PACAP and orphanin FQ/nociceptin -Distribution, importance and regulation in sensory neurons and spinal cord

Abstract

Neuropeptide expression in the nervous system is abundant and plastic, and an altered expression after injury is an example of a functional response, helping the neuron to cope with adverse changes, and involves effects on differentiation, synthesis, repair/regeneration, survival, and modulation of signal transmission. I have investigated the distribution/expression of the neuropeptides, orphanin FQ/nociceptin (OFQ/N) and pituitary adenylate cyclase activating polypeptide (PACAP), under normal conditions, in response to nerve injuries, and also studied sensory responses in mice deficient for the PAC1 receptor (PAC1-/-).



Expression of OFQ/N and its receptor is demonstrated in neurons in spinal cord dorsal and ventral horns, DRG and SCG. Expression in specific neurons in these tissues gives a morphological basis supporting their suggested role as modulators of sensory, especially nociceptive, transmission. Further modulatory roles are suggested by expression in motor neurons and SCG.



Expression of PACAP in spinal cord dorsal and ventral horn neurons, and induced expression in motor neurons in response to sciatic nerve injury, is demonstrated. Further, PACAP expression is induced in DRG neurons in response to nerve transection, and compression injury. Intrathecal anti-BDNF infusion mitigates this injury induced expression, suggesting that endogenous BDNF can regulate PACAP expression. The injury induced PACAP expression, in DRG and motor neurons, indicates a possible role for PACAP in repair/regeneration and modulation of the sensory/nociceptive and motor transmission. More direct evidence for this is the finding of a pronounced decrease in pain behaviour in PAC1–/– mice, strongly suggesting a role for PACAP in modulation of inflammatory pain.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Information om vår omvärld förmedlas med hjälp av elektriska och kemiska signaler i kroppens olika nervbanor till hjärnan där vi tolkar signalerna. Dessa s.k. sensoriska signaler förmedlar information om så skilda saker som hur maten smakar till hur varmt det är, hur ett föremål ser ut, känns osv, till smärtinformation som hjälper oss att undvika farliga situationer. I vissa situationer då nervsystemet är retat eller skadat kan stimuli som normalt inte utlöser smärta, uppfattas som smärtsamt. Neuropeptider är en grupp av små äggviteämnen (peptider) som dels kan fungera som transmittorer (förmedlar vidare den elektriska signalen mellan olika nervceller), men också modulera styrkan hos de signaler som skickas i nervsystemet. Neuropeptider är därför viktiga komponenter bl. a. vid fortledning av sensoriska och motoriska (kontrollerar muskelfunktion) signaler, men även i andra situationer. Förändringar i neuropeptiduttryck i samband med t. ex. en nervavskärning, ger en indikation om att den specifika peptiden är inblandad i, och kan modulera det specifika nervsvaret.



I mitt avhandlingsarbete har jag studerat två olika neuropeptider; orphanin FQ/nocicpetin (OFQ/N) och pituitary adenylate cyclase activating polypeptide (PACAP), för att ta reda på var de bildas normalt, hur deras uttryck regleras i olika skadesituationer (nervavskärning och nervinklämning), samt även vilken roll de spelar för upplevelse av smärta. Detta har studerats hos mus och framför allt hos råtta. Båda dessa neuropeptider har tillskrivits en mängd olika funktioner, bl.a. har de föreslagits kunna modulera sensoriska signaler, och framför allt smärtsignaler.



Vi fann att både OFQ/N och dess receptor (den molekyl som medierar effekten då en specifik neuropeptid binder in till och aktiverar ”sin” receptor) uttrycks både i nervceller i ryggmärgens bakre horn samt i sensoriska dorsalrotsganglier i det perifera nervsystemet, dvs de strukturer som är inblandade i förmedlingen av olika sensoriska signaler. Dessa fynd styrker OFQ/N:s roll som transmittor av dessa signaler och dess möjlighet att modulera känselsignaler. OFQ/N och dess receptor uttrycktes också i motoriska nervcellkroppar (i ryggmärgens främre horn), som kontrollerar kroppens muskler, vilket indikerar att OFQ/N kan ha en funktion också vid modulering av motoriska signaler.



Uttryck av den andra neuropeptiden, PACAP detekterades i nervcellkroppar i dorsalrotsganglier och i de områden i ryggmärgen som är relaterade till fortledning av känsel och smärtinformation, samt i ett fåtal nervcellkroppar i de områden i ryggmärgen som är involverade i motorisk signalering. Dessutom ökade uttrycket av PACAP i ryggmärgens motoriska neuron efter nervskada, vilket indikerar att PACAP är inblandat i och modulerar signalering i detta system. PACAP skulle därmed kunna ha en roll vid reparation och utväxt av de skadade nervcellsfibrerna. En dramatisk ökning av PACAP uttrycket skedde också i dorsalrotsganglierna både efter nervavskärning, och efter nervinklämning. Att en sådan förändring sker i känselnervceller som svar på skada talar för att PACAP kan fungera som modulator för smärtsignaler.



