als schmerzhaft wahrgenommen. Damit stellt der hMrgX1-Rezeptor eine neue molekulare Zielstruktur für eine potentiell nebenwirkungsarme, analgetische Therapie dar. Trotz dieses Potentials sind die pro-algetischen Signalwege des hMrgX1-Rezeptors bislang nicht verstanden. Der MrgX1-Rezeptor entwickelte sich unter hohem positivem Selektionsdruck und kommt nur in Primaten vor. Trotzdem wurden die nicht-homologen MrgC-Rezeptoren der Nagetiere zur Analyse des hMrgX1-Rezeptors verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher zunächst vergleichende Ligandenprofile des hMrgX1- und der MrgC-Rezeptoren aus Maus und Ratte erstellt. Dabei wurden deutliche Unterschiede offensichtlich, da der hMrgX1-Rezeptor exklusiv von BAM8-22 aktiviert wurde, während die MrgC-Rezeptoren durch weitere Liganden, u. a. Spaltprodukte des Proopiomelanocortins, z. T. sogar effizienter aktiviert wurden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die MrgC-vermittelte Ca2+-Mobilisation auf Grund einer β-Arrestin-abhängigen Rezeptorendozytose deutlich desensitisierte, während der hMrgX1-Rezeptor resistent gegenüber dieser Liganden-induzierten Regulation war. Daher können die MrgC-Rezeptoren der Nagetiere nicht als Modellsytem für den hMrgX1-Rezeptor verwendet werden, so dass in dieser Arbeit weiterführend Signalwege des hMrgX1-Rezeptors in Spinalganglienneuronen-ähnlichen F11-Zellen und primären Spinalganglienneuronen untersucht wurden. Dabei zeigte sich eine duale funktionelle Regulation des etablierten pro-algetischen TRPV1 (transient receptor potential cation channel vanilloid 1)-Ionenkanals. Zum einen sensitisierte der hMrgX1-Rezeptor den TRPV1 über einen etablierten, Proteinkinase C-abhängigen Signalweg. Zum anderen zeigte sich eine direkte hMrgX1-mediierte Aktivierung des TRPV1. Dieser Regulationsmechanismus wurde durch eine Phospholipase C (PLC)-β-induzierte Produktion des endogenen TRPV1-Liganden Diacylglycerol und durch die Degradation des tonisch TRPV1-inhibierenden PLC-β-Substrates Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat vermittelt. Neben der TRPV1-Modulation induzierte der hMrgX1-Rezeptor die Expression verschiedener Gene, deren zentrale Bedeutung bei der inflammatorischen und neuropathischen Schmerzchronifizierung etabliert ist. Einerseits wurde eine hMrgX1-induzierte Phosphorylierung der extracellular signal-regulated kinases 1/2 beobachtet, die in einer Aktivierung von serum response factor-abhängigen Reportergenkonstrukten und in der Induktion von c-Fos auf mRNA- und von early growth response protein 1 auf mRNA- und Proteinebene resultierte. Andererseits zeigte sich die transkriptionelle Ca2+/Calcineurin-abhängige Aktivierung des nuclear factor of activated t cells, die in der Induktion des CCR2 (chemokine receptor 2) auf mRNA- und Proteinebene resultierte. Somit konnte erstmalig ein physiologischer Induktor des CCR2 in Spinalganglienneuronen beschrieben werden. Weiterhin wurde nach der Etablierung der endogenen Proteinexpression des hMrgX1-Rezeptors in LAD2-Mastzellen eine BAM8-22-induzierte Freisetzung des CCR2-Agonisten chemokine ligand 2 ermittelt, so dass der hMrgX1-Rezeptor die parakrine Stimulation von nozizeptiven Spinalganglienneuronen durch Mastzellen fördern könnte. Diese Dissertation trägt somit zum besseren molekularen Verständnis akuter und chronischer pro-algetischer Funktionen des hMrgX1-Rezeptors bei und könnte damit die Entwicklung neuer analgetischer Wirkstoffe ermöglichen

Liganden-abhängige Desensitisierung und pro-algetische Signalwege des hMrgX1-Rezeptors

