Étude des tachykinines et de leurs dérivés peptidiques associés à la douleur neuropathique grâce à l’utilisation de modèles animaux et de la chromatographie en phase liquide couplée à la spectrométrie de masse

Thèse réalisée en co-tutelle avec l'Université Claude Bernard de Lyon 1, en France.

Caractérisation et régulation du métabolisme des acides gras dans l’hypothalamus

Un déséquilibre de la balance énergétique constitue la principale cause du développement des pathologies métaboliques telles que l’obésité et le diabète de type 2. Au sein du cerveau, l’hypothalamus joue un rôle primordial dans le contrôle de la prise alimentaire et du métabolisme périphérique via le système nerveux autonome. Ce contrôle, repose sur l’existence de différentes populations neuronales au sein de l’hypothalamus médio-basal (MBH), neurones à neuropeptide Y (NPY)/Agouti-related peptide (AgRP), et neurones a proopiomelanocortine (POMC), dont l’activité est directement modulée par les variations des taux circulants des nutriments tels que le glucose et les acides gras (FA). Alors que les mécanismes de détection et le métabolisme intracellulaire du glucose ont été largement étudiés, l’implication du métabolisme intracellulaire des FA dans leurs effets centraux, est très peu comprise. De plus, on ignore si le glucose, module le métabolisme intracellulaire des acides gras à longue chaine (LCFA) dans le MBH. Le but de notre première étude est, de déterminer l'impact du glucose sur le métabolisme des LCFA, le rôle de l’AMP-activated protein kinase (AMPK), kinase détectrice du statut énergétique cellulaire, et d'établir s’il y a des changements dans le métabolisme des LCFA en fonction de leur structure, du type cellulaire et de la région cérébrale. Nos résultats montrent que le glucose inhibe l'oxydation du palmitate via l’AMPK dans les neurones et les astrocytes primaires hypothalamiques, in vitro, ainsi que dans les explants du MBH, ex vivo, mais pas dans les astrocytes et les explants corticaux. De plus, le glucose augmente l'estérification du palmitate et non de l’oléate dans les neurones et les explants du MBH, mais pas dans les astrocytes hypothalamiques. Ces résultats décrivent le devenir métabolique de différents LCFA dans le MBH, ainsi que, la régulation AMPK - dépendante de leur métabolisme par le glucose dans les astrocytes et les neurones, et démontrent pour la première fois que le métabolisme du glucose et des LCFA est couplé spécifiquement dans les noyaux du MBH, dont le rôle est critique pour le contrôle de l'équilibre énergétique. Le deuxième volet de cette thèse s’est intéressé à déterminer les mécanismes intracellulaires impliqués dans le rôle de la protéine de liaison ACBP dans le métabolisme central des FA. Nous avons démontré que le métabolisme de l’oléate et non celui du palmitate est dépendant de la protéine ACBP, dans les astrocytes hypothalamiques ainsi que dans les explants du MBH. Ainsi, nos résultats démontrent qu’ACBP, protéine identifiée originellement au niveau central, comme un modulateur allostérique des récepteurs GABA, agit comme un régulateur du métabolisme intracellulaire des FA. Ces résultats ouvrent de nouvelles pistes de recherche liées à la régulation du métabolisme des acides gras au niveau central, ainsi que, la nouvelle fonction de la protéine ACBP dans la régulation du métabolisme des FA au niveau du système nerveux central. Ceci aiderait à identifier des cibles moléculaires pouvant contribuer au développement de nouvelles approches thérapeutiques de pathologies telles que l’obésité et le diabète de type 2.

Modulation de l'expression de Sirt-1 induite par l'endothéline-1 dans les cellules musculaires lisses vasculaires

