Neuropeptidek a stresszreakcióban és az emocionális viselkedésben Dr. Kovács Krisztina Molekuláris Neuroendokrinológiai Laboratórium, MTA KOKI 2012.

Stressz és a stresszválasz CRH CRH receptorok CRH család: urocortinok CRH család funkcionális heterogenitás Genetikailag módosított egér modellek ACTH elválasztást szabályzó egyéb neuropeptidek CRH és AVP Anxietás, depresszió és CRH

Selye explains STRESS – induced activation of HPA axis Nature, July 4, 1936. A Syndrome produced by Diverse Nocuous Agents “…. a typical response appears, the symptoms of which are independent of the nature of the damaging agent… and represent rather a response to damage as such” H. Selye

Mi történik akut stresszben? Hormonok? Légzés? Szivritmus? Vércukor? Metabolizmus? Alvás? Szex? Magatartás?

IMO -109 gén expressziója változik a 6016-ból Megközelítés TOP-DOWN BOTTOM-UP Microarray IMO -109 gén expressziója változik a 6016-ból (Lee et al, MolBRE,2005)

IMO Stress-related changes of gene expression in hypothalamus GenBank ID Fold Gene Function AI414898 7.9 Scamp2 Secretory carrier membrane protein 2 AI845324 4.0 Prkar1a Protein kinase, cAMPdependent regulatory, type I, a AI451115 3.7 Tcof1 Treacher Collins Franceschetti syndrome 1, homolog AI747086 3.6 Rps26 Ribosomal protein S26 AI842597 3.2 Tcf4 Transcription factor 4(development, DNA binding) AI450766 3.2 Solt SoxLZ/Sox6 leucine zipper binding protein in testis AI480711 2.7 Atp9a ATPase, class II, type 9A (energy metabolism) AI413515 2.6 Tapbp TAP binding protein (defense response) AI505029 2.5 Capn10 Calpain 10 (diabetes development) AI854716 2.5 Atp2a2 ATPase, Ca2+ . Stb A találatok között egy neuropeptid sincs

Megközelítés TOP-DOWN BOTTOM-UP 1948: G. Harris: hipotalamusz- hipofizis-mellékvese 1950: Guillemin, Shally: HT extraktum- ACTH-CORT =CRF 1981: Vale -CRH Mi tartott ennyi ideig???????? És miért?

CORTICOTROPIN-RELEASING HORMON: CRH 41 aminósavból álló neuropeptid 1981 Vale et al, SALK Institute Eloszlása a központi idegrendszerben: Hipotalamusz, paraventricularis mag: PVN Továbbá: cortex, bed nucleus of stria terminalis, centralis amygdala Elsősorban a hipofizis-mellékvese aktivációért felelős stresszben Stresszel kapcsolatos autonom és magatartási válaszreakciók Periféria: bél, bőr, mellékvese

CRH neuronok eloszlása a patkány agyban

CRH expresszió a PVN parvocellularis neuronjaiban Basal ADX Stress

CRH mRNS expresszió a PVN-ben a CeA-ban és a BNST-ben- A kortikoszteron kezelés hatása Schulkin et al, TINS. 2005

CRF RECEPTOROK

“gut-brain” neuropeptid receptorok családja CRH RECEPTOROK “gut-brain” neuropeptid receptorok családja (calcitonin, VIP, PCAP, PTH, secretin GH-RH) GPCR - 7 TM domain Pozitivan csatolt az AC-hoz 2 különböző gén kódolja: crfr1 és crfr2 Splice variánsok Különböző szöveti eloszlás Species különbségek CRH R1 α, β és (c-h) = 70% CRH R2 α, β, γ (human) Perifériás szövetek (sziv, vázizomzat, GI) Hipofizis elülső lebeny KIR: kéreg, kisagy, olf. KIR: septum, HT (PVN) Choroid plexus CRH UCN I, II, III.

