The role of psychological stress in the expression of hnRNP and DARPP-32 proteins in the CNS: Investigation of their involvement in the neurobiological substrate of schizophrenia

Early maternal deprivation (MD) has been considered as an animal model of early life stress. Single 24-hour MD in rats has been associated with a number of abnormalities in brain and behavior during adulthood. These alterations seem to be relevant to the neurobiological substrate of depression or schizophrenia. The aim of the present study was to investigate the MD-induced long-term effects on specific neuroendocrinological, behavioral, neurochemical and neurobiological parameters. For this purpose, Wistar rat puppies were deprived from their mothers for a 24-h single period at postnatal day 9. Maternal deprived rats (M.D rats) and controls were subjected to the following behavioral tests when aged 69-90 days. Anxiety status was assessed in MD and control rats using an open field environment and determination of plasma corticosterone and ACTH levels. Spontaneous motor activity was recorded in an open field testing cage, using a computerized activity monitoring program. Moreover, behavioral response to d-amphetamine (d-amp, 0.5 and 1.5 mg/kg) and susceptibility to apomorphine (apo, 1.5 mg/kg) were assessed in MD and control rats. Dopaminergic and serotonergic activity, were estimated using High Performance Liquid Chromatography (HPLC), in distinct rat brain regions, such as striatum, nucleus accumbens, prefrontal cortex, amygdale, hypothalamus and hippocampus that are related to the neurobiology of schizophrenia. Total and phosphorylated DARPP-32 protein levels, dopamine D₂ and serotonin 5-HT2A receptor levels, as well as protein levels of heterogeneous nuclear protein hnRNP A1, A2, A3 and L, were assessed using Western blott analysis, in the aforementioned brain regions. MD rats displayed increased “anxiety” related behaviour and elevated plasma corticosterone and ACTH levels. Our findings also revealed that compared to controls, MD rats exhibited increased spontaneous motor activity and exaggerated motor activity following d-amp administration. Apomorphine-induced gnawing was markedly enhanced in MD rats. Neurochemical findings indicated increased dopaminergic activity as deduced by enhanced DA turnover ratios in the striatum, amygdala, prefrontal cortex and hippocampus of MD in comparison with control rats. Interestingly, elevated biosynthesis ratio of DA was observed in the nucleus accumbens of MD rats. Concerning serotonergic activity, M.D rats showed enhanced 5-HT turnover ratios in prefrontal cortex, amygdala and hypothalamus, whereas in nucleus accumbens 5-HT activity was decreased. Phospho-DARPP-32 protein levels were elevated in the striatum, nucleus accumbens and amygdala, while they were decreased in prefrontal cortex of MD rats compared to controls. Total DARPP-32 protein levels were also increased in the striatum, while they were decreased in prefrontal cortex of M.D rats. D₂ receptor protein levels were higher in striatum and hypothalamus and lower in prefrontal cortex of MD rats in comparison with controls. 5-HT2A receptor protein levels were elevated in amygdala, while they were decreased in striatum, prefrontal cortex and hypothalamus. MD rats displayed decreased hnRNP Α2 and hnRNP L protein levels in striatum, while they were increased in prefrontal cortex. Finally, M.D stress enhanced hnRNP A3 protein levels in nucleus accumbens. Present results have shown that early maternal deprivation produce long term manifestations in various neuroendocrinological, behavioural, neurochemical and neurobiological indices. These effects are mainly related to dopaminergic and serotonergic function of specific brain regions that are involved in the pathophysiology of schizophrenia. Based on these findings it could be suggested that the experimental model of maternal deprivation (pnd 9) could be considered as a reliable model for preclinical studies related to the neurobiological substrate of schizophrenia.Το μοντέλο της μητρικής αποστέρησης (Μ.