Au cours des maladies cardiovasculaires (MCV), il peut se produire divers problèmes de santé, telle que l’insuffisance cardiaque ou encore l’HTA. Ces phénomènes se caractérisent, entre autres, par une augmentation de synthèse d’endotheline-1 (ET-1), un neuropeptide synthétisé par les cellules endothéliales ayant un effet vasoconstricteur sur les cellules musculaires lisses vasculaires (CMLV). Ainsi, la surexpression de ce vasopeptide, mène à terme, au maintien de l’HTA aggravée des sujets, précédée ou concomitante à l’athérosclérose ou à la resténose, cliniquement illustrées par une prolifération et une migration anormale des CMLV de la media vers l’intima des vaisseaux sanguins. Parallèlement, il a été observé que la protéine sirtuine-1 (Sirt-1), membre de la famille des protéines histones déacétylases (HDAC), présente des propriétés anti-athérosclérotiques par sa capacité d’atténuer la prolifération et la migration des CMLV. Des travaux récents ont aussi montré qu’au cours de l’HTA la protéine Sirt-1 est faiblement exprimée dans les CMLV. Son implication dans le développement des pathologies vasculaires semble apparente, mais des études demeurent nécessaires pour décrire son rôle exact dans la pathogenèse des MCV. Dans cette optique, l’objectif de cette étude a été d’observer la variation d’expression de Sirt-1 dans les CMLV, isolées de l’aorte ascendante de rat, en réponse à l’ET-1. On a remarqué qu’une heure de stimulation des CMLV avec l’ET-1 induit une diminution de l’expression de Sirt-1 via l’activation des récepteurs ETA. Ces résultats suggèrent que la capacité d’ET-1 à atténuer l’expression de Sirt-1 serait un éventuel mécanisme d’action avec des effets favorisant les MCV.

Le rôle de la neurotensine dans l’expression de la sensibilisation dopaminergique induite par un traitement continu aux antipsychotiques

Les médicaments antipsychotiques améliorent les symptômes de la schizophrénie, mais peuvent perdre leur efficacité à long terme en sensibilisant le système dopaminergique. Les mécanismes sous-tendant cette sensibilisation ne sont pas connus. Le neuropeptide neurotensine module le système dopaminergique et est régulé par les antipsychotiques dans le noyau accumbens. Dans cette région, la neurotensine peut avoir des effets anti- et pro-dopaminergiques via les récepteurs NTS1. Nous avions pour hypothèse que la neurotensine du noyau accumbens module l’expression de la sensibilisation dopaminergique induite par les antipsychotiques. Ainsi, nous avons traité par intermittence ou continuellement des rats à l’antipsychotique halopéridol. Seule l’administration continue sensibilise le système dopaminergique et donc sensibilise aux effets locomoteurs de l’amphétamine. Des microinjections de neurotensine dans le noyau accumbens ont diminué l’hyperlocomotion induite par l’amphétamine chez les rats témoins et ceux traités par intermittence aux antipsychotiques. Au contraire, la sensibilisation dopaminergique induite par un traitement continu serait liée à une augmentation des effets pro-dopaminergiques de la neurotensine. Ceci est indépendant d’un changement de densité des récepteurs NTS1 dans le noyau accumbens. Un traitement intermittent n’a pas d’effet sur cette mesure également. De plus, autant un traitement antipsychotique continu qu’intermittent augmentent la transcription de proneurotensine. Donc, seule l’altération de la fonction de la neurotensine du noyau accumbens corrèle avec la sensibilisation dopaminergique. En parallèle, dans le caudé-putamen, un traitement continu augmente la transcription de proneurotensine et un traitement intermittent augmente la densité des récepteurs NTS1. En somme, la neurotensine du noyau accumbens module la sensibilisation dopaminergique induite par les antipsychotiques.

Analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae

Biologische Rhythmen bestimmen das gesamte Leben auf der Erde. Dabei scheint der circadiane Rhythmus der bekannteste zu sein, welcher durch eine Periodendauer von etwa (lat. circa) 24 Stunden gekennzeichnet ist. Dieser seit Jahrmillionen täglich stattfindende Wechsel von Hell- und Dunkelphasen führte zur Entwicklung von inneren Uhren in nahezu allen Organismen, welche die Physiologie und das Verhalten steuern. In der Schabe Rhyparobia (Leucophaea) maderae, einem etablierten Modellorganismus der circadianen Rhythmusforschung, konnte die innere Uhr auf die akzessorischen Medulla (AMe) eingegrenzt werden. Da neben klassischen Neurotransmittern auch Neuropeptide unablässig für die Aufrechterhaltung des endogenen Rhythmus oder aber für Synchronisationsprozesse sind, bestand der Hauptfokus der Arbeit in der Analyse einer möglichen Beteiligung des myoinhibitorischen Neuropeptids (MIP) am circadianen System von R. maderae. Mittels MALDI-TOF Massenspektrometrie konnten fünf Rhyparobia-MIPs in Präparationen der AMe identifiziert und zwei vollständig sequenziert werden. Immunzytochemische Analysen zeigten neben einer weiten MIP-Immunreaktivität im Gehirn eine dichte Innervierung der AMe und mit ihr assoziierten Neuronengruppen. Kolokalisation von MIP- und Pigment-dispersing Faktor-Immunreaktivitäten wurden in mindestens zwei circadianen Schrittmacherzellen beobachtet. Immunreaktivitäten in diversen Kommissuren lassen den Schluss zu, dass Rhyparobia-MIPs als Kopplungsfaktoren beider akzessorischen Medullae agieren. Immunzytochemische Kolokalisationsexperimente mit anderen neuroaktiven Kandidaten für den Lichteingangsweg zeigen, dass Rhyparobia-MIPs auch an der Übermittlung photischer Eingänge in die AMe vom ipsi- und kontralateralen Komplexauge beteiligt sein könnten. Darüber hinaus konnte durch Injektionsexperimente kombiniert mit Verhaltensassays gezeigt werden, dass mindestens Rhyparobia-MIP-1 und -2 Eingangssignale in die AMe sind. Des Weiteren konnte mittels enzyme-linked immunosorbent Assays gezeigt werden, dass MIP in der AMe und dem optischen Lobus mindestens über G-Protein gekoppelte Rezeptoren agiert. Diese Rezeptoren scheinen zudem tageszeitabhängig unterschiedlich exprimiert oder aber unterschiedlich sensitiv zu sein.

Signaling of Pigment-Dispersing Factor (PDF) in the Madeira Cockroach Rhyparobia maderae

The insect neuropeptide pigment-dispersing factor (PDF) is a functional ortholog of vasoactive intestinal polypeptide, the coupling factor of the mammalian circadian pacemaker. Despite of PDF's importance for synchronized circadian locomotor activity rhythms its signaling is not well understood. We studied PDF signaling in primary cell cultures of the accessory medulla, the circadian pacemaker of the Madeira cockroach. In Ca2+ imaging studies four types of PDF-responses were distinguished. In regularly bursting type 1 pacemakers PDF application resulted in dose-dependent long-lasting increases in Ca2+ baseline concentration and frequency of oscillating Ca2+ transients. Adenylyl cyclase antagonists prevented PDF-responses in type 1 cells, indicating that PDF signaled via elevation of intracellular cAMP levels. In contrast, in type 2 pacemakers PDF transiently raised intracellular Ca2+ levels even after blocking adenylyl cyclase activity. In patch clamp experiments the previously characterized types 1–4 could not be identified. Instead, PDF-responses were categorized according to ion channels affected. Application of PDF inhibited outward potassium or inward sodium currents, sometimes in the same neuron. In a comparison of Ca2+ imaging and patch clamp experiments we hypothesized that in type 1 cells PDF-dependent rises in cAMP concentrations block primarily outward K+ currents. Possibly, this PDF-dependent depolarization underlies PDF-dependent phase advances of pacemakers. Finally, we propose that PDF-dependent concomitant modulation of K+ and Na+ channels in coupled pacemakers causes ultradian membrane potential oscillations as prerequisite to efficient synchronization via resonance.

A molecular and cellular analysis of the circadian system of the cockroach Rhyparobia (Leucophaea) maderae

