The Serotonin Transporter and the Vesicular Monoamine Transporters During Development

Abstract

In the present study, the mRNA encoding the serotonin transporter (5-HTT) and two isoforms of the vesicular monoamine transporters (VMAT1 and VMAT2) have been mapped in the rat throughout gestation and early postnatal development using in situ hybridization, RT PCR and immunohistochemistry. 5-HTT mRNA was found in serotonergic neurons and VMAT2 mRNA in all monoaminergic neurons from early gestation. A transient 5-HTT and VMAT2 mRNAs expression was also detected in thalamic neurons lacking tryptophan hydroxylase (TPH), the enzyme of 5-HT synthesis. VMAT1 mRNA was expressed in several limbic structures, cerebellum and the subventricular zone. In peripheral structures 5-HTT and both VMAT mRNAs were expressed in neural crest derived tissues such as autonomic and sensory ganglia. In addition, VMAT1 mRNA was expressed by organs of the endocrine system. Neuroepithelial cells were isolated from the snout and identified as Merkel cells. These cells exclusively expressed 5-HTT mRNA and were in vitro shown to have a transient, fluoxetine sensitive 3H-5-HT uptake. Unilateral denervation of the snout was shown to decrease specific 5-HTT binding in thalamus suggesting that particular pathways may be vulnerable during critical periods. The wide expression of 5-HTT and VMAT mRNAs in the developing embryo suggests potential new roles for monoamines transporters in establishing the wiring of the different sensory pathways as well as maintaining an appropriate microenvironment for migrating and differentiating neural crest cells. Our findings provide a guide for future studies on the role of monoamines during development.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

POPULÄRVETENSKAPLIG SAMMANFATTNING (Popularized summary in Swedish)



Monoaminer



Monoaminer såsom serotonin, dopamin, noradrenalin, adrenalin och histamin är alla signalsubstanser syntetiserade från enkla aminosyror. Nervceller som innehåller monoaminer är anatomiskt lokaliserade till hjärnstammen och förlängda märgen. Härifrån försörjer de resten av storhjärnan samt ryggmärgen och påverkar härifrån en rad olika system. Brist på monoaminer ger upphov till ett brett spektrum av symtom. Några klassiska exempel bör omnämnas: dopamin brist ger upphov till motoriska defekter, som ses vid Parkinsons sjukdom. Serotoninbrist ger upphov till sömnstörningar och depression samt noradrenalinbrist som kan orsaka ångesttillstånd. Samtliga monoaminer har även en viktig roll som signalsubstanser och hormoner utanför centrala nervsystemet. Adrenalin och noradrenalin fungerar som stresshormon när de frisätts från binjuremärgen.



Transportörer



Vid kommunikation mellan nervceller frisätts signalsubstanser i mellanrummet mellan cellerna, kallat synapsklyfta. Här binder substanserna till receptorer på mottagarcellen och förmedlar nervsignalen vidare. När signalen har nått mottagarcellen är det viktigt att synapsklyftan förbereds för en ny signal. Använd signalsubstans måste inaktiveras. I många fall bryts substanserna ner till inaktiva komponenter med hjälp av specifika enzym. Monoaminer utgör ett undantag i denna inaktiveringsprocess, då de återupptas och återanvänds. För att kunna återanvändas, måste signalsubstanserna pumpas tillbaka in i modercellen. Detta sker genom specifika transportörer, lokaliserade i cellens yttermembran. Transportörerna består av ca 600 aminosyror, som formar ett vindlande protein som tråcklar sig igenom cellmembranet. Det genomgående proteinet formar en por som mycket selektivt släpper igenom respektive monoamin. Hittills har man identifierat en transportör för alla monoaminer utom histamin.



När signalsubstanserna pumpas tillbaka in i cellen, förpackas de i små blåsor (vesiklar), med hjälp av ytterliggare en typ av transportörer, sk. vesikeltransportörer. Strukturellt skiljer sig inte dessa från memrantransportörerna, men funktionellt drivs de av olika mekanismer. Membranpumparna drivs av en natrium-kloridjon beroende gradient och vesikeltransportörerna däremot, av en protongradient. Två olika monoamin vesikeltransportörer har karakteriserats, VMAT1 och VMAT2. Förutom olika affinitet för histamin och specifika farmaka, skiljer sig dessa två isoformer främst genom sin anatomiska distribution. VMAT1 återfinns främst i perifera nervsystemet medan VMAT2, finns i det centrala. Denna indelning är mycket förenklad och gäller endast för vuxna individer. Hittills har man ej kunnat påvisa en fysiologisk förklaring till varför två isoformer excisterar.



Farmakologi



På senare år har serotonintransportören fått en central klinisk betydelse vid modern behandling av depression och ångest. Ett av världens mest sålda preparat är fluoxetin (Fontex®, Prozac®). Fluoxetin hämmar selektivt serotonintransportören och höjer därmed koncentrationen av serotonin i synapsklyftan. Då serotoninnivåerna är lägre, vid depressiva tillstånd, har denna behandling en mycket god och specifik effekt. Flertalet missbruksdroger har också effekt på monoamintransportörerna. Kokain och amfetaminderivat blockerar såväl membran, som vesikeltransportörerna. Således är den, av narkomanerna, önskade effekten orsakad av en oselektiv höjning av monoaminkoncentrationen i centrala nervsystemet. Denna ofysiologiska storm av signalsubstanser stimulerar hjärnans belöningssystem i den grad att ett beroende mycket snabbt utvecklas vid missbruk av dessa preparat.