Α στρες) αποτελεί ένα ενδιαφέρον αναπτυξιακό μοντέλο πρώιμης έκθεσης σε στρες, το οποίο έχει συσχετισθεί με έναν αριθμό διαταραχών κατά την ενηλικίωση, οι οποίες προσομοιάζουν πτυχές της συμπτωματολογίας της σχιζοφρένειας. Σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η μελέτη της επίδρασης του στρες της μητρικής αποστέρησης (Μ.Α στρες) κατά την αναπτυξιακή ηλικία (ένατη ημέρα μετά τη γέννηση) σε συμπεριφορικούς, νευροενδοκρινολογικούς, νευροχημικούς και νευροβιολογικούς παράγοντες κατά την ενηλικίωση. Συγκεκριμένα οι επίμυες, οι οποίοι κατά την αναπτυξιακή τους φάση (ένατη ημέρα μετά την γέννηση) υποβλήθηκαν στο στρες της μητρικής αποστέρησης καθώς και οι μάρτυρες, κατά την ενηλικίωση τους, υποβλήθηκαν στις ακόλουθες πειραματικές δοκιμασίες: καταγραφή συμπεριφορικών δεικτών «άγχους» και μέτρηση επιπέδων κορτικοστερόνης και φλοιοεπινεφριδιοτρόπου ορμόνης στο πλάσμα, καταγραφή της αυθόρμητης κινητικής δραστηριότητας κατά την έκθεση τους σε νέο περιβάλλον, συμπεριφορική απάντηση στην d-αμφεταμίνη (d-amp 0.5 και 1.5 mg/kg) και αξιολόγηση της ευαισθησίας τους στην απομορφίνη (apo, 1.5 mg/kg). Επιπλέον, εκτιμήθηκε η ντοπαμινεργική και σεροτονεργική λειτουργία σε συγκεκριμένες εγκεφαλικές περιοχές σημαντικές στη παθοφυσιολογία της σχιζοφρένειας, χρησιμοποιώντας Υγρή Χρωματογραφία Υψηλής Απόδοσης με ηλεκτροχημικό ανιχνευτή (HPLC-ED). Στις ίδιες εγκεφαλικές περιοχές, προσδιορίσθηκαν τα επίπεδα έκφρασης της ολικής και φωσφορυλιωμένης μορφής της DARPP-32, των ντοπαμινεργικών D₂ και των σεροτονινεργικών 5-ΗΤ2Α υποδοχέων καθώς και των ετερογενών πυρηνικών πρωτεϊνών hnRNP A1, A2, A3 και L. Τα αποτελέσματά αυτής της μελέτης έδειξαν ότι το Μ.Α στρες προκάλεσε μείωση του σωματικού βάρους συγκριτικά με τους μάρτυρες κατά την ενηλικίωση. Επιπλέον, οι ΜΑ επίμυες κατά την ενηλικίωση παρουσίασαν αυξημένα επίπεδα άγχους σε σχέση με τους μάρτυρες, γεγονός που υποδεικνύεται από την ενεργοποίηση του ΥΥΕ άξονα αλλά και από συμπεριφορικούς δείκτες που αντανακλούν κατάσταση «άγχους» των πειραματοζώων. Το νευροχημικό προφίλ των επιμύων ως απόκριση στο M.Α στρες χαρακτηρίζεται από αύξηση της ντοπαμινεργικής λειτουργίας στο ραβδωτό σώμα, τον προμετωπιαίο φλοιό, την αμυγδαλή και τον ιππόκαμπο και μείωση της ντοπαμινεργικής λειτουργίας στον επικλινή πυρήνα του διαφράγματος. Όσον αφορά τη σεροτονεργική λειτουργία, το Μ.Α στρες προκάλεσε αύξησή της στον προμετωπιαίο φλοιό, την αμυγδαλή και τον υποθάλαμο και μείωσή της στον επικλινή πυρήνα του διαφράγματος. Το M.Α στρες προκάλεσε αύξηση των επιπέδων της φοσφορυλιωμένης μορφής της DARPP-32 στη θέση Thr₃₄ (ph-Thr₃₄-DARPP-32) στο ραβδωτό σώμα, τον επικλινή πυρήνα του διαφράγματος και την αμυγδαλή, ενώ μείωσε τα επίπεδα έκφρασής της στον προμετωπιαίο φλοιό. Επίσης, οι Μ.Α επίμυες παρουσίασαν αυξημένα επίπεδα της ολικής DARPP-32 στο ραβδωτό σώμα και μειωμένη έκφρασή της στον προμετωπιαίο φλοιό. Η μητρική αποστέρηση προκάλεσε διφασική δράση στους D₂ υποδοχείς με αύξηση της έκφρασής τους στο ραβδωτό σώμα και τον υποθάλαμο και μείωση στον προμετωπιαίο φλοιό. Τα επίπεδα έκφρασης των 5-ΗΤ2Α υποδοχέων βρέθηκαν μειωμένα στο ραβδωτό σώμα, τον προμετωπιαίο φλοιό και τον υποθάλαμο και αυξημένα στην αμυγδαλή των Μ.Α επιμύων συγκριτικά με τους μάρτυρες. Τέλος, η υποβολή των πειραματοζώων στο Μ.Α στρες επέφερε μείωση των επιπέδων των hnRNP Α2 και hnRNP L πρωτεϊνών στο ραβδωτό σώμα και αύξηση στον προμετωπιαίο φλοιό, ενώ αύξησε τα επίπεδα της hnRNP Α3 στον επικλινή πυρήνα του διαφράγματος. Συμπερασματικά, μπορούμε να υποστηρίξουμε ότι το μοντέλο της μητρικής αποστέρησης προκάλεσε μακροπρόθεσμες μεταβολές σε νευροενδοκρινικούς, συμπεριφορικούς, νευροχημικούς και νευροβιολογικούς παράγοντες. Τα αποτελέσματα αυτά δείχνουν ότι το στρες Μ.Α κατά την pnd 9 προκάλεσε αναπτυξιακές μεταβολές, οι οποίες εκτιμήθηκαν κατά την ενηλικίωση και κυρίως χαρακτηρίζονται από διέγερση του ΥΥΕ άξονα και διέγερση της ντοπαμινεργικής και σεροτονεργικής λειτουργίας, η οποία όμως παρουσιάζει ιστική διαφοροποίηση. Επιπλέον οι μεταβολές στο ντοπαμινεργικό και σεροτονεργικό σύστημα αποτυπώνονται σε προσυναπτικό και μετασυναπτικό επίπεδο σε συγκεκριμένες εγκεφαλικές περιοχές, που είναι γνωστό ότι εμπλέκονται στην παθοφυσιολογία της σχιζοφρένειας. Είναι φανερό ότι, το μοντέλο της μητρικής αποστέρησης (κατά την pnd 9) μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως ένα αξιόπιστο πειραματικό πρότυπο για τη μελέτη της παθοφυσιολογίας της σχιζοφρένειας σε προκλινικές μελέτε