Circadiane Schrittmacher koordinieren die täglichen Rhythmen in Physiologie und Verhalten in lebenden Organismen. Die Madeira Schabe Rhyparobia maderae (Synonym: Leucophaea maderae) ist ein gut etabliertes Modell, um die neuronalen Mechanismen der circadianen Rhythmen bei Insekten zu studieren. Die akzessorische Medulla (AME) in den optischen Loben des Gehirns wurde als das circadiane Schrittmacherzentrum der Madeira Schabe identifiziert, das circadiane Rhythmen in der Laufaktivität steuert. Über die Neurotransmitter der Eingangswege in das circadiane System der Madeira Schabe ist noch nicht viel bekannt. Das Hauptziel dieser Arbeit war es, mögliche Eingangssignale in die innere Uhr der Madeira Schabe zu bestimmen. An primären Zellkulturen von AME-Neuronen wurden Calcium-Imaging Experimente durchgeführt, um die Neurotransmitter-abhängigen Veränderungen in der intrazellulären Calcium-Konzentration zu messen. Darüber hinaus wurde die Signalkaskade des Neuropeptids Pigment Dispersing Factor (PDF), dem wichtigsten Kopplungsfaktor in circadianen Schrittmachern von Insekten, in Calcium-Imaging und Förster-Resonanzenergietransfer (FRET) Experimenten untersucht. Acetylcholin (ACh) erhöht die intrazelluläre Calcium-Konzentration in der Mehrzahl der circadianen Schrittmacherneurone der Madeiraschabe. Applikation von GABA, Serotonin und Octopamin erhöhten oder reduzierten die intrazelluläre Calcium-Konzentration in den AME-Neuronen, während Histamin und Glutamat die intrazelluläre Calcium-Konzentration ausschließlich reduzierten. Pharmakologische Experimente zeigten, dass die AME-Neurone ACh über ionotrope nikotinische ACh-Rezeptoren detektierten, während GABA über ionotrope GABAA-Rezeptoren und metabotrope GABAB-Rezeptoren detektiert wurde. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass die circadiane Aktivität der Schabe durch verschiedene Eingänge, einschließlich ACh, GABA, Glutamat, Histamin, Octopamin und Serotonin, moduliert wird. Bei den FRET Studien wurde ein Proteinkinase A (PKA)-basierter FRET Sensor zur Detektion von cyclischem AMP (cAMP) verwendet. Es wurde gezeigt, dass PDF über Adenylylcyclase-abhängige und -unabhängige Signalwege wirken kann. Zusätzlich wurden Laufrad-Assays durchgeführt, um Phasenverschiebungen im Rhythmus der circadianen Laufaktivität zu detektieren, nachdem der Neurotransmitter Histamin zu verschiedenen circadianen Zeiten injiziert wurde. Histamin-Injektionen durch die Komplexaugen der Schabe ergaben eine biphasische Phasenantwortkurve (phase response curve) mit Phasenverzögerungen in der Laufaktivität am späten subjektiven Tag und am Beginn der subjektiven Nacht und Phasenbeschleunigungen in der späten subjektiven Nacht. Schließlich wurde eine extrazelluläre Ableittechnik an lebenden Schaben etabliert, die gleichzeitige Langzeit-Ableitungen von der AME, des Komplexauges (Elektroretinogramm = ERG), und der Beinmuskulatur (Elektromyogramm = EMG) für mehrere Tage ermöglichte. Diese Methode bietet einen Ausgangspunkt für weitere elektrophysiologische Untersuchungen des circadianen Systems der Schabe, in denen Substanzen (z.B. Neurotransmitter und Neuropeptide) analysiert werden können, die einen Einfluss auf den circadianen Rhythmus in der Laufaktivität haben

Physiological analysis of central and peripheral insect circadian pacemaker neurons