CRH RECEPTOROK ELOSZLÁSA A PATKÁNY AGYBAN Piros: CRH1R Kék: CRH2R

UROCORTIN 40 aminosavból álló neuropeptid CRF család tagja 1995-ben fedezte fel Vale@Salk Nagy affinitással kötődik a CRFR1, CRF2Ra, CRFRb-hez KIR: Edinger Westphal nucleus Periféria: emésztőtraktus,szívizomsejtek, reproduktiv (here), immun rendszerben (lép) Hatásai: csökkenti az étvágyat, anxiogén hatású, hat a szülésre és a placentára, immunmoduláns

Urocortin expresszió egér agyban Kozicz

Urocortin-immunreaktivitás a patkány középagyban: EW Bittencourt et al.JCN, 1999

Az Urocortin mRNS eloszlása patkány agyban Az Urocortin és a CRH eloszlása nem fed át- különböző funkció? Skelton et al. Regul Peptides 2000.

UROCORTIN II (UcnII) (stresscopin-related peptid) 38 aminósav A CRF család tagja Felfedezése: 2001. Vale, Reyes, Sawchenko @ Salk Nagy affinitás a CRF2R-hoz, de nem kötődik a CRF1R-hez Eloszlása: PVN (magno) Nucleus arcuatus, Locus ceruleus, NTS Csökkenti az étvágyat, specifikusan az éjszakai táplálékfelvételt Nem fokozza a motoros aktivitást

UCN II mRNS expresszió a patkány agyban Paraventricularis mag, magnocellularis subdivizió Locus ceruleus Facial motor nucleus (VII)

Ucn II microinjekció hatására aktiválódó agyterületek Cellular activation patterns in response to central Ucn II microinjection. (A-C and E) Brightfield photomicrographs of immunoperoxidase preparations showing induced Fos expression in rats killed 2 h after i.c.v. injection of 1 μg of synthetic mouse Ucn II. Darkfield photomicrographs showing hybridization histochemical localization of CRF-R2 mRNA in regions corresponding to those illustrated in C and E are provided in D and F, respectively. Central Ucn injection provoked Fos induction primarily in a set of interconnected structures involved in central autonomic and neuroendocrine control, including the parvocellular division of the paraventricular nucleus (A), the central nucleus of the amygdala (B), and the nucleus of the solitary tract (NTS, C). Among these, only the NTS is a site of CRF-R2 expression (D). Other principal sites of CRF-R2 expression, including the ventromedial nucleus of the hypothalamus (F), failed to show Ucn II-induced Fos expression over the range of peptide doses examined (1–10 μg). (Magnification for all photomicrographs: ×75.) Reyes T M et al. PNAS 2001;98:2843-2848 ©2001 by The National Academy of Sciences

Effects of central Ucn II on food intake and gross motor activity. Effects of central Ucn II on food intake and gross motor activity. (A) Mean (± SEM; n = 3–6 per group) cumulative nighttime food intake (g) following i.c.v. administration of 1 μg of CRF, Ucn, or Ucn II. Both CRF and Ucn significantly reduced food intake compared with saline-injected controls, beginning at 4 h postinjection, whereas the effect of Ucn II was not manifest until 6 h after treatment. *, P < 0.002 (CRF and Ucn vs. saline); **, P < 0.002 (CRF, Ucn, and Ucn II vs. saline). (B) Telemetric measures of gross motor activity were significantly elevated in animals that received i.c.v. injections of CRF; neither Ucn nor Ucn II significantly affected motor activity. *, P < 0.001 (CRF vs. saline). Reyes T M et al. PNAS 2001;98:2843-2848 ©2001 by The National Academy of Sciences

hUCN II (icv) hatása patkány táplálékfelvételi magatartására

Az UCN II: Csökkenti az éjszakai evés mértékét Nem változtatja az evés frekvenciáját UCN II hatására kevesebbet esznek és lassabban Növeli a jóllakottsági hányadost (min/g) Csak nagy dózisban okoz „iz averziót”

hUCN II (icv) hatása patkány folyadékfelvételi magatartására

UROCORTIN III (UcnIII) (egér) Stresscopin (humán) 38 aminosav A CRF család tagja Felfedezése: EST human public gene library, 2001 Vale Magas affinitásal kötődik a CRFR2-höz de alig a CRFR1-hez Eloszlása: KIR: hipotalamusz, agytörzs, amygdala, lateral septum, BNST Periféria: vékonybél, hasnyálmirigy, bőr