Vi har redan i tidigare studier visat att vissa tillväxtfaktorer för nervceller kan påverka PACAP uttrycket vid skada och för att vidare studera de mekanismer som styr regleringen av PACAP vid skada, tillsatte vi en antikropp som binder upp och inaktiverar en specifik tillväxtfaktor, BDNF (brain derived neurotrophic factor), som normalt finns i nervsystemet. BDNF uppregleras också efter nervskada, och detta sker framför allt i samma populationer av känselnervceller som uppreglerar PACAP. Den uppreglering av PACAP som normalt sker efter nervskada var klart minskad efter tillförsel av antikropp mot BDNF, vilket talar för att BDNF kan reglera PACAP uttryck vid skada.



Efter nervinklämning fann vi även en ökad förekomst av PACAP i den perifera inklämda nerven. Detta innebär att det kan ha skett en en ökning av transporten av PACAP till nervens perifera ändar och/eller att en uppdämning av en sådan transport skett i den inklämda nerven. PACAP har föreslagits ha en anti-inflammatorisk roll, då det kan stimulera inflammatoriska celler (makrofager) till en ökad frisättning av anti-inflammatoriska substanser, samt hämma deras produktion av inflammationsinducerande ämnen. En del andra neuropeptider har istället en inflammationsinducerande effekt och man har funnit att frisättning av dessa peptider perifert kan leda till s.k. neurogen inflammation (dvs. inflammation som orsakas då immunförsvaret stimuleras via sensoriska nerver).



Slutligen undersöktes smärtsvaren hos genmanipulerade möss som saknade högaffinitetsreceptorn för PACAP, dvs PACAP kan inte binda in till denna receptor och aktivera den signalväg som det normalt gör hos djur vilka har receptorn. Resultaten av denna studie var att de möss som saknade en signalväg för PACAP uppvisade ett starkt nedsatt smärtbeteende som svar på lokal inflammation jämfört med normala möss. Detta pekar på att PACAP har en smärtdrivande effekt vid inflammation. Dessutom uppvisade de möss som saknade receptorn ett högre uttryck av en del andra neuropeptider, vilket skulle kunna förklaras av att PACAP även påverkar reglering av andra neuropeptider efter skada. Sammanfattningsvis verkar PACAP ha en roll vid modulering av både smärtsignaler och motoriska signaler, samt kan bidra till reparation och utväxt vid nervskada. En tredje funktion skulle kunna var en påverkan på det inflammatoriska svar som uppträder efter skada.

• author: Pettersson, Lina
• supervisor: [unknown] [unknown]
• opponent: Professor Aldskogius, Håkan, Institutionen för neurovetenskap, Neuroanatomi, Uppsala Universitet, Uppsala
• organization: Department of Experimental Medical Science
• publishing date: 2004
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Cell and Molecular Biology
• keywords: neurophysiology, Neurologi, neuropsykologi, neurofysiologi, neuropsychology, Neurology, trk, spinal cord, sensory neuron, rat, PAC1, PACAP, ORL1, OFQ/N, neurotrophin, neuropeptide, nerve transection, nerve compression, inflammatory pain, BDNF, DRG
• pages: 132 pages
• defense location: Segerfalksalen, Wallenberg Neurocentrum, Lund, Sweden
• defense date: 2004-02-27 10:15:00
• ISBN: 91-628-5968-4
• language: English
• LU publication?: yes
• additional info: Article: I. Pettersson LME, Sundler F, Danielsen N. Expression of orphanin FQ/nociceptin and its receptor in rat peripheral ganglia and spinal cord. Brain Res 945:266-275, 2002. Article: II. Jongsma* H, Pettersson* LME, Zhang YZ, Kvist Reimer M, Kanje M, Waldenström A, Sundler F, Danielsen N. *Contributed equally to the manuscript: shared first authorship. Markedly reduced chronic nociceptive response in mice lacking the PAC1 receptor. Neuroreport 12:2215-2219, 2001. Article: III. Pettersson LME, Heine T, Verge VMK, Sundler F, Danielsen N. PACAP mRNA is expressed in rat spinal cord neurons. J Comp Neurol 468 (in press), 2004. Article: IV. Pettersson LME, Dahlin LB, Danielsen N. Changes in expression of pituitary adenylate cyclase activating polypeptide in rat sensory neurons in response to sciatic nerve compression (in manuscript), 2004. Article: V. Pettersson LME, Geremia NM, Verge VMK, Danielsen N. Endogenous BDNF regulates the expression of PACAP in rat DRG neurons after sciatic nerve injury (in manuscript), 2004.
• id: 85b3cd43-2167-4d65-80b7-d1439897a512 (old id 466635)
• date added to LUP: 2016-04-04 11:29:38
• date last changed: 2018-11-21 21:05:11