Alle bisher untersuchten Lebewesen besitzen (circadiane) innere Uhren, die eine endogene Perioden-länge von ungefähr 24 Stunden generieren. Eine innere Uhr kann über Zeitgeber mit der Umwelt synchronisiert werden und ermöglicht dem Organismus, rhythmische Umweltveränderungen vorweg zu nehmen. Neben einem zentralen Schrittmacher, der Physiologie und Verhalten des Organismus steuert, gibt es in unterschiedlichen Organen auch periphere Uhren, die die zeitlichen Abläufe in der spezifischen Funktion dieser Organe steuern. In dieser Arbeit sollten zentrale und periphere Schrittmacherneurone von Insekten physiologisch untersucht und verglichen werden. Die Neurone der akzessorischen Medulla (AME) von Rhyparobia maderae dienten als Modellsystem für zentrale Schrittmacher, während olfaktorische Rezeptorneurone (ORNs) von Manduca sexta als Modellsystem für periphere Schrittmacher dienten. Die zentralen Schrittmacherneurone wurden in extrazellulären Ableitungen an der isolierten AME (Netzwerkebene) und in Patch-Clamp Experimenten an primären AME Zellkulturen (Einzelzellebene) untersucht. Auf Netzwerkebene zeigten sich zwei charakteristische Aktivitätsmuster: regelmäßige Aktivität und Wechsel zwischen hoher und niedriger Aktivität (Oszillationen). Es wurde gezeigt, dass Glutamat ein Neurotransmitter der weitverbreiteten inhibitorischen Synapsen der AME ist, und dass in geringem Maße auch exzitatorische Synapsen vorkommen. Das Neuropeptid pigment-dispersing factor (PDF), das von nur wenigen AME Neuronen exprimiert wird und ein wichtiger Kopplungsfaktor im circadianen System ist, führte zu Hemmungen, Aktivierungen oder Oszillationen. Die Effekte waren transient oder langanhaltend und wurden wahrscheinlich durch den sekundären Botenstoff cAMP vermittelt. Ein Zielmolekül von cAMP war vermutlich exchange protein directly activated by cAMP (EPAC). Auf Einzelzellebene wurde gezeigt, dass die meisten AME Neurone depolarisiert waren und deshalb nicht feuerten. Die Analyse von Strom-Spannungs-Kennlinien und pharmakologische Experimente ergaben, dass unterschiedliche Ionenkanäle vorhanden waren (Ca2+, Cl-, K+, Na+ Kanäle sowie nicht-spezifische Kationenkanäle). Starke, bei hohen Spannungen aktivierende Ca2+ Ströme (ICa) könnten eine wichtige Rolle bei Ca2+-abhängiger Neurotransmitter-Ausschüttung, Oszillationen, und Aktionspotentialen spielen. PDF hemmte unterschiedliche Ströme (ICa, IK und INa) und aktivierte nicht-spezifische Kationenströme (Ih). Es wurde angenommen, dass simultane PDF-abhängige Hyper- und Depolarisationen rhythmische Membranpotential-Oszillationen verursachen. Dieser Mechanismus könnte eine Rolle bei PDF-abhängigen Synchronisationen spielen. Die Analyse peripherer Schrittmacherneurone konzentrierte sich auf die Charakterisierung des olfaktorischen Corezeptors von M. sexta (MsexORCO). In anderen Insekten ist ORCO für die Membran-Insertion von olfaktorischen Rezeptoren (ORs) erforderlich. ORCO bildet Komplexe mit den ORs, die in heterologen Expressionssystemen als Ionenkanäle fungieren und Duft-Antworten vermitteln. Es wurde die Hypothese aufgestellt, dass MsexORCO in pheromonsensitiven ORNs in vivo nicht als Teil eines ionotropen Rezeptors sondern als Schrittmacherkanal fungiert, der unterschwellige Membranpotential-Oszillationen generiert. MsexORCO wurde mit vermeintlichen Pheromonrezeptoren in human embryonic kidney (HEK 293) Zellen coexprimiert. Immuncytochemie und Ca2+ Imaging Experimente zeigten sehr schwache Expressionsraten. Trotzdem war es möglich zu zeigen, dass MsexORCO wahrscheinlich ein spontan-aktiver, Ca2+-permeabler Ionenkanal ist, der durch den ORCO-Agonisten VUAA1 und cyclische Nucleotide aktiviert wird. Außerdem wiesen die Experimente darauf hin, dass MsexOR-1 offensichtlich der Bombykal-Rezeptor ist. Eine weitere Charakterisierung von MsexORCO in primären M. sexta ORN Zellkulturen konnte nicht vollendet werden, weil die ORNs nicht signifikant auf ORCO-Agonisten oder -Antagonisten reagierten.

The function of SIFamide, PDF, and further neuropeptides in the circadian system of Rhyparobia maderae