Urocortin III mRNS eloszlása a patkány agyban Li et al J Neurosci 22: 991, 2002

Figure 1. Li, C. et al. J. Neurosci. 2002;22:991-1001 Copyright ©2002 Society for Neuroscience

UROCORTIN III neuroanatómia UCN III mRNS UCN III -ir UCN III rostok (ventromedial nucleus, medial preoptic nucleus, and ventral premammillary nucleus)

UCN III rostok a hipotalamuszban

UCN III rostok eloszlása az extrahipotalamikus területeken Az UCN III rostok eloszlása +/- megegyezik a CRF R2 eloszlásával a rágcsálók agyában. Funkciója a táplálékfelvétel-metabolizmus ill. a neuroendokrin szabályozásban lehet.

CRH UCN UCN-II UCN-III CRF-R1 CRF-R2

És ez még tovább bonyolódik……….. CRF binding protein Solubilis CRF receptor

37 kDa glycoprotein az agyban és a hipofizisben CRF binding protein = CRF BP 37 kDa glycoprotein az agyban és a hipofizisben Megtalálható a májban és a keringésben is, ahol inaktiválja a CRH-t Védelem a hipofizis-mellékvese tengely túlstimulásától (terhesség)

Solubilis (s) CRFR2α Chen et al. PNAS 102: 2620, 2005

Expression of CRFR2 and sCRFR2 mRNA in mouse brain and pituitary

Presence of sCRFR2-like ir in the mouse brain by using immunohistochemistry and RIA principal output neurons of the olfactory bulb (A) medial septal nucleus (B) BLA (C) Cortex layers 5 and 2/3 (D) red nucleus (E) rostok: PVN (F) CRFR1-t expresszáló területeken található

A solubilis CRFR2 feltételezett szerepe sCRFR2 protein may modulate ligand activity by either competing with the full-length membrane receptors for available ligand or by presenting the ligand or prolonging its action.

sCRF-R2α CRF-BP CRH UCN UCN-II UCN-III CRF-R1 CRF-R2

ANTAGONISTÁK

A CRH és a CRF család peptidjeinek valamint a CRH receptorok eloszlása- ÖSSZEFOGLALÓ

Különböző neuropeptidek ko-lokalizációja a hipotalamusz paraventricularis magjában PARVOCELLULÁRIS CRF Vazopresszin Enkephalin CCK Angiotenzin II Neurotenzin Galanin VIP/PHI

A vazopresszin potencírozza a CRF hatását a hipofizis kortikotrop sejtjein

Vazopresszin receptorok (V1a-R) V2 (V2R) V3 (V1b-R) Vaszkuláris Renális Hipofizeális 424 AA, GPCR Kd= 0.5 nM Phospholipase C

AVP CRF Hipofizis hátsó lebeny Eminentia mediana Agytörzs gerincvelő

Corticotropin-releasing hormon (CRH) immunreaktivitás a paraventricularis magban Intakt állat Mellékveseirtott patkány

Functionalis plasticitás a PVN-ben - adrenalectomia Kontroll Adrenalectomia

Végződések az eminentia mediana-ban: CRH+/AVP+ Végződések az eminentia mediana-ban: CRH+/AVP- 50% Normál kontroll 95% 5% Adrenalectomizált Whitnall et al, Endocrinology 120:2180

