| Lizenz: Veröffentlichungsvertrag für Publikationen mit Print on Demand (3MB) |
- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-296198
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.29619
| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 27 März 2014 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Inga D. Neumann |
| Tag der Prüfung: | 28 Februar 2014 |
| Institutionen: | Biologie und Vorklinische Medizin > Institut für Zoologie > Tierphysiologie/Neurobiologie (Prof. Dr. Inga Neumann) |
| Stichwörter / Keywords: | Oxytocin, Signalkaskaden, Stress, Angst |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 29619 |
Zusammenfassung (Englisch)
The work presented in this thesis first and foremost reveals the specificity of intracellular signaling pathways that are coupled to the OTR in the PVN. This specificity does not only refer to the factors involved in each of these, but also reflects the unique recruitment of intracellular pathways depending on the physiological condition of the animal. I found profound differences in OT-dependent ...
Zusammenfassung (Englisch)
The work presented in this thesis first and foremost reveals the specificity of intracellular signaling pathways that are coupled to the OTR in the PVN. This specificity does not only refer to the factors involved in each of these, but also reflects the unique recruitment of intracellular pathways depending on the physiological condition of the animal. I found profound differences in OT-dependent intracellular signaling when comparing female rats in different reproductive states (virgin, pregnant, or lactating), and when comparing pathways coupled to CRF expression in stressed and non-stressed male rats. Sex-specific differences in CRF expression in the PVN can partly be caused by differential expression of CREB-pathway associated enzymes, such as CBP and the p300/CBP associated factor (PCAF) (Sterrenburg et al. 2011), and this adaptability of the system is likely to account not only for different sexes, but also for different reproductive states.
The question remains if the results of my work can be translated to humans, and can contribute to the understanding of anxiety or stress-related diseases. To some extent, the evolutionary conservation of the emotion anxiety and its related pathways certainly allows a cross-species comparison of genes involved in the regulation of anxiety between humans and rodents by means of genome wide expression profiles (Sokolowska and Hovatta 2013). For instance, human studies have associated OT with social cognition and social anxiety, and recent studies revealed sex-specific differences in the neural (activity in amygdala, striatum, and hippocampus) and behavioral responses (tested in the social “Prisoner’s Dilemma” game) to intranasal OT (Rilling et al. 2013). However, given that OT is involved in a wide array of processes in the brain, and considering sex-specific and reproductive state-dependent effects as described above, treatment with OT might cause unwanted side effects. Therefore, it is of crucial interest if the involvement of pMEK1/2 in the processing of the emotion anxiety represents a target that is specific enough for the pharmacological treatment of anxiety disorders, or if targeting MEK1/2 would cause severe side effect due to the widespread cellular use of this kinase. Downstream targets of MEK1/2 may be more specifically related to anxiety and the processing of stress. One of these stress- and OT-specific targets could be CRTC3. We do not know how CRTC3 activation is coupled to the OTR, and if the activating pathway includes MEK1/2, however, it might be a factor to target for the treatment of anxiety disorders. Drugs that target brain proteins, such as CRTC3, are in general unspecific for distinct brain regions, whereas brain region specificity is of central importance for the regulation of distinct behaviors. Possibly, the distinct expression of CRTCs in only a subset of brain regions (Watts et al. 2011) may contribute to the avoidance of unwanted side-effects of CRTC-targeting drugs. However, side-effects cannot be completely excluded, as CRTC3 is also expressed in the periphery and has been shown to be involved in the regulation of energy homeostasis (Song et al. 2010), mitochondrial biogenesis (Than et al. 2011) and the production of interleukin 10 (MacKenzie et al. 2013). Although the related CRTC1 is expressed exclusively in the brain, Liu and co-workers suggested that it, if at all, only plays a minor role in the control of CRF gene transcription (Liu et al. 2010).
In conclusion, the findings in humans, in combination with the results of my work in rodents, emphasize the need to fully characterize the effects of OT in males and females, at different physiological states, and at multiple doses, before a widespread clinical application can be legitimated.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das Neuropeptid Oxytocin (OT) nimmt nicht nur Einfluss auf grundlegende physiologische Vorgänge wie zum Beispiel Kontraktion der Uterusmuskulatur oder das Einschießen der Muttermilch, sondern moduliert auch grundlegende Verhaltensweisen wie Angst, mütterliches oder soziales Verhalten und die Stressantwort des Körpers. Dabei ist die Art der Modulation stark kontextabhängig. So wird OT oft als ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das Neuropeptid Oxytocin (OT) nimmt nicht nur Einfluss auf grundlegende physiologische Vorgänge wie zum Beispiel Kontraktion der Uterusmuskulatur oder das Einschießen der Muttermilch, sondern moduliert auch grundlegende Verhaltensweisen wie Angst, mütterliches oder soziales Verhalten und die Stressantwort des Körpers. Dabei ist die Art der Modulation stark kontextabhängig. So wird OT oft als angstlösend beschrieben (Bales et al. 2004; Blume et al. 2008; Jurek et al. 2012), wohingegen es in bestimmten Gehirnregionen (Septum) Angstverhalten verstärken kann (Guzman et al. 2013). Darüber hinaus vermindert zentrales endogenes OT die basale und stressinduzierte Ausschüttung von ACTH (Neumann et al. 2000), obgleich es in der Peripherie und in Kombination mit bestimmten Stressoren die Ausschüttung potenzieren kann (Petersson et al. 1999; Ondrejcakova et al. 2010). Um diese divergierenden Effekte verstehen zu können, ist es essentiell die molekularen Faktoren zu kennen, die diese Effekte hervorrufen.
In der vorliegenden Arbeit befasse ich mich mit eben diesen molekularen Faktoren, die –abhängig vom Kontext – ein bestimmtes Verhalten als Reaktion auf Umweltreize hervorrufen. Die Bindung von OT an den Oxytocinrezeptor (OTR) rekrutiert Signalkaskaden von proteinaktivierenden Kinasen, mithilfe derer Informationen an verschiedene Zellkompartimente weitergegeben werden können. Zum einen werden so schnelle Effekte im Zytoplasma der Zelle vermittelt (neuronale Erregbarkeit, Ausschüttung von Neuropeptiden), zum anderen werden Signale in den Zellkern transloziert, die Einfluss auf die Genaktivität nehmen und somit längerfristige Effekte hervorrufen können.
Wie sich zeigte, vermindert eine Infusion von OT direkt in den Paraventrikulären Nukleus (PVN) des Hypothalamus weiblicher, unverpaarter Tiere deren Angstverhalten in Abhängigkeit der Aktivität der MAP Kinase MEK1/2. Überraschenderweise fanden wir keine Aktivierung der nachfolgenden Kinase ERK1/2. Dies ist außergewöhnlich, da bis dato keine anderen Zielproteine von MEK1/2 im Hypothalamus bekannt sind. Jedoch scheint MEK1/2 von zentraler Bedeutung für den angstlösenden Effekt von OT zu sein, da eine Inhibierung der Kinase den Effekt von OT blockiert.
Im Gegensatz zu unverpaarten Weibchen wirkt sich eine OT Infusion in den PVN laktierender Tiere vermindernd auf die Aktivierung von MEK1/2 aus, welches in diesem Fall wieder mit der nachfolgenden Kinase ERK1 gekoppelt ist, ohne weiter Einfluss auf das Angstverhalten zu nehmen.
Diese Daten zeigen zum einen, dass MEK1/2 nur als Vermittler von verschiedenartigen extrazellulären Signalen (wie zum Beispiel OT) dient, seine Aktivität aber keine Rückschlüsse auf den Auslöser oder die Wirkung zulässt. Zum anderen wird gezeigt, dass die laut Lehrbuch starre Abfolge von MEK1/2 auf ERK1/2 nicht immer zutreffend ist. Vielmehr zeigt sich die hohe Dynamik der Rezeptor-gekoppelten Signalkaskaden, wobei verschiedene Signale unterschiedliche Effekte über die gleichen Signalkaskaden vermitteln können.
Ein Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Regulation des Gens für den Corticotropin releasing factor (CRF). CRF ist ein entscheidender Aktivator der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (engl. HPA axis) und damit eine maßgebliche Kontrollinstanz in der Stressantwort des Körpers. Die Transkription dieses Gens wird unter anderem durch den Transkriptionsfaktor CREB und dessen verschiedene Co-Aktivatoren gesteuert. Einer dieser Co-Aktivatoren ist CRTC3. Wie ich zeigen konnte, verändert OT die Verfügbarkeit von CRTC3 im Zellkern. Dies wiederum beeinflusst die Transkription von CRTC3-kontrollierten Genen, wie zum Beispiel CRF. In diesem Fall wirkt OT nur als Modulator, da es ausschließlich unter Stressbedingungen seine Wirkung entfaltet, auf basale CRF Transkription aber keinerlei Einfluss nimmt. Eine Ursache hierfür könnte die hierarchische Regulation der Gentranskription sein. Damit CREB und seine Co-Aktivatoren die Transkription initiieren können, muss zuerst der stressinduzierte Transkriptionsfaktor c-Jun an den CRF Promotor binden. Unter basalen (ungestressten) Bedingungen wäre somit c-Jun nicht aktiv und CREB/CRTC können die Transkription nicht modulieren. Unter Stressbedingungen bindet c-Jun an den Promotor, was CREB/CRTC erst ermöglicht die Gentranskription zu potenzieren oder abzuschwächen.
Der Transkriptionsfaktor CREB wird durch verschiedene Signalkaskaden aktiviert, unter anderem durch den klassischen MAP Kinase MEK-ERK Signalweg. Da ERK1 nur in laktierenden Tieren aktiv ist, und ERK2 in keiner der Experimente nachweisbare Aktivität zeigte, stellt sich die Frage wie CREB durch OT aktiviert wird. Die Phosphorylierung der Proteinkinasen p38 und MSK1/2 im PVN von männlichen Ratten deutet auf eine ERK1/2-unabhängige CREB-Aktivierung hin. Unveröffentlichte Daten unserer Gruppe zeigen zudem eine Aktivierung der CaMKIV, die ebenfalls Kinase-Aktivität für CREB aufweist.
Ebenso konnte ich nachweisen, dass OT spezifisch den CREB Co-Aktivator CRTC3 rekrutiert. Dieser Co-Aktivator grenzt das Wirkspektrum des aktivierten CREB auf bestimmte Gene ein, indem nur solche Gene abgelesen werden für deren Transkription eben jener CRTC3 benötigt wird. Umgekehrt können andere Signale, welche ausschließlich CREB aktivieren, und CRTC3 inaktiv belassen, nicht die gleichen Gene aktivieren wie OT. Weitere Co-Aktivatoren von CREB (CBP, p300, TAF4, CRTC1/2) erhöhen dessen Zielspezifität durch die enormen Kombinationsmöglichkeiten einen Gen-spezifischen Transkriptionskomplex zu bilden.
Zusammengefasst habe ich mit dieser Arbeit dazu beigetragen einen Teil des Signalweges, ausgehend vom aktivierten OTR über zytoplasmatische Proteinkinasen bis hin zu veränderter Genaktivität durch nukleäre Transkriptionsfaktoren, aufzuklären. Die Kenntnis all dieser Faktoren, sowie das Verständnis ihrer Rolle in der Entstehung und Regulation von Stress und Angst, ist eine grundlegende Voraussetzung zur erfolgreichen und zielgerichteten Behandlung von stressinduzierten Angsterkrankungen.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 01:21
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