Der humane Mas-related gene X1 (hMrgX1)-Rezeptor ist ein G-Protein-gekoppelter Rezeptor, der selektiv in nozizeptiven Spinalganglienneuronen exprimiert wird. Eine spezifische Aktivierung des Rezeptors durch das Proenkephalin-Spaltprodukt BAM8-22 (bovine adrenal medulla 8-22) wird als schmerzhaft wahrgenommen. Damit stellt der hMrgX1-Rezeptor eine neue molekulare Zielstruktur für eine potentiell nebenwirkungsarme, analgetische Therapie dar. Trotz dieses Potentials sind die pro-algetischen Signalwege des hMrgX1-Rezeptors bislang nicht verstanden. Der MrgX1-Rezeptor entwickelte sich unter hohem positivem Selektionsdruck und kommt nur in Primaten vor. Trotzdem wurden die nicht-homologen MrgC-Rezeptoren der Nagetiere zur Analyse des hMrgX1-Rezeptors verwendet. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher zunächst vergleichende Ligandenprofile des hMrgX1- und der MrgC-Rezeptoren aus Maus und Ratte erstellt. Dabei wurden deutliche Unterschiede offensichtlich, da der hMrgX1-Rezeptor exklusiv von BAM8-22 aktiviert wurde, während die MrgC-Rezeptoren durch weitere Liganden, u. a. Spaltprodukte des Proopiomelanocortins, z. T. sogar effizienter aktiviert wurden. Zudem konnte gezeigt werden, dass die MrgC-vermittelte Ca2+-Mobilisation auf Grund einer β-Arrestin-abhängigen Rezeptorendozytose deutlich desensitisierte, während der hMrgX1-Rezeptor resistent gegenüber dieser Liganden-induzierten Regulation war. Daher können die MrgC-Rezeptoren der Nagetiere nicht als Modellsytem für den hMrgX1-Rezeptor verwendet werden, so dass in dieser Arbeit weiterführend Signalwege des hMrgX1-Rezeptors in Spinalganglienneuronen-ähnlichen F11-Zellen und primären Spinalganglienneuronen untersucht wurden. Dabei zeigte sich eine duale funktionelle Regulation des etablierten pro-algetischen TRPV1 (transient receptor potential cation channel vanilloid 1)-Ionenkanals. Zum einen sensitisierte der hMrgX1-Rezeptor den TRPV1 über einen etablierten, Proteinkinase C-abhängigen Signalweg. Zum anderen zeigte sich eine direkte hMrgX1-mediierte Aktivierung des TRPV1. Dieser Regulationsmechanismus wurde durch eine Phospholipase C (PLC)-β-induzierte Produktion des endogenen TRPV1-Liganden Diacylglycerol und durch die Degradation des tonisch TRPV1-inhibierenden PLC-β-Substrates Phosphatidylinositol-4,5-bisphosphat vermittelt. Neben der TRPV1-Modulation induzierte der hMrgX1-Rezeptor die Expression verschiedener Gene, deren zentrale Bedeutung bei der inflammatorischen und neuropathischen Schmerzchronifizierung etabliert ist. Einerseits wurde eine hMrgX1-induzierte Phosphorylierung der extracellular signal-regulated kinases 1/2 beobachtet, die in einer Aktivierung von serum response factor-abhängigen Reportergenkonstrukten und in der Induktion von c-Fos auf mRNA- und von early growth response protein 1 auf mRNA- und Proteinebene resultierte. Andererseits zeigte sich die transkriptionelle Ca2+/Calcineurin-abhängige Aktivierung des nuclear factor of activated t cells, die in der Induktion des CCR2 (chemokine receptor 2) auf mRNA- und Proteinebene resultierte. Somit konnte erstmalig ein physiologischer Induktor des CCR2 in Spinalganglienneuronen beschrieben werden. Weiterhin wurde nach der Etablierung der endogenen Proteinexpression des hMrgX1-Rezeptors in LAD2-Mastzellen eine BAM8-22-induzierte Freisetzung des CCR2-Agonisten chemokine ligand 2 ermittelt, so dass der hMrgX1-Rezeptor die parakrine Stimulation von nozizeptiven Spinalganglienneuronen durch Mastzellen fördern könnte. Diese Dissertation trägt somit zum besseren molekularen Verständnis akuter und chronischer pro-algetischer Funktionen des hMrgX1-Rezeptors bei und könnte damit die Entwicklung neuer analgetischer Wirkstoffe ermöglichen