CRF-41 + CRF R1 receptor/ kortikotropok ACTH ELVÁLASZTÁST BEFOLYÁSOLÓ PEPTIDEK, TRANSZMITTEREK CRF-41 + CRF R1 receptor/ kortikotropok Vazopresszin + V1b VP receptor/ kortikotropok Oxytocin + OXY (?) receptor/kortikotropok Noradrenalin +/- CRF neuron Adrenalin - Angiotenzin II + kortikotropok CCK + hipofizis kultura, AtT20 VIP/PHI + -“- Serotonin + 5HT1 5HT2 Endorfinok - CRF neuron mu és kappa opioid R GRP + ANP/BNP/CNP -/+ GABA - Acetilkolin + CRF neuron citokinek + CRF neuron, eminentia mediana

A stresszel kapcsolatos NEUROPEPTIDEK egyéb hatásai A CRH elektrofiziológiai hatásai a CRH stimulálja a neuronális aktivitást a kéregben a hippocampusban és a locus ceruleusban. a CRH gátolja a talamusz, a lateralis septum és a PVN aktivitását Felajzottság (arousal) Éberség (vigilance)

2. Stresszel-kapcsolatos neuropeptidek- vegetativ (autonom) hatásai A CRH centrálisan stimulálja a szimpatikus idegrendszert, fokozza a mellékvese adrenalin termelését és fokozza a noradrenerg „outflow”-t a szív a vese és a érfalak felé. Ugyanakkor a CRH gátolja a cardiovasculáris rendszert célzó paraszimpatikus idegrendszeri hatást. A CRH a periférián ezzel szemben vasodilatációt és vérnyomás esést okoz (human). A CRH fokozza a barna zsirszövetben a termogenezist, az UCP-1 expressziót és a BAT SNA-t Carlin et al PNAS 103: 3462, 2006

3. Stresszel-kapcsolatos neuropeptidek-gasztrointestinális hatásai CRH gátolja a gyomorsav szekréciót a gyomortartalom ürülését és a béltartalom Ttranzitját a vékonybélben ugyankkor serkenti a colon transzportot és a székletürítést. Hatása centrális és perifériás is lehet.

4. Stresszel-kapcsolatos neuropeptidek-magatartási hatásai Psychoneuroendocrinology. 1993;18(7):495-507. Blockade of pituitary-adrenal axis activation induced by peripheral immunoneutralization of corticotropin-releasing factor does not affect the behavioral response to social defeat stress in rats. Pich EM, Heinrichs SC, Rivier C, Miczek KA, Fisher DA, Koob GF.

A CRH fokozza a lokomotoros aktivitást (Kontextus és dózisfüggő) Nijsen et al Neuropsychopharmacology 2000 A CRH fokozza a szaglászást, mosakodást az ágaskodást (home cage), fokozza a lemerevedést (freezing), az érzelmi reakciókat és a konfliktus magatartást.

5. Stresszel-kapcsolatos neuropeptidek- neuropszichiátriai betegségek Major depresszió: Emelkedett HPA aktivitás, emelkedett cortisol szekréció, nincs DEX szupresszió. CRH mennyisége a CSF-ben emelkedett, csökkent CRH1R a frontális kéregben öngyilkos depressziósokban

A CRH, a stresszel kapcsolatos neuropeptidek és az addikció

Rat selection High anxiety -HAB Low anxiety – LAB Hyper emotionality Hyper reactivity Passive stress coping Elevated ACTH secretion in stress „Anxiety and depression” Hypo anxiety Active stress coping Normal ACTH response to stress

High Anxiety HAB vs LAB CRH mRNA Higher after stress CRH1R = CRH 2R PVN, VMH, CeA higher AVP mRNA higher AVP release AVP V1a receptor binding OXY mRNA V1R – Vasopresszin receptor antagonista (HAB patkányokban csökkenti az anxietast

http://www.acnp.org/g4/GN401000049/Default.htm