Chronic stress promotes tumor growth through increased BDNF production and neo-innervation

Background: Activation of the sympathetic nervous system (SNS) in response to chronic biobehavioral stress results in high levels of catecholamines and persistent activation of adrenergic signaling, which promotes tumor growth and progression. However it is unknown how catecholamine levels within the tumor exceed systemic levels in circulation. I hypothesized that neo-innervation of tumors is required for stress-mediated effects on tumor growth. Results: First, I examined whether sympathetic nerves are present in human ovarian cancer samples as well as orthotopic ovarian cancer models. Immunohistochemical (IHC) staining for neurofilament revealed that catecholaminergic neurons are present within tumor tissue. In order to determine whether chronic stress affects the density of nerves in the tumor, I utilized an orthotopic mouse model of ovarian cancer that was exposed to daily restraint stress. IHC analysis revealed that nerve density in tumors increased by more than three-fold in stressed animals versus non-stressed controls. IHC analysis suggested that this results from both recruitment of existing neurons (axonogenesis) as well as new neuron formation (neurogenesis) within the tumor. To determine how tumors are recruiting nerve growth, I utilized a PCR array analysis of 84 nerve growth related genes and their receptors, which showed that stimulation of the SKOV3 ovarian cancer cell line with norepinephrine (NE) leads to increased expression of several neurotrophins, including brain-derived neurotrophic factor (BDNF). Neurite extension assays showed that media conditioned by ovarian cancer cell lines is capable of inducing neurite outgrowth in differentiated neuron-like PC12 cells, and NE treatment of cancer cells potentiates this effect. Norepinephrine-induced neurite extension was abolished after BDNF silencing by siRNA, suggesting that BDNF is critical to tumor cell-induced nerve growth. in vivo BDNF inhibition resulted in complete abrogation of stress-induced increases in tumor weight and nerve density, as well as downstream markers of stress. Discussion: These studies indicate that adrenergic signalling induced by chronic stress promotes neo-innervation in the tumor microenvironment. This results in a mutually beneficial relationship between the tumor cells and neurons. This work is crucial for providing a link between chronic stress and its effects on the tumor and its microenvironment. The data shown here aims to open new venues that can be used in development of therapies designed to block the stress effects on tumor growth.

Impaired motor coordination and persistent multiple climbing fiber innervation of cerebellar Purkinje cells in mice lacking Gαq

Mice lacking the α-subunit of the heterotrimeric guanine nucleotide binding protein Gq (Gαq) are viable but suffer from ataxia with typical signs of motor discoordination. The anatomy of the cerebellum is not overtly disturbed, and excitatory synaptic transmission from parallel fibers to cerebellar Purkinje cells (PCs) and from climbing fibers (CFs) to PCs is functional. However, about 40% of adult Gαq mutant PCs remain multiply innervated by CFs because of a defect in regression of supernumerary CFs in the third postnatal week. Evidence is provided suggesting that Gαq is part of a signaling pathway that is involved in the elimination of multiple CF innervation during this period.

Nontropic actions of neurotrophins: Subcortical nerve growth factor gene delivery reverses age-related degeneration of primate cortical cholinergic innervation

Normal aging is associated with a significant reduction in cognitive function across primate species. However, the structural and molecular basis for this age-related decline in neural function has yet to be defined clearly. Extensive cell loss does not occur as a consequence of normal aging in human and nonhuman primate species. More recent studies have demonstrated significant reductions in functional neuronal markers in subcortical brain regions in primates as a consequence of aging, including dopaminergic and cholinergic systems, although corresponding losses in cortical innervation from these neurons have not been investigated. In the present study, we report that aging is associated with a significant 25% reduction in cortical innervation by cholinergic systems in rhesus monkeys (P < 0.001). Further, these age-related reductions are ameliorated by cellular delivery of human nerve growth factor to cholinergic somata in the basal forebrain, restoring levels of cholinergic innervation in the cortex to those of young monkeys (P = 0.89). Thus, (i) aging is associated with a significant reduction in cortical cholinergic innervation; (ii) this reduction is reversible by growth-factor delivery; and (iii) growth factors can remodel axonal terminal fields at a distance, representing a nontropic action of growth factors in modulating adult neuronal structure and function (i.e., administration of growth factors to cholinergic somata significantly increases axon density in terminal fields). These findings are relevant to potential clinical uses of growth factors to treat neurological disorders.

Reduced sympathetic innervation after alteration of target cell neurotransmitter phenotype in transgenic mice.

Neurotransmitters play a variety of important roles during nervous system development. In the present study, we hypothesized that neurotransmitter phenotype of both projecting and target cells is an important factor for the final synaptic linkage and its specificity. To test this hypothesis, we used transgenic techniques to convert serotonin/melatonin-producing cells of the pineal gland into cells that also produce dopamine and investigated the innervation of the phenotypically altered target cells. This phenotypic alteration markedly reduced the noradrenergic innervation originating from the superior cervical ganglia. Although the mechanism by which the reduction occurs is presently unknown, quantitative enzyme-linked immunoassay showed the presence of the equivalent amounts of nerve growth factor (NGF) in the control and transgenic pineal glands, suggesting that it occurred in a NGF-independent manner. The results suggest that target neurotransmitter phenotype influences the formation of afferent connections during development.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

The role of mechanistic target of rapamycin (mTOR) pathway and synaptic protein GABAA-R in cortical GABAergic cell connectivity