Human Mas-related G protein-coupled receptors-X1 induce chemokine receptor 2 expression in rat dorsal root ganglia neurons and release of chemokine ligand 2 from the human LAD-2 mast cell line

Primate-specific Mas-related G protein-coupled receptors-X1 (MRGPR-X1) are highly enriched in dorsal root ganglia (DRG) neurons and induce acute pain. Herein, we analyzed effects of MRGPR-X1 on serum response factors (SRF) or nuclear factors of activated T cells (NFAT), which control expression of various markers of chronic pain. Using HEK293, DRG neuron-derived F11 cells and cultured rat DRG neurons recombinantly expressing human MRGPR-X1, we found activation of a SRF reporter gene construct and induction of the early growth response protein-1 via extracellular signal-regulated kinases-1/2 known to play a significant role in the development of inflammatory pain. Furthermore, we observed MRGPR-X1-induced up-regulation of the chemokine receptor 2 (CCR2) via NFAT, which is considered as a key event in the onset of neuropathic pain and, so far, has not yet been described for any endogenous neuropeptide. Up-regulation of CCR2 is often associated with increased release of its endogenous agonist chemokine ligand 2 (CCL2). We also found MRGPR-X1-promoted release of CCL2 in a human connective tissue mast cell line endogenously expressing MRGPR-X1. Thus, we provide first evidence to suggest that MRGPR-X1 induce expression of chronic pain markers in DRG neurons and propose a so far unidentified signaling circuit that enhances chemokine signaling by acting on two distinct yet functionally co-operating cell types. Given the important role of chemokine signaling in pain chronification, we propose that interruption of this signaling circuit might be a promising new strategy to alleviate chemokine-promoted pain

Circuit dissection of the role of somatostatin in itch and pain

Stimuli that elicit itch are detected by sensory neurons that innervate the skin. This information is processed by the spinal cord; however, the way in which this occurs is still poorly understood. Here we investigated the neuronal pathways for itch neurotransmission, particularly the contribution of the neuropeptide somatostatin. We find that in the periphery, somatostatin is exclusively expressed in Nppb+ neurons, and we demonstrate that Nppb+somatostatin+ cells function as pruriceptors. Employing chemogenetics, pharmacology and cell-specific ablation methods, we demonstrate that somatostatin potentiates itch by inhibiting inhibitory dynorphin neurons, which results in disinhibition of GRPR+ neurons. Furthermore, elimination of somatostatin from primary afferents and/or from spinal interneurons demonstrates differential involvement of the peptide released from these sources in itch and pain. Our results define the neural circuit underlying somatostatin-induced itch and characterize a contrasting antinociceptive role for the peptide

Acoustic Overexposure Increases the Expression of VGLUT-2 Mediated Projections from the Lateral Vestibular Nucleus to the Dorsal Cochlear Nucleus

The dorsal cochlear nucleus (DCN) is a first relay of the central auditory system as well as a site for integration of multimodal information. Vesicular glutamate transporters VGLUT-1 and VGLUT-2 selectively package glutamate into synaptic vesicles and are found to have different patterns of organization in the DCN. Whereas auditory nerve fibers predominantly co-label with VGLUT-1, somatosensory inputs predominantly co-label with VGLUT-2. Here, we used retrograde and anterograde transport of fluorescent conjugated dextran amine (DA) to demonstrate that the lateral vestibular nucleus (LVN) exhibits ipsilateral projections to both fusiform and deep layers of the rat DCN. Stimulating the LVN induced glutamatergic synaptic currents in fusiform cells and granule cell interneurones. We combined the dextran amine neuronal tracing method with immunohistochemistry and showed that labeled projections from the LVN are co-labeled with VGLUT-2 by contrast to VGLUT-1. Wistar rats were exposed to a loud single tone (15 kHz, 110 dB SPL) for 6 hours. Five days after acoustic overexposure, the level of expression of VGLUT-1 in the DCN was decreased whereas the level of expression of VGLUT-2 in the DCN was increased including terminals originating from the LVN. VGLUT-2 mediated projections from the LVN to the DCN are likely to play a role in the head position in response to sound. Amplification of VGLUT-2 expression after acoustic overexposure could be a compensatory mechanism from vestibular inputs in response to hearing loss and to a decrease of VGLUT-1 expression from auditory nerve fibers

