The brain vasopressin system mediates maternal behaviour in lactating rats - impact of V1b receptors in hypothalamic and limbic brain regions - University of Regensburg Publication Server

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-337783
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.33778

Bayerl, Doris

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Date of publication of this fulltext: 02 Jan 2017 11:21

Details

Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	2 January 2017
Referee:	PD Dr. Oliver J. Bosch
Date of exam:	8 April 2016
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Zoologie > Tierphysiologie/Neurobiologie (Prof. Dr. Inga Neumann)
Projects (Historical):	DFG BO1958/6-1 to OJB
Interdisciplinary Subject Network:	Immobilien- und Kapitalmärkte
Keywords:	BNST;EPM;maternal aggression;maternal behaviour;maternal care;maternal motivation;MPOA;pup retrieval;PVN;vasopressin;V1a receptors;V1b receptors
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 500 Natural sciences & mathematics 500 Science > 590 Zoological sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	33778

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Abstract (English)

Abstract (English)

Adequate maternal behaviour offers the best chance for the offspring to survive to maturity. This pro-social behaviour is known to be regulated by the nonapeptide arginine-vasopressin (AVP) amongst other peptidergic and non-peptidergic systems in rodents as well as in humans. Most research regarding the AVP system in maternal behaviour has focussed on the peptide itself and its V1a receptor (V1aR), and revealed a pivotal involvement in the regulation of different aspects of maternal behaviour. In addition, the involvement of AVP and its V1aR was investigated in the animal model of rats selected for extremes in anxiety-related behaviour. Highly anxious dams (HAB) have a single nucleotide polymorphism in the AVP promoter-region, resulting in increased expression and release of AVP. Regarding the phenotype, HAB dams show a hyper-protective mothering style in contrast to dams selected for low anxiety-related behaviour (LAB), which only provide a low amount of maternal behaviour. Since the maternal phenotype of HAB and LAB dams can be partly reversed by blockade or infusion of V1aR or synthetic AVP, respectively, these rats provide a good model to observe the behavioural consequences after pharmacological manipulation of the AVP system on maternal behaviour.
The influence of V1b receptors (V1bR) on mediating maternal behaviour has only been investigated in a single study in V1bR knockout mice to date. This study showed that V1bR knockout dams show decreased maternal aggression compared to wildtype dams.
Therefore, I aimed to investigate in more detail the role of central V1bR on the maternal repertoire via acute central application of V1bR agonist and antagonist during lactation in non-selected rats (Chapter 2) as well as in the animal model of rats selected for extremes in anxiety-related behaviour (Chapter 3). Although the V1bR is widely distributed within the brain, I aimed to investigate the involvement of the receptor subtype in brain-regions known to be involved in maternal behaviour, including the medial preoptic area (MPOA), the bed nucleus of the stria terminalis (BNST) and the paraventricular nucleus (PVN) via acute local infusion of V1bR antagonist. In addition, I determined whether endogenous V1bR protein and/or mRNA expression differ in lactation within these brain regions (Chapter 4 -5).
Further, in a pilot study co-expression of AVP and gonadotropin-releasing hormone (GnRH) immune-reactivity in the organum vasculosum of the lamina terminalis (OVLT) in lactating rats was observed. Since mice with a 30 % decrease of GnRH neurons show impaired pup retrieval, and the co-localization suggests an interaction with the AVP system known to be involved in maternal behaviour, I was interested in the influence of the GnRH and the interconnected kisspeptin system in the regulation of maternal behaviour in rodents (Chapter 6).
To investigate my aims I used a variety of cellular, molecular and behavioural approaches like quantitative real-time PCR, western blotting, central or local acute pharmacological manipulation of V1bR, GnRH receptors or kisspeptin receptors followed by observations of maternal care, maternal motivation to retrieve pups, maternal aggression and anxiety-related behaviour.
In this thesis I showed that central blockade of V1bR in non-selected rats impaired maternal care but did not affect maternal motivation, maternal aggression or anxiety-related behaviour. V1bR manipulation in HAB and LAB dams had no effect on any maternal behaviour. When investigating the role of V1bR in specific brain regions, I could show that blockade of V1bR within the MPOA increased maternal motivation whereas within the BNST maternal aggression, more precisely pup-directed behaviour, was decreased. Additionally, V1bR blockade in both brain regions decreased nursing, but only under stress conditions. Interestingly, in the PVN only V1aR, but not V1bR blockade decreased nursing under non-stress conditions in addition to maternal anxiety.
Thus, both V1R subtypes seem to be involved in the regulation of maternal behaviour in a brain region-dependent and context-specific manner, thereby acting exclusively, as complement or as counterpart of the other receptor subtype. Interestingly, this was not associated with alterations in mRNA or protein expression in any brain-region, suggesting that either transport of the receptor-subtype to the membrane, signal transduction or agonist sensitivity may be altered in lactation, which remains to be investigated.
Regarding the involvement of GnRH and kisspeptin in the regulation of maternal behaviour, blocking GnRH decreased maternal aggression, whereas kisspeptin receptor (GPR54) blockade resulted in impaired maternal care, in a dose-dependent manner. These results provide evidence, that the GnRH and kisspeptin system are not only involved in reproduction, but also in various aspects of maternal behaviour. Further investigation of their role, especially in maternal brain circuits, is essentially required.
In conclusion, the presence of V1bR in brain regions involved in maternal behaviour are mandatory in lactating rodents to show adequate maternal behaviour, especially in stressful situations. Further, maternal behaviour is regulated by a variety of hormones acting centrally within the brain like oxytocin and AVP, whereby hormones like GnRH and kisspeptin, thought to be mainly responsible in reproduction also influence maternal behaviour.
Taken all these results into account I could provide further knowledge of the impact of central hormonal systems on the complexity of regulatory mechanism in maternal behaviour.

Translation of the abstract (German)

Adäquates mütterliches Verhalten ermöglicht den Nachkommen die bestmögliche Chance bis zum Erwachsenenalter zu überleben. Dieses prosoziale Verhalten wird sowohl im Nager als auch im Menschen, unter anderem durch das Nonapeptid Arginin-Vasopressin (AVP), reguliert.
Im Zusammenhang mit mütterlichem Verhalten lag der Forschungsschwerpunkt bezüglich des AVP-Systems bis jetzt auf dem Peptid selbst, sowie seinem im Gehirn exprimierten V1a Rezeptor (V1aR). Beide sind ein essentieller Bestandteil in der Regulierung von verschiedenen mütterlichen Verhaltensweisen. Des Weiteren wurde der Einfluss von AVP und seinem V1aR im Tiermodell für Ratten, die auf die Extreme im Angstverhalten selektiert sind, untersucht. Rattenmütter mit einem hohen Maß an Angstverhalten (HAB) haben einen Einzelnukleotid-Polymorphismus (single nucleotide polymorphism, engl.) in der AVP Promoter-Region, der zu einer erhöhten AVP Expression und Ausschüttung führt. Bezüglich des Phänotypen, kennzeichnen sich HAB-Mütter durch ein Übermaß an Fürsorge, im Gegensatz zu Rattenmüttern die auf niedriges Angstverhalten selektiert sind (LAB). Diese zeigen nur ein geringes Maß an mütterlichen Verhaltensweisen. Da der mütterliche Phänotyp der HAB und LAB Ratten durch eine Blockade von V1aR bzw. eine Injektion von synthetischem AVP verändert werden kann, eignet sich dieses Tiermodell besonders gut, um die Auswirkungen pharmakologischer Manipulationen des AVP Systems auf mütterliches Verhalten zu beobachten.
Der Einfluss von V1b Rezeptoren (V1bR) auf mütterliches Verhalten wurde bis jetzt nur in einer einzigen Studie untersucht. Diese zeigt, dass V1bR Knockout-Mäuse im Vergleich zu Wildtyp-Mäusen eine verringerte mütterliche Aggression zeigen.
Aufgrund dieser unzureichenden Studienlage war es ein Ziel meiner Arbeit, den Einfluss der zentralen V1bR auf die unterschiedlichen mütterlichen Verhaltensweisen während der Laktation in nicht-selektierten Ratten (Kapitel 2), sowie im Tiermodell für Ratten, die auf die Extreme im Angstverhalten selektiert sind (Kapitel 3), mit Hilfe akuter zentraler Verabreichung eines V1bR Agonisten sowie Antagonisten genauer zu untersuchen. Obwohl der V1bR weitflächig im Gehirn exprimiert wird, war es ein weiteres Ziel meiner Arbeit den Einfluss des Rezeptors auf mütterliches Verhalten, mit Hilfe von akuten lokalen Injektionen eines V1bR Antagonisten in das mediale präoptische Areal (MPOA), in den bed nucleus der Stria terminalis (BNST) und in den paraventrikulären Nukleus (PVN), zu untersuchen. Diese Gehirnregionen sind nachweislich an der Regulation von mütterlichem Verhalten beteiligt. Des Weiteren, habe ich erforscht, ob sich die Menge an endogenem V1bR Protein und/oder die mRNA Expression in diesen Gehirnregionen während der Laktation unterscheiden (Kapitel 4 und 5).
Auf Basis einer Pilotstudie wurde außerdem im organum vasculosum der lamina terminalis (OVLT) laktierender Ratten eine Koexpression von AVP und des Gonadotropin-releasing Hormons (GnRH) beobachtet. Da Mäuse mit 30 %iger Reduzierung von GnRH Neuronen ein vermindertes Einsammeln ihres Nachwuchses zeigen, und die Kolokalisation einen Zusammenhang mit dem AVP System, das nachweislich mütterliches Verhalten beeinflusst, vermuten lässt, war ich ausserdem am Einfluss des GnRH- und des eng verbundenen Kisspeptin-Systems auf mütterliches Verhalten im Nager interessiert (Kapitel 6).
Zur Untersuchung meiner Ziele habe ich eine Reihe an zellulären, molekularen sowie verhaltensbasierten Methoden angewendet, wie z.B. quantitative real-time PCR, Western Blot, zentrale oder lokale akute pharmakologische Manipulation von V1bR, GnRH- oder Kisspeptin-Rezeptoren, gefolgt von Verhaltensbeobachtungen (mütterliche Fürsorge, mütterliche Motivation zum Einsammeln der Jungen, mütterliche Aggression und Angstverhalten).
In meiner Arbeit konnte ich zeigen, dass die zentrale Blockade von V1bR in nicht-selektierten Ratten zu einer verringerten mütterlichen Fürsorge führt, ohne dabei die mütterliche Motivation, mütterliche Aggression oder das Angstverhalten zu beeinflussen. Die Manipulation von V1bR in laktierenden HAB und LAB Ratten hatte keine Auswirkungen auf etwaige mütterliche Verhaltensweisen. Eine gehirnregionspezifische Blockade von V1bR in der MPOA führte zu einer gesteigerten mütterlichen Motivation zum Einsammeln der Jungen, während die Blockade im BNST die mütterliche Aggression, genaugenommen die Aufmerksamkeit, die dem Nachwuchs während des Aggressionstests entgegengebracht wurde, verringert war. Zusätzlich führte die V1bR Blockade in beiden Gehirnregionen zu einem verminderten Säugeverhalten, jedoch ausschließlich unter Stressbedingungen. Interessanterweise veranlasste im PVN nur die Blockade von V1aR, jedoch nicht von V1bR, ein niedrigeres Säugeverhalten unter stressfreien Bedingungen, sowie ein geringeres Angstverhalten.
Daraus lässt sich folgern, dass beide V1R-Subtypen in einer gehirnregions- sowie kontextspezifischen Art und Weise an der Regulation von mütterlichem Verhalten beteiligt sind. Das resultierende Verhalten erfolgt daher aus der Wirkungsweise eines einzelnen Rezeptorsubtypen, dem Zusammen- oder aber auch dem Gegenspiel beider Rezeptorsubtypen. Allerdings standen die Verhaltensänderungen nicht im Zusammenhang mit der mRNA- oder Protein-Expression. Dies lässt eine Anpassung im Transport des Rezeptors zur Zellmembran, in der Signalweiterleitung oder in der Sensibilität des Agonisten vermuten, was untersucht werden muss.
Hinsichtlich des Einflusses von GnRH und Kisspeptin auf mütterliches Verhalten führte die Blockade von GnRH zu verminderter mütterlicher Aggression, während die Blockade von Kisspeptin Rezeptoren (GPR54) dosisabhängig zu einer verringerten mütterlichen Fürsorge führte. Diese Ergebnisse zeigen deutlich, dass sowohl das GnRH- als auch das Kisspeptin-System nicht nur in der Fortpflanzung, sondern auch in verschiedenen Aspekten von mütterlichem Verhalten eine Rolle spielen. Die weiterführende Erforschung beider Systeme, insbesondere im Zusammenhang mit mütterlichen Verhaltensweisen, ist von großem Interesse.
Es ergibt sich die Schlussfolgerung, dass die V1bR in Gehirnregionen, die mütterliches Verhalten modulieren, zwingend notwendig sind, um angemessenes mütterliches Verhalten vor allem unter Stressbedingungen zu garantieren. Des Weiteren wird mütterliches Verhalten von zahlreichen Hormonen im Gehirn, wie Oxytocin und AVP, reguliert, wobei aber auch Hormone wie GnRH und Kisspeptin, die bis jetzt hauptsächlich dem Fortpflanzungsverhalten zugesprochen wurden, mütterliches Verhalten beeinflussen.
Somit konnte ich mit meiner Arbeit das Wissen über den Einfluss zentraler Hormonsysteme auf die Regulation komplexer Mechanismen, die mütterliches Verhalten regulieren, erweitern.

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