GDNF family receptors in peripheral target innervation and hormone production

Glial cell line-derived neurotrophic factor (GDNF) family ligands: GDNF, neurturin, persephin and artemin, signal through a receptor tyrosine kinase Ret by binding first to a co-receptor (GFRα1-4) that is attached to the plasma membrane. The GDNF family factors can support the survival of various peripheral and central neuronal populations and have important functions also outside the nervous system, especially in kidney development. Activating mutations in the RET gene cause tumours in neuroendocrine cells, whereas inactivating mutations in RET are found in patients with Hirschsprung s disease (HSCR) characterized by loss of ganglionic cells along the intestine. The aim of this study was to examine the in vivo functions of neurturin receptor GFRα2 and persephin receptor GFRα4 using knockout (KO) mice. Mice lacking GFRα2 grow poorly after weaning and have deficits in parasympathetic and enteric innervation. This study shows that impaired secretion of the salivary glands and exocrine pancreas contribute to growth retardation in GFRα2-KO mice. These mice have a reduced number of intrapancreatic neurons and decreased cholinergic innervation of the exocrine pancreas as well as reduced excitatory fibres in the myenteric plexus of the small intestine. This study also demonstrates that GFRα2-mediated Ret signalling is required for target innervation and maintenance of soma size of sympathetic cholinergic neurons and sensory nociceptive IB4-binding neurons. Furthermore, lack of GFRα2 in mice results in deficient perception of temperatures above and below thermoneutrality and in attenuated inflammatory pain response. GFRα4 is co-expressed with Ret predominantly in calcitonin-producing thyroid C-cells in the mouse. In this study GFRα4-deficient mice were generated. The mice show no gross developmental deficits and have a normal number of C-cells. However, young but not adult mice lacking GFRα4 have a lower production of calcitonin in thyroid tissue and consequently, an increased bone formation rate. Thus, GFRα4/Ret signalling may regulate calcitonin production. In conclusion, this study reveals that GFRα2/Ret signalling is crucial for the development and function of specific components of the peripheral nervous system and that GFRα4-mediated Ret signalling is required for controlling transmitter synthesis in thyroid C-cells.

Gliasoluperäinen hermokasvutekijä, neurturiini, artemiini ja persefiini muodostavat GDNF-hermokasvutekijäperheen. GDNF-perheen hermokasvutekijät ylläpitävät useiden eri hermosoluryhmien kasvua ja niillä on vaikutuksia myös hermoston ulkopuolella, esimerkiksi munuaisten kehityksessä. Kukin GDNF-perheen hermokasvutekijä sitoutuu omaan solun pinnalla olevaan GFRα apureseptoriinsa ja välittää solunsisäisen signaloinnin RET tyrosiinikinaasireseptorin kautta. GFRα2 on neurturiinin ja GFRα4 persefiinin ensisijainen apureseptori. Aktivoivat mutaatiot ihmisen RET geenissä aiheuttavat kasvaimia kilpirauhasen ytimessä ja lisämunuaisessa, kun taas RET reseptorin toimintaa estävät mutaatiot aiheuttavat Hirschsprungin tautia, jossa suolen hermopunoksen solut puuttuvat tai ovat vähentyneet. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli tutkia GFRα2 ja GFRα4 reseptorien merkitystä kehityksessä. Apuna käytettiin hiiriä, joilta oli poistettu joko GFRα2 tai GFRα4 reseptoria koodaava geeni. Totesimme, että GFRα2 on välttämätön haiman parasympaattisten hermosolujen, ohutsuolen lihasten supistusta lisäävien hermosolujen, asetyylikoliinia välittäjäaineena käyttävien sympaattisten hermosolujen, sekä tiettyjen kipua aistivien hermosolujen normaalille kehitykselle. Parasympaattisen hermotuksen puute haimassa saa aikaan heikentyneen haimaentsyymien erityksen, mikä yhdessä vähentyneen syljenerityksen kanssa todennäköisesti johtaa GFRα2-poistogeenisillä hiirillä ruoan epätäydelliseen imeytymiseen ja kasvuhäiriöön. GFRα2-poistogeenisillä hiirillä on vähemmän vapaita kipuaistimuksia välittäviä C-hermopäätteitä iholla, mistä johtuen ne eivät reagoi tulehduksen aiheuttamaan kipuun yhtä herkästi kuin hiiret yleensä, mutta aistivat herkemmin sekä kuumaa että kylmää. Häiriö Neurturiinin GFRα2-välitteisessä signaloinnissa voi olla taustalla erilaisissa ääreishermoston sairauksissa, kuten diabeettisessa neuropatiassa. GFRα4 ilmentyy yhdessä RET reseptorin kanssa lähinnä vain kilpirauhasen kalsitoniinia tuottavissa C-soluissa nuorilla hiirillä. Tutkimuksessamme havaitsimme kuitenkin, että GFRα4-poistogeenisten hiirten C-solut kehittyvät normaalisti. Tosin GFRα4 saattaa säädellä kalsitoniinihormonin tuottoa, sillä kalsitoniinin määrä on vähentynyt nuorten GFRα4-poistogeenisten hiirten kilpirauhasissa ja lisäksi niiden luun muodostus on lisääntynyt. Kalsitoniini estää luuta hajottavien osteoklastisolujen toimintaa ja sitä käytetään yleisesti osteoporoosin hoidossa. Koska GFRA4 geeniä ilmentyy aikuisten ihmisten kilpirauhasessa, on mahdollista, että GFRα4 signaloinnilla on merkitystä osteoporoosin ja muiden luusto rappeumatautien kehityksessä.