Quelque 30 % de la population neuronale du cortex mammalien est composée d’une population très hétérogène d’interneurones GABAergiques. Ces interneurones diffèrent quant à leur morphologie, leur expression génique, leurs propriétés électrophysiologiques et leurs cibles subcellulaires, formant une riche diversité. Après leur naissance dans les éminences ganglioniques, ces cellules migrent vers les différentes couches corticales. Les interneurones GABAergiques corticaux exprimant la parvalbumin (PV), lesquels constituent le sous-type majeur des interneurones GABAergiques, ciblent spécifiquement le soma et les dendrites proximales des neurones principaux et des neurones PV+. Ces interneurones sont nommés cellules à panier (Basket Cells –BCs) en raison de la complexité morphologique de leur axone. La maturation de la connectivité distincte des BCs PV+, caractérisée par une augmentation de la complexité de l’axone et de la densité synaptique, se déroule graduellement chez la souris juvénile. Des travaux précédents ont commencé à élucider les mécanismes contrôlant ce processus de maturation, identifiant des facteurs génétiques, l’activité neuronale ainsi que l’expérience sensorielle. Cette augmentation marquante de la complexité axonale et de la synaptogénèse durant cette phase de maturation suggère la nécessité d’une synthèse de protéines élevée. La voie de signalisation de la cible mécanistique de la rapamycine (Mechanistic Target Of Rapamycin -mTOR) a été impliquée dans le contrôle de plusieurs aspects neurodéveloppementaux en régulant la synthèse de protéines. Des mutations des régulateurs Tsc1 et Tsc2 du complexe mTOR1 causent la sclérose tubéreuse (TSC) chez l’humain. La majorité des patients TSC développent des problèmes neurologiques incluant des crises épileptiques, des retards mentaux et l’autisme. D’études récentes ont investigué le rôle de la dérégulation de la voie de signalisation de mTOR dans les neurones corticaux excitateurs. Toutefois, son rôle dans le développement des interneurones GABAergiques corticaux et la contribution spécifique de ces interneurones GABAergiques altérés dans les manifestations de la maladie demeurent largement inconnus. Ici, nous avons investigué si et comment l’ablation du gène Tsc1 perturbe le développement de la connectivité GABAergique, autant in vitro que in vivo. Pour investiguer le rôle de l’activation de mTORC1 dans le développement d’une BC unique, nous avons délété le gène Tsc1 en transfectant CRE-GFP dirigé par un promoteur spécifique aux BCs dans des cultures organotypiques provenant de souris Tsc1lox. Le knockdown in vitro de Tsc1 a causé une augmentation précoce de la densité des boutons et des embranchements terminaux formés par les BCs mutantes, augmentation renversée par le traitement à la rapamycine. Ces données suggèrent que l’hyperactivation de la voie de signalisation de mTOR affecte le rythme de la maturation des synapses des BCs. Pour investiguer le rôle de mTORC1 dans les interneurones GABAergiques in vivo, nous avons croisé les souris Tsc1lox avec les souris Nkx2.1-Cre et PV-Cre. À P18, les souris Tg(Nkx2.1-Cre);Tsc1flox/flox ont montré une hyperactivation de mTORC1 et une hypertrophie somatique des BCs de même qu’une augmentation de l’expression de PV dans la région périsomatique des neurones pyramidaux. Au contraire, à P45 nous avons découvert une réduction de la densité des punctas périsomatiques PV-gephyrin (un marqueur post-synaptique GABAergique). L’étude de la morphologie des BCs en cultures organotypiques provenant du knock-out conditionnel Nkx2.1-Cre a confirmé l’augmentation initiale du rythme de maturation, lequel s’effondre ensuite aux étapes développementales tardives. De plus, les souris Tg(Nkx2.1Cre);Tsc1flox/flox montrent des déficits dans la mémoire de travail et le comportement social et ce d’une façon dose-dépendante. En somme, ces résultats suggèrent que l’activation contrôlée de mTOR régule le déroulement de la maturation et la maintenance des synapses des BCs. Des dysfonctions de la neurotransmission GABAergique ont été impliquées dans des maladies telles que l’épilepsie et chez certains patients, elles sont associées avec des mutations du récepteur GABAA. De quelle façon ces mutations affectent le processus de maturation des BCs demeuret toutefois inconnu. Pour adresser cette question, nous avons utilisé la stratégie Cre-lox pour déléter le gène GABRA1, codant pour la sous-unité alpha-1 du récepteur GABAA dans une unique BC en culture organotypique. La perte de GABRA1 réduit l’étendue du champ d’innervation des BCs, suggérant que des variations dans les entrées inhibitrices en raison de l’absence de la sous-unité GABAAR α1 peuvent affecter le développement des BCs. La surexpression des sous-unités GABAAR α1 contenant des mutations identifiées chez des patients épileptiques ont montré des effets similaires en termes d’étendue du champ d’innervation des BCs. Pour approfondir, nous avons investigué les effets de ces mutations identifiées chez l’humain dans le développement des épines des neurones pyramidaux, lesquelles sont l’endroit privilégié pour la formation des synapses excitatrices. Somme toute, ces données montrent pour la première fois que différentes mutations de GABRA1 associées à des syndromes épileptiques peuvent affecter les épines dendritiques et la formation des boutons GABAergiques d’une façon mutation-spécifique.

Étude de l'innervation du coeur des vertébrés à l'aide de la méthode de Golgi

Mode of access: Internet.

Glycinergic and GABAergic synaptic activity differentially regulate motoneuron survival and skeletal muscle innervation

GABAergic and glycinergic synaptic transmission is proposed to promote the maturation and refinement of the developing CNS. Here we provide morphological and functional evidence that glycinergic and GABAergic synapses control motoneuron development in a region-specific manner during programmed cell death. In gephyrin-deficient mice that lack all postsynaptic glycine receptor and some GABA(A) receptor