Der täglich Wechsel von Hell- und Dunkelphasen führte während der Evolution zur Entwicklung innerer Uhren in nahezu allen Organismen. In der Schabe Rhyparobia maderae lokalisierten Läsions- und Transplantationsexperimente die innere Uhr in der akzessorischen Medulla (AME). Dieses kleine birnenförmige Neuropil am ventromedianen Rand der Medulla ist mit etwa 240 Neuronen assoziiert, die eine hohe Anzahl an zum Teil kolokalisierten Neuropeptiden und Neurotransmittern exprimieren. Diese Signalstoffe scheinen essentiell zu sein für die Synchronisation der inneren Uhr mit der Umwelt, der Kopplung der beiden bilateralen AME, der Aufrechterhaltung des circadianen Rhythmus sowie der zeitlichen Steuerung bestimmter Verhaltensweisen. Während die Funktion einiger dieser neuronalen Botenstoffe bereits gut untersucht ist, fehlt sie für andere. Zudem ist noch ungeklärt, wann einzelne Botenstoffe im circadianen Netzwerk agieren. Im Fokus dieser Studie lag daher die Erforschung der Funktion von SIFamide und Corazonin im circadianen Netzwerk sowie die weitere Untersuchung der Funktionen der Neuropeptide MIP und PDF. Es konnte gezeigt werden, dass SIFamide auch in R. maderae in vier großen neurosekretorischen Zellen in der pars intercerebralis exprimiert wird. Varikosenreiche SIFamide-immureaktive (-ir) Fasern innervieren eine Vielzahl an Neuropilen und finden sich auch in der Hüllregion der AME. Injektionsexperimente resultierten in einer monophasischen Phasen-Antwort-Kurve (PRC) mit einer Verzögerung zur frühen subjektiven Nacht. SIFamide ist also ein Eingangssignal für das circadiane Netzwerk und könnte in der Kontrolle der Schalf/Wach-Homöostase involviert sein. Auch Corazonin fungiert als Eingangssignal. Da die Injektionsexperimente in einer monophasischen PRC mit einem Phasenvorschub zur späten subjektiven Nacht resultierten, ist davon auszugehen, dass die Corazonin-ir AME-Zelle Bestandteil des Morning-Oszillator-Netzwerkes in R. maderae ist. Darüber hinaus zeigten Backfill-Experimente, dass MIP an der Kopplung beider AMAE beteiligt ist. ELISA-Quantifizierungen der PDF-Level im Tagesverlauf ergaben Schwankungen in der Konzentration, die auf eine Ausschüttung des Peptids während des Tages hindeuten – ähnlich wie es in Drosophila melanogaster der Fall ist. Dies spiegelt sich in der vervollständigten bimodalen PDF-PRC wieder. Hier führen Injektionen zu einem Phasenvorschub, bevor maximale Peptidlevel erreicht werden, sowie zu einer Phasenverzögerung, sobald die Peptidlevel wieder zu sinken beginnen. Die PRCs erlauben somit Rückschlüsse auf den Zeitpunkt der maximalen Peptidfreisetzung. PDF-ir Neuriten findet sich zudem in sämtlichen Ganglien des ventralen Strickleiternervensystems, was eine Funktion in der Kontrolle der Prozesse impliziert, die durch die Mustergeneratoren in Thorakal- und Abdominalganglien gesteuert werden.

Endothelin-converting enzyme-1 regulates trafficking and signalling of the neurokinin 1 receptor in endosomes of myenteric neurones

Neuropeptide signalling at the plasma membrane is terminated by neuropeptide degradation by cell-surface peptidases, and by beta-arrestin-dependent receptor desensitization and endocytosis. However, receptors continue to signal from endosomes by beta-arrestin-dependent processes, and endosomal sorting mediates recycling and resensitization of plasma membrane signalling. The mechanisms that control signalling and trafficking of receptors in endosomes are poorly defined. We report a major role for endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) in controlling substance P (SP) and the neurokinin 1 receptor (NK(1)R) in endosomes of myenteric neurones. ECE-1 mRNA and protein were expressed by myenteric neurones of rat and mouse intestine. SP (10 nM, 10 min) induced interaction of NK(1)R and beta-arrestin at the plasma membrane, and the SP-NK(1)R-beta-arrestin signalosome complex trafficked by a dynamin-mediated mechanism to ECE-1-containing early endosomes, where ECE-1 can degrade SP. After 120 min, NK(1)R recycled from endosomes to the plasma membrane. ECE-1 inhibitors (SM-19712, PD-069185) and the vacuolar H(+)ATPase inhibitor bafilomycin A(1), which prevent endosomal SP degradation, suppressed NK(1)R recycling by >50%. Preincubation of neurones with SP (10 nM, 5 min) desensitized Ca(2+) transients to a second SP challenge after 10 min, and SP signals resensitized after 60 min. SM-19712 inhibited NK(1)R resensitization by >90%. ECE-1 inhibitors also caused sustained SP-induced activation of extracellular signal-regulated kinases, consistent with stabilization of the SP-NK(1)R-beta-arrestin signalosome. By degrading SP and destabilizing endosomal signalosomes, ECE-1 has a dual role in controlling endocytic signalling and trafficking of the NK(1)R: promoting resensitization of G protein-mediated plasma membrane signalling, and terminating beta-arrestin-mediated endosomal signalling.

