PACAP in adult sensory neurons - implications in injury and pain

Abstract

The data presented in this thesis deal with the neuropeptide pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide (PACAP) in adult sensory neurons. We have used different injury and pain models to determine the involvement of PACAP during such conditions. The role of neurotrophins for PACAP expression was also investigated. PACAP is one of the excitatory neuropeptides expressed in small sized DRG neurons. The level of PACAP expression in such neurons is increased following peripheral inflammation but is decreased following sciatic nerve injury and instead induced in medium to large sized neurons. Data showed that under normal conditions and upon peripheral inflammation PACAP mRNA was expressed in trkA positive DRG L5 neurons. Intrathecally applied NGF dramatically increased both the number and the level of PACAP mRNA expression in small to medium sized neurons. The increased expression of PACAP after peripheral inflammation was inhibited by anti-NGF treatment. Hence, NGF seems to be a strong positive regulator of PACAP expression and appears to be responsible for the increased levels of PACAP expression during inflammation. In the formalin test, mice lacking the PACAP preferring receptor, PAC1 had a profoundly decreased nociceptive response in the late, inflammatory phase suggesting that the PAC1 receptor is important in the mediation of inflammatory pain. Intrathecally applied NT-3 reduced PACAP expression in intact neurons. Thus, while NGF appears to promote PACAP expression NT-3 appears to antagonise it. The dramatic increase of PACAP expression following nerve injury occurs in trkC positive, medium to large sized neurons and can be effectively mitigated by NT-3 and to a lesser degree by NGF. PAC1-/- mice had greater injury-induced changes in the expression of other neuropeptides, especially galanin, implying neuroregulatory functions of the PAC1 receptor after injury.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

I denna avhandling undersöktes förekomsten och regleringen av neuropeptiden PACAP (pituitary adenylate cyclase-activating polypeptide) i det sensoriska nervsystemet hos råtta och mus och hur de normala nivåerna av PACAP ändrades vid olika betingelser som t.ex. nervavskärning och lokal inflammation. Dessutom undersöktes PACAPs roll vid smärta genom att studera om smärtsvaret skiljde sig hos normala möss och genmanipulerade möss som saknar en receptor för PACAP. PACAP är en relativt ny neuropeptid som upptäcktes 1989. PACAP förekommer i en rad olika vävnader i kroppen och finns utbrett både i det centrala och i det perifera nervsystemet. PACAP verkar vara av stor biologisk betydelse då ett stort antal funktioner har tillskrivits PACAP samt att genen för PACAP har förändrats mycket lite under utvecklingen av ryggradsdjur och deras föregångare. Dessutom har genmanipulerade möss som saknar PACAP en ökad dödlighet och de flesta möss dör mycket tidigt efter födseln och är då i ett mycket utmärglat skick. I denna avhandling kommer endast PACAPs funktion inom det sensoriska nervsystemet att behandlas. Den del av det sensoriska nervsystemet som avhandlingen specifikt berör är de ganglier (ansamlingar av nervcellskroppar) som bidrar med de sensoriska (känsel) nervfibrerna till ischiasnerven. Dessa ganglienervceller kallas DRG nervceller och varje nervcell har också en fibergren som går till ryggmärgen. Det finns flera olika typer av DRG nervceller, dels små nervceller med tunna omyeliniserade nervfibrer och det är dessa nervceller som förmedlar smärta och temperaturförändringar. Dessutom finns det också större DRG nervceller med myeliniserade nervfibrer som är de som förmedlar beröring av huden. Det har sedan ett antal år tillbaka varit känt att de små nervcellerna innehåller olika neuropeptider och rikligast förekommande av dessa är CGRP (calcitonin gene-related peptide) och