Serine-727 phosphorylation activates hypothalamic STAT-3 independently from tyrosine-705 phosphorylation

Transcriptional activity of signal transducer and activator of transcription-3 (STAT-3) is a key element in the central regulation of appetite and energy homeostasis. Activation of hypothalamic STAT-3 has been attributed to cytokine-promoted phosphorylation at tyrosine-705 (Tyr-705). In nonhypothalamic cells, STAT-3 is also phosphorylated at serine-727 (Ser-727), but the functional significance of Ser-727 in the regulation of hypothalamic STAT-3 is not known. We used 2 hypothalamic cell lines and analyzed the effects of various hormones on STAT-3-dependent reporter gene activity and observed that IFN-γ, epidermal growth factor (EGF), and bradykinin (BK) induce similar STAT-3 reporter activation. EGF and BK solely increased Ser-727 and IFN-γ increased Tyr-705 phosphorylation of STAT-3. Specific inhibition of ERK-1/2 activity blocked EGF- and BK-induced STAT-3 activation and Ser-727 phosphorylation. BK-induced ERK-1/2 activation occurred via EGF receptor transactivation. Consequently, the BK-mediated effects on STAT-3 were blocked by a specific EGF receptor antagonist. Next, we analyzed the effects of IFN-γ and EGF on the expression of the STAT-3-dependent genes thyroliberin-releasing hormone and suppressors of cytokine signaling-3. EGF but not IFN-γ enhanced thyroliberin-releasing hormone expression via STAT-3. With regard to suppressors of cytokine signaling-3, we observed prolonged expression induced by IFN-γ and a transient effect of EGF that required coactivation of the activator protein-1. Thus, EGF-promoted Ser-727 phosphorylation by ERK-1/2 is not only sufficient to fully activate hypothalamic STAT-3, but, in terms of targeted genes and required cofactors, entails distinct modes of STAT-3 actions compared with IFN-γ-induced Tyr-705 phosphorylation.</p

Expression of VGLUT-1 and VGLUT-2 in the DCN and the VCN.

<p>(<b>A</b>) Photomicrographs of VGLUT-1 and VGLUT-2 staining in the DCN with the layers being individually labelled (ML molecular layer, FL fusiform layer, DL deep layer). The overlay shows that VGLUT-1 is mainly present in the ML whereas VGLUT-2 is mainly present in the DL. (<b>C</b>) (<b>B</b>). Photomicrographs of VGLUT-1 and VGLUT-2 staining in the VCN. The overlay shows that VGLUT-1 is mainly expressed in the VCN in comparison to VGLUT-2. Scale bar: 200 µm. All slices are 20 µm thick. (<b>C</b>) Histograms representing the fluorescence intensity of VGLUT-1 and VGLUT-2 in the DCN layers, the MCD and the shell region. * p<0.05, *** P<0.001, NS non significant. (<b>D</b>) Histograms representing the puncta density of VGLUT-1 and VGLUT-2 labelled terminals in the DCN layers, the MCD and the shell region, *** P<0.001. ML: molecular layer; FL: fusiform cell layer; DL: deep layer.</p

Sagittal brainstem slice showing a retrograde labelling of the lateral vestibular nucleus (LVN) following injection of dextran amine in the dorsal cochlear nucleus (DCN) (A,C) and an anterograde labelling of the DCN following injection of dextran amine in the LVN (B,D).

<p>(<b>A</b>) Overlay of a brightfield and fluorescence photomicrograph at 3 hours post injection of dextran amine showing the position of the LVN and the DCN relative to the spinal vestibular nucleus (SpVe) and the nucleus Y (y). The fluorescence in the DCN shows the injection site. (<b>B</b>) The LVN is labeled as a result of retrograde transport of dextran amine. (<b>C</b>) Overlay of a brightfield and fluorescence photomicrograph showing the injection site in the LVN. (<b>D</b>) Labeled terminals in the DCN as a result of anterograde transport of dextran amine. Scale bar: (A) and (B) 200 µm, (C) and (D) 20 µm. All slices are 120 µm thick. ML: molecular layer; FL: fusiform cell layer; DL: deep layer.</p