Embryologi



Man har på senare tid visat att monoaminer har betydelse för fosterutvecklingen. Denna funktion är vitt skild från rollen som konventionell signalsubstans. Som exempel så har monoaminerna visats ha en tillväxtstimulerand effekt antingen direkt eller indirekt, genom frigörande av andra trofiska substanser. Vidare har man även visat att monoaminer påverkar cellmigration och synapsbildning. Störningar av de monoaminerga mekanismerna resulterar i svåra missbildningar av olika natur. Fetal exponering för droger som hämmar membranpumparna leder inte bara till störningar i hjärnans utveckling utan också till kardiella defekter och ansiktsmissbildningar.



Samantaget talar dessa fynd för att det är av stor betydelse att bibehålla en adekvat koncentration av monoaminer under fosterutvecklingen. Genom att studera distributionen av monoamintransportörer under fosterutvecklingen kan nya potentiella verkningsmekanismer för dessa signalsubstanser klargöras.



Resultat



I denna avhandling beskrivs distributionen av serotonintransportören i råttans centrala nervsystem (arbete I), och i perifera vävnader (arbete II), i olika stadier av fosterutvecklingen. Fynden jämförs med vesikeltransportörernas lokalisation vid olika gestations ålder (arbete III och IV). Med hjälp av in situ hybridisering, en modern molekylärbiologisk metod, har vi kartlagt genuttrycket för respektive transportör. Fynden bekräftades med oberoende tekniker såsom RT-PCR och immunohistokemi. I dessa grundläggande studier fann vi att serotonintransportören uttrycks i serotonerga neuron så tidigt som utvecklingsdag 13 (E13 av totalt 22). Mer överraskande var upptäckten av det temporära (E15-postnatal, P14) uttrycket av såväl serotonin som VMAT2 transportören längs de olika sensoriska bansystemen. Det finns fynd som talar för att monoaminer generellt, och serotonin specifikt, påverkar utmognaden av de ledningsbanor och de områden i hjärnan som bearbetar våra sinnesintryck. Denna serotonerga modellering tycks ske under en specifik period i fosterlivet och under perinatalperioden.



Då dessa resultat var överraskande, följdes dessa upp med funktionella studier. I arbete V isolerades från råttans morrhår, Merkelceller som uttryckte serotonintransportören. I cellkulturer påvisades ett funktionellt upptag av radioaktivt märkt serotonin. Detta upptag gick att blockera med fluoxetin, vilket talar för att en funktionell serotonintransportör var uttryckt av normalt icke-serotonerga celler. Vidare var det unikt att vesikeltransportörer ej gick att påvisa i dessa celler. Då konventionell vesikelförvaring ej tycks föreligga, är det tänkbart att en ny roll för serotonin och dess transportör kan existera.



Morrhårsregionen är hos råttor lika välrepresenterad i den sensoriska delen av hjärnan, som händerna hos människan. Då serotonintransportören uttryckts längs de relästationer som bearbetar signaler från morrhåren, är det möjligt att perifera signaler kan påverka dess genuttryck. För att bekräfta denna hypotes delades den nerv som innerverar morrhårsregionen (N.infraorbitalis) varpå uttrycket för serotonintransportören kvantifierades i dessa regioner (arbete VI). Resultaten antyder att nervskada leder till minskat uttryck av serotonintransportören i delar av detta bansystem.



Slutsats



Våra resultat påvisar en tidigare icke känd distribution av monoamintransportörerna. Det specifika och temporära uttrycket, i icke konventionella monoaminerga celler, indikerar att monoaminer spelar en viktig roll för utvecklingen av flera olika organsystem. Transportörerna har sannolikt en central roll i regleringen av monoamin koncentrationer i dessa vävnader. Genom att direkt eller indirekt påverka utmognaden av de sensoriska bansystemen, läggs eventuellt grunden för en adekvat bearbetning av sensoriska stimuli hos vuxna. Våra resulat utgör en grund för fortsatta studier som kan klargöra monoaminernas roll under fosterutvecklingen.

• author: Hansson, Stefan R
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Prof Lindholm, Dan, Uppsala University
• organization: Faculty of Medicine
• publishing date: 1998
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Neurosciences
• keywords: whiskers, lateral geniculate, infraorbital nerve, neural crest, merkel, somatosensory cortex, Key wordscitalopram, thalamus, visual cortex, Physiology, Fysiologi
• pages: 192 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neuroscience Center
• defense date: 1998-12-05 09:00:00
• external identifiers: other:ISRN: LUMEDW / MEFN--22--SE
• ISBN: 91-628-3258-1
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: The information about affiliations in this record was updated in December 2015. The record was previously connected to the following departments: Molecular Neurobiology (013210041), Molecular Neurobiology (0131000140)
• id: ca4e207c-dab9-4b06-815d-45340ba7ff0f (old id 39096)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:49:10
• date last changed: 2019-08-29 16:30:35