Endosomal endothelin-converting enzyme-1: a regulator of beta-arrestin-dependent ERK signaling

Neuropeptide signaling at the cell surface is regulated by metalloendopeptidases, which degrade peptides in the extracellular fluid, and beta-arrestins, which interact with G protein-coupled receptors (GPCRs) to mediate desensitization. beta-Arrestins also recruit GPCRs and mitogen-activated protein kinases to endosomes to allow internalized receptors to continue signaling, but the mechanisms regulating endosomal signaling are unknown. We report that endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1) degrades substance P (SP) in early endosomes of epithelial cells and neurons to destabilize the endosomal mitogen-activated protein kinase signalosome and terminate signaling. ECE-1 inhibition caused endosomal retention of the SP neurokinin 1 receptor, beta-arrestins, and Src, resulting in markedly sustained ERK2 activation in the cytosol and nucleus, whereas ECE-1 overexpression attenuated ERK2 activation. ECE-1 inhibition also enhanced SP-induced expression and phosphorylation of the nuclear death receptor Nur77, resulting in cell death. Thus, endosomal ECE-1 attenuates ERK2-mediated SP signaling in the nucleus to prevent cell death. We propose that agonist availability in endosomes, here regulated by ECE-1, controls beta-arrestin-dependent signaling of endocytosed GPCRs.

Endothelin-converting enzyme 1 promotes re-sensitization of neurokinin 1 receptor-dependent neurogenic inflammation

BACKGROUND AND PURPOSE: The metalloendopeptidase endothelin-converting enzyme 1 (ECE-1) is prominently expressed in the endothelium where it converts big endothelin to endothelin-1, a vasoconstrictor peptide. Although ECE-1 is found in endosomes in endothelial cells, the role of endosomal ECE-1 is unclear. ECE-1 degrades the pro-inflammatory neuropeptide substance P (SP) in endosomes to promote recycling and re-sensitization of its neurokinin 1 (NK(1)) receptor. We investigated whether ECE-1 regulates NK(1) receptor re-sensitization and the pro-inflammatory effects of SP in the endothelium. EXPERIMENTAL APPROACH: We examined ECE-1 expression, SP trafficking and NK(1) receptor re-sensitization in human microvascular endothelial cells (HMEC-1), and investigated re-sensitization of SP-induced plasma extravasation in rats. KEY RESULTS: HMEC-1 expressed all four ECE-1 isoforms (a-d), and fluorescent SP trafficked to early endosomes containing ECE-1b/d. The ECE-1 inhibitor SM-19712 prevented re-sensitization of SP-induced Ca2+ signals in HMEC-1 cells. Immunoreactive ECE-1 and NK(1) receptors co-localized in microvascular endothelial cells in the rat. SP-induced extravasation of Evans blue in the urinary bladder, skin and ears of the rat desensitized when the interval between two SP injections was 10 min, and re-sensitized after 480 min. SM-19712 inhibited this re-sensitization. CONCLUSIONS AND IMPLICATIONS: By degrading endocytosed SP, ECE-1 promotes the recycling and re-sensitization of NK(1) receptors in endothelial cells, and thereby induces re-sensitization of the pro-inflammatory effects of SP. Thus, ECE-1 inhibitors may ameliorate the pro-inflammatory actions of SP.

Endothelin-converting enzyme-1 degrades internalized somatostatin-14

Agonist-induced internalization of somatostatin receptors (ssts) determines subsequent cellular responsiveness to peptide agonists and influences sst receptor scintigraphy. To investigate sst2A trafficking, rat sst2A tagged with epitope was expressed in human embryonic kidney cells and tracked by antibody labeling. Confocal microscopical analysis revealed that stimulation with sst and octreotide induced internalization of sst2A. Internalized sst2A remained sequestrated within early endosomes, and 60 min after stimulation, internalized sst2A still colocalized with beta-arrestin1-enhanced green fluorescence protein (EGFP), endothelin-converting enzyme-1 (ECE-1), and rab5a. Internalized (125)I-Tyr(11)-SST-14 was rapidly hydrolyzed by endosomal endopeptidases, with radioactive metabolites being released from the cell. Internalized (125)I-Tyr(1)-octreotide accumulated as an intact peptide and was released from the cell as an intact peptide ligand. We have identified ECE-1 as one of the endopeptidases responsible for inactivation of internalized SST-14. ECE-1-mediated cleavage of SST-14 was inhibited by the specific ECE-1 inhibitor, SM-19712, and by preventing acidification of endosomes using bafilomycin A(1). ECE-1 cleaved SST-14 but not octreotide in an acidic environment. The metallopeptidases angiotensin-1 converting enzyme and ECE-2 did not hydrolyze SST-14 or octreotide. Our results show for the first time that stimulation with SST-14 and octreotide induced sequestration of sst2A into early endosomes and that endocytosed SST-14 is degraded by endopeptidases located in early endosomes. Furthermore, octreotide was not degraded by endosomal peptidases and was released as an intact peptide. This mechanism may explain functional differences between octreotide and SST-14 after sst2A stimulation. Moreover, further investigation of endopeptidase-regulated trafficking of neuropeptides may result in novel concepts of neuropeptide receptor inactivation in cancer diagnosis.