Early maternal deprivation-induced modifications in the neurobiological, neurochemical and behavioral profile of adult rats

Early maternal deprivation (MD) is an animal model of neurodevelopmental stress associated with a variety of abnormalities during adulthood. The present study investigated specific behavioral, neurochemical and neurobiological parameters related to dopaminergic and serotonergic function in adult rats subjected to early life MD. Behavioral responses, including the reaction to novelty, the response to d-amphetamine (d-AMP) and the susceptibility to apomorphine (APO) were evaluated in adulthood. Dopamine (DA) and serotonin (5-HT) levels, their metabolites along with their turnover ratios were assessed in distinct rat brain regions. The impact of MD on DARPP-32 protein, D2 and 5-HT2A receptor expression was also estimated in the same brain regions during adulthood. Our results indicated that MD rats were more reactive to novelty behavior and more sensitive to dopaminergic agonists compared to controls. MD rats displayed elevated dopaminergic and serotonergic function in the amygdala and prefrontal cortex, whereas in the striatum only the dopaminergic activity was also increased. Interestingly, MD induced a region-dependent modulation of D2, 5-HT2A receptor and DARPP-32 protein expression. Our findings clearly indicated that early MD stress produces long term behavioral impairments and region-dependent modifications in various neurochemical and neurobiological indices of dopaminergic and serotonergic function in brain regions holding critical roles in the pathophysiology of central nervous system disorders. © 2013. Published by Elsevier B.V

Individual differences in the effects of cannabinoids on motor activity, dopaminergic activity and DARPP-32 phosphorylation in distinct regions of the brain

This study explored the behavioural, neurochemical and molecular effects of 9-tetrahydrocannabinol (9-THC) and WIN55,212-2, in two rat phenotypes, distinguished on the basis of their vertical activity upon exposure to a novel environment, as high responders (HR) and low responders (LR). Motor effects were assessed under habituated vs. non-habituated conditions. Dopaminergic activity and DARPP-32 phosphorylation were measured in the dorsal striatum, nucleus accumbens, prefrontal cortex and amygdala. These cannabinoids influenced motor activity in a biphasic manner, i.e. low doses stimulated, whereas high doses suppressed motor activity. Dopamine (DA) biosynthesis was increased in most brain regions studied following 9-THC administration mainly in HR rats, and low-dose WIN55,212-2 increased DA biosynthesis in HR rats only. Both high and low doses of 9-THC increased DARPP-32 phosphorylation in most brain regions studied in both phenotypes, an effect that was also observed following high-dose WIN55,212-2 administration only in the striatum. The present results provide further support for a key role of cannabinoids in the regulation of motoric responses and elements of dopaminergic neurotransmission and reveal their complex differential effects in distinct rat phenotypes, as seen with other drugs of abuse. Copyright © 2009 CINP

Stress is a critical player in CYP3A, CYP2C, and CYP2D regulation: role of adrenergic receptor signaling pathways

Stress is a critical player in the regulation of the major cytochrome P-450s (CYPs) that metabolize the majority of the prescribed drugs. Early in life, maternal deprivation (MD) stress and repeated restraint stress (RS) modified CYP expression in a stress-specific manner. In particular, the expression of CYP3A1 and CYP2C11 was increased in the liver of MD rats, whereas RS had no significant effect. In contrast, hepatic CYP2D1/2 activity was increased by RS, whereas MD did not affect it. The primary effectors of the stress system, glucocorticoids and epinephrine, highly induced CYP3A1/2. Epinephrine also induced the expression of CYP2C11 and CYP2D1/2. Further investigation indicated that AR-agonists may modify CYP regulation. In vitro experiments using primary hepatocyte cultures treated with the AR-agonists phenylephrine, dexmedetomidine, and isoprenaline indicated an AR-induced upregulating effect on the above-mentioned CYPs mediated by the cAMP/protein kinase A and c-Jun NH -terminal kinase signaling pathways. Interestingly though, in vivo pharmacological manipulations of ARs using the same AR-agonists led to a suppressed hepatic CYP expression profile, indicating that the effect of the complex network of central and peripheral AR-linked pathways overrides that of the hepatic ARs. The AR-mediated alterations in CYP3A1/2, CYP2C11, and CYP2D1/2 expressions are potentially connected with those observed in the activation of signal transducer and activator of transcription 5b. In conclusion, stress and AR-agonists may modify the expression of the major CYP genes involved in the metabolism of drugs used in a wide range of diseases, thus affecting drug efficacy and toxicity