substans P. Det är mer en regel än ett undantag att en och samma cell innehåller mer än en neuropeptid och så är också fallet med PACAP som förekommer i nervceller som även innehåller CGRP och substans P. Neuropeptider förekommer dessutom i de flesta fall tillsammans med andra klassiska signalsubstanser och det är troligt att neuropeptiderna modulerar frisläppningen och effekten av de klassiska signalsubstanserna. Det har också visat sig att förutom att "fånga upp" känselintryck i huden och förmedla detta till ryggmärgen genom att frisätta signalsubstanser där, så kan dessa sensoriska nervfibrer också frisätta signalsubstanser ute i vävnaden. Det är då främst neuropeptider som frisätts och detta bidrar till igångsättning av immunförsvaret och inflammation. Denna typ av inflammation kallas "neurogen inflammation" och är en del av det normala inflammationssvaret. De viktigaste neuropeptiderna som förmedlar neurogen inflammation är substans P och CGRP och nivåerna av dessa neuropeptider ökar i DRG nervceller vid experimentellt inducerad inflammation. Även PACAP har visat sig öka vid experimentell inflammation och kan alltså också vara viktig under dessa förhållanden. Det har också tidigare visats att nivåerna av PACAP liksom många andra neuropeptider ökar i DRG nervceller om ischiasnerven skärs av. I arbete I visade vi att vid nervavskärning uppträder PACAP innehållande nervfiber i nucleus gracilis, som är en omkopplingstation för större DRG nervceller och som normalt inte har några PACAP fibrer. Dessutom kunde vi visa att PACAP receptorn PAC1 bildades i nervceller både i nucleus gracilis och i ryggmärgen och att inbindingen av PACAP till ryggmärgen var lägre på den sida som tog emot fibrer ifrån den avskurna ischiasnerven. Vi ville också närmare undersöka i vilka av de olika DRG nervceller som PACAP förekom i efter nervavskärning. Det visade sig att antalet stora nervceller som innehöll PACAP kraftigt ökade samtidigt som nivåerna av PACAP i de små DRG nervcellerna minskade. Detta kunde vi sedan även bekräfta i arbete III genom att undersöka PACAP mRNA som är förstadiet till PACAP. Denna förändring ifrån att i huvudsak bildas i små DRG nervceller (som förmedlar bl.a smärta) till att efter nervavskärning minska i dessa små nervceller och i stället nybildas i stora nervceller har också beskrivits för substans P och nervtillväxtfaktorn BDNF (brain-derived neurotrophic factor). I arbete II hade vi tillgång till en genmanipulerad musstam som saknade högaffinitetsreceptorn för PACAP, PAC1. Den tydligaste skillnaden som vi kunde visa var att dessa möss i jämförelese med normala möss hade ett kraftigt minskat smärtsvar i den sena fasen av ett formalin test, en smärtmodell som mäter inflammatorisk smärta. Tidigare har man visat att substans P och BDNF är viktiga vid förmedlingen av inflammatorisk smärta. Våra fynd visar att även PACAP kan vara av stor betydelse vid förmedlingen av inflammatorisk smärta. Vi kunde också demonstrera att efter nervskada så hade de möss som saknar PAC1 receptorn en kraftigare förhöjning av vissa neuropeptider, framför allt då galanin. Detta skulle kunna betyda att PACAP har betydelse för reglering av neuropeptider vid nervskada. I arbete III undersökte vi hur PACAP bildningen påverkades vid nervskada efter tillsatts av nervtillväxtfaktorerna NGF (nerve growth factor) eller NT-3 (neurotrophic factor 3) till området kring ryggmärgen. NGF utövar sin effekt främst via en receptor kallad trkA som förekommer i störst utsträckning i de små DRG nervcellerna och NT-3 utövar sin effekt främst på trkC som förekommer i huvudsak i större DRG nervceller. I detta arbete kunde vi se att den normala förekomsten av PACAP fanns i små DRG nervceller som även innehöll NGF receptorn, trkA. När NGF tillsattes så ökade PACAP nivåerna myckt kraftigt i främst dessa små trkA innehållande DRG nervceller. Om istället NT-3 gavs så minskade nivåerna av PACAP. Nervcellerna som efter skada