The role of the MAP- and SAP- kinase pathways in the survival, proliferation and death of Schwann cells of the injured sciatic nerve.

Abstract

This thesis concerns alterations in signal transduction in Schwann cells as a response to nerve injury as well as their survival, proliferation and death. Enzymes and transcription factors belonging to the mitogen activated protein kinase (MAPK) and the stress activated protein kinase (SAPK) pathways were studied. This included the extracellular-signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2), c-Jun N-terminal kinase (JNK), c-Jun and the activating transcription factor 3 (ATF-3). Also the activity of the Ca2+ dependent enzyme calpain M was investigated. Experiments were performed both in vivo after transection of the rat sciatic nerve and on organ cultured sciatic nerve pieces.



Using imunohistochemistry we could show that a peripheral nerve injury induced an increase in p-ERK, JNK, p-JNK, c-Jun, pc-Jun and ATF-3 in the Schwann cells and calpain M in the neurites. In diabetic rats the activation of ERK1/2 as a response to injury was attenuated, suggesting deficiencies in the regenerative response of the Schwann cells. Both activation of ERK1/2 and up-regulation of c-Jun in the Schwann cells were reduced by the ERK1/2 inhibitor U0126 and therefore we suggest an interaction between the MAPK and SAPK pathways. The JNK inhibitor SP600125 on the other hand did not inhibit any of the signal transduction elements in our studies implicating a JNK independent activation of c-Jun and ATF-3 in the Schwann cells. This interestingly differs from the neurons where the JNK inhibitor blocked the activation of c-jun and the up-regulation of ATF-3 in the nerve cell nucleus. By bromodeoxy uridine (BrdU) incorporation we demonstrated that Schwann cell proliferation increases after injury. The ERK1/2 inhibitor U0126 reduced proliferation, suggesting that proliferation is mediated via the activation of ERK1/2. We also managed to inhibited Schwann cell proliferation via the JNK inhibitor SP600125. Dye exclusion (propidium iodide) used to label dying and dead cells with PI staining showed an increase in Schwann cell death as a response to nerve injury.



Calpain M was activated in the neurites of the organ cultured nerve pieces. This activation of calpain M in the neurites was reduced when deprived of extracellular Ca2+. In contrast, p-ERK1/2 in the Schwann cells increased in response to the same treatment suggesting that Ca2+ has an inhibitory effect on the activation of ERK1/2.



Taken together the present research demonstrates that activation of ERK1/2 is an important early response to nerve injury and that this activation seems to be related to survival. I could also show a difference in the activation of c-Jun between Schwann cells and neurons. If the latter response is related to the way neurons and Schwann cells survive after a nerve injury remains to be determined.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Den här avhandlingen behandlar främst Schwannceller och hur de reagerar på en nervskada. Schwannceller omger alla nervtrådar i det perifera nervsystemet det vill säga det nervsystem som ligger utanför hjärna och ryggmärg och innerverar armar, ben, händer och fötter och så vidare. Schwannceller och ger dessa tillgång till de näringsämnen de behöver. De städar också upp skräp och metaboliter för att se till att nervcellerna mår bra. En del Schwannceller bildar myelin kring nervcellernas utskott vilket gör att nervsignalerna kan fortplanta sig snabbare i nervtrådarna.



Vid en skada på en nerv i PNS kan den regenerera och läka, men det är en känslig process som sällan resulterar i fullständig återhämtning av funktion. Idag repareras nervskador genom att nervändarna sys samman men någon farmakologisk behandling för att förbättra regenerationen finns inte. Nervregenerationsprocessen är starkt beroende av Schwann¬cellerna och hur de reagerar och agerar och utan dem kan nervcellen inte regenerera ordentligt. Att i detalj förstå hur Schwannceller svarar på en nervskada skulle kunna leda till att vi kan utveckla metoder som förbättrar och påskyndar nervläkning.



I våra celler pågår en konstant kommunikation medierad via bland annat så kallad signaltransduktion. Signaltransduktion omvandlar extracellulära signaler till meddelanden som cellen kan förstå. Signaltransduktionsvägarna består av sammanvävda kedjor av membranproteiner, enzymer och transkriptionsfaktorer. Jag har undersökt förändringar i signaltransduktionen i Schwannceller efter en nervskada. Jag tittade också på Schwann¬cellernas förmåga att överleva och proliferera eller om de dog. Vi studerade enzymer och transkriptionsfaktorer som tillhör grupperna mitogenaktiverade proteinkinaser (MAPK) och stressaktiverade proteinkinaser (SAPK). Dessa var ERK1/2, JNK, c-Jun och ATF-3. Jag undersökte också det kalciumberoende enzymet calpain M.



Genom att använda oss av immunoinfärgning av vävnadssnitt kunde vi visa att p-ERK, JNK, p-JNK, c-Jun, pc-Jun and ATF-3 ökar i Schwanncellerna efter en perifer nervskada och calpain M ökar i nervcellernas utskott. I ett arbete studerade vi signaltransduktion i diabetiska råttor. Sådan djur uppvisar normalt en sämre regnerationsförmåga än normala djur. Hos råttor med diabetes fick vi en mindre ökning av p-ERK1/2 som svar på en nervskada vilket indikerar brister i Schwanncellernas förmåga att svara på en skada. Både aktivering av ERK1/2 och uppreglering av c-Jun reducerades i Schwanncellerna när vi använde en ERK1/2 inhibitor vilket visar på en koppling mellan de båda signalvägarna. Till skillnad från nervceller visade Schwanncellerna en JNK oberoende aktivering av c-Jun och ATF-3.



Genom att inkorporera molekylen BrdU i celler som delar sig kunde vi visa att Schwanncells proliferation ökar efter en nervskada. Vi kunde också visa att denna ökning är beroende av ERK1/2 aktivering. Genom att använda molekylen propidiumjodid som färgar döende och döda Schwannceller kunde vi visa på en ökning av döda Schwannceller i skadeområdet. Vår hypotes är att ERK1/2 aktivering är förenat med överlevnad och proliferation av Schwannceller och att ERK1/2 kan vara en potentiellt mål för utveckling av läkemedel som påverkar regeneration



In nervcellsutskotten aktiverades calapain M efter skada. Denna aktivering minskade om man reducerade tillgången på extracellulärt kalcium. Sådan behandling ökade emellertid aktiveringen av ERK1/2 i Schwanncellerna Vi tolkar dessa experiment som att kalcium spelar en central roll för regenerationsprocessen.



Vi är i stort behov av nya metoder för att påskynda läkning av nervskador. En förutsättning för detta är att förstå på molekylär nivå hur nervcellen och dess associerade Schwannceller reagerar på en skada. Vi har undersökt en liten del av denna process i Schwann celler och förhoppningen är att det i framtiden kan bidraga till utveckling av farmakologiska behandlingar av nervskador.

• author: Mårtensson, Lisa
• supervisor: Martin Kanje; Lars Dahlin
• opponent: Novikov, Lev, Department of Anatomy, Umeå University
• organization: Functional zoology
• publishing date: 2012
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Zoology
• pages: 116 pages
• defense location: Biologybuilding
• defense date: 2012-06-13 09:00:00
• ISBN: 978-91-7473-337-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: b8f05408-3e3c-4f8b-b9f0-ec09a4da0a39 (old id 2541572)
• date added to LUP: 2016-04-04 10:08:08
• date last changed: 2018-11-21 20:56:57