4-Hydroxynonenal, an endogenous aldehyde, causes pain and neurogenic inflammation through activation of the irritant receptor TRPA1

TRPA1 is an excitatory ion channel expressed by a subpopulation of primary afferent somatosensory neurons that contain substance P and calcitonin gene-related peptide. Environmental irritants such as mustard oil, allicin, and acrolein activate TRPA1, causing acute pain, neuropeptide release, and neurogenic inflammation. Genetic studies indicate that TRPA1 is also activated downstream of one or more proalgesic agents that stimulate phospholipase C signaling pathways, thereby implicating this channel in peripheral mechanisms controlling pain hypersensitivity. However, it is not known whether tissue injury also produces endogenous proalgesic factors that activate TRPA1 directly to augment inflammatory pain. Here, we report that recombinant or native TRPA1 channels are activated by 4-hydroxy-2-nonenal (HNE), an endogenous alpha,beta-unsaturated aldehyde that is produced when reactive oxygen species peroxidate membrane phospholipids in response to tissue injury, inflammation, and oxidative stress. HNE provokes release of substance P and calcitonin gene-related peptide from central (spinal cord) and peripheral (esophagus) nerve endings, resulting in neurogenic plasma protein extravasation in peripheral tissues. Moreover, injection of HNE into the rodent hind paw elicits pain-related behaviors that are inhibited by TRPA1 antagonists and absent in animals lacking functional TRPA1 channels. These findings demonstrate that HNE activates TRPA1 on nociceptive neurons to promote acute pain, neuropeptide release, and neurogenic inflammation. Our results also provide a mechanism-based rationale for developing novel analgesic or anti-inflammatory agents that target HNE production or TRPA1 activation.

Endothelin-converting enzyme 1 degrades neuropeptides in endosomes to control receptor recycling

Neuropeptide signaling requires the presence of G protein-coupled receptors (GPCRs) at the cell surface. Activated GPCRs interact with beta-arrestins, which mediate receptor desensitization, endocytosis, and mitogenic signaling, and the peptide-receptor-arrestin complex is sequestered into endosomes. Although dissociation of beta-arrestins is required for receptor recycling and resensitization, the critical event that initiates this process is unknown. Here we report that the agonist availability in the endosomes, controlled by the membrane metalloendopeptidase endothelin-converting enzyme 1 (ECE-1), determines stability of the peptide-receptor-arrestin complex and regulates receptor recycling and resensitization. Substance P (SP) binding to the tachykinin neurokinin 1 receptor (NK1R) induced membrane translocation of beta-arrestins followed by trafficking of the SP-NK1R-beta-arrestin complex to early endosomes containing ECE-1a-d. ECE-1 degraded SP in acidified endosomes, disrupting the complex; beta-arrestins returned to the cytosol, and the NK1R, freed from beta-arrestins, recycled and resensitized. An ECE-1 inhibitor, by preventing NK1R recycling in endothelial cells, inhibited resensitization of SP-induced inflammation. This mechanism is a general one because ECE-1 similarly regulated NK3R resensitization. Thus, peptide availability in endosomes, here regulated by ECE-1, determines the stability of the peptide-receptor-arrestin complex. This mechanism regulates receptor recycling, which is necessary for sustained signaling, and it may also control beta-arrestin-dependent mitogenic signaling of endocytosed receptors. We propose that other endosomal enzymes and transporters may similarly control the availability of transmitters in endosomes to regulate trafficking and signaling of GPCRs. Antagonism of these endosomal processes represents a strategy for inhibiting sustained signaling of receptors, and defects may explain the tachyphylaxis of drugs that are receptor agonists.