bildar PACAP visade sig även innehålla NT-3 receptorn, trkC. Vid tillsats av NT-3 blev uppregleringen av PACAP efter skada mycket lägre och antal celler som innehöll PACAP minskade. Dessa data tyder på att NGF är en stark positiv regulator för PACAP medan NT-3 verkar vara en negativ regulator för PACAP. I arbete IV fortsatte vi undersökningen av NGFs roll i regleringen av PACAP. Det är känt att NGF är en mycket viktig faktor för uppkomsten av inflammation och att nivåerna av NGF ökar under inflammation. Vi ville undersöka om NGF var orsaken till att PACAP nivåerna ökar vid inflammation. Vi injicerade antikroppar mot NGF (anti-NGF) i buken på råttor som hade en experimentellt orsakad inflammation i ena benets ankelled. Antikropparna mot NGF skulle då binda till sig det inneboende NGF som finns både normalt men som dessutom ökar vid inflammation. Det visades sig att tillsatsen av anti-NGF kunde förhindra ökningen av PACAP på den inflammerade sidan. Tillräckligt hög koncentration av anti-NGF kunde även minska de normala nivåerna av PACAP. Detta var ytterligare ett bevis för att NGF har en nyckelroll för regleringen av normal PACAP förekomst, men även att NGF är nödvänding för att PACAP nivåerna skall kunna öka efter inflammation. Sammanfattningsvis så har dessa studier visat att PACAP förekommer i DRG nervceller som även innehåller receptorn för NGF, trkA och att PACAP regleras positivt av NGF och att NGF är viktig för ökningen av PACAP efter inflammation. Vidare verkar PACAP vara en viktig faktor i förmedlingen av inflammatorisk smärta. Eftersom dessa betingelser även har beskrivits för substans P och BDNF är det möjligt att dessa tre tillsammas och på likartat sätt modulerar känselintryck under dessa betingelser. Efter nervavskärning förekommer PACAP i en annan typ av DRG nervceller nämligen de stora som dessutom innehåller NT-3 receptorn, trkC. Ökningen av PACAP efter nervavskärning kan förhindras om man tillsätter NT-3. Den ökning som sker av PACAP efter nervavskärning kan vara involverad i reglering av andra neuropeptider.

• author: Jongsma Wallin, Helen
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Hökfelt, Tomas, Department of Neuroscience, Karolinska Institutet, Stockholm, Sweden
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2002
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: peripheral nerve injury, PAC1, PACAP, neurotrophin, neuropeptide, inflammatory pain, inflammation, gracile nuclei, DRG, formalin test, neurofysiologi, neuropsykologi, Neurologi, neurophysiology, neuropsychology, Neurology, trk
• pages: 112 pages
• defense location: Rune Grubb, BMC Sölvegatan 19, Lund
• defense date: 2002-03-21 09:15:00
• ISBN: 91-628-5122-5
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Jongsma H, Danielsen N, Sundler F, Kanje M. Alteration of PACAP distribution and PACAP receptor binding in the rat sensory nervous system following sciatic nerve transection. Brain Res 853 (2000) 186-196. Article: II. Jongsma H*, Pettersson LME*, Zhang YZ, Kvist Reimer M, Kanje M, Waldenström A, Sundler F, Danielsen N. (*shared first authorship) Markedly reduced chronic nociceptive response in mice lacking the PAC1 receptor. NeuroReport 12 (2001) 2215-2219. Article: III. Jongsma Wallin H, Danielsen N, Johnston JM, Gratto KA, Karchewski LA, Verge VMK. Exogenous NT-3 & NGF Differentially Modulate PACAP Expression in Adult Sensory Neurons, Suggesting Distinct Roles in Injury and Inflammation. Eur J Neurosci 14 (2001) 267-282. Article: IV. Jongsma Wallin H, Pettersson LME, Verge VMK, Danielsen N. Effect of anti-NGF treatment on PACAP expression in adult sensory neurons after adjuvant induced inflammation. In manuscript. The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Neuroendocrine Cell Biology (013212008)
• id: 9fc7de54-6332-4623-82cf-ee5f0ca1591c (old id 464366)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:27:57
• date last changed: 2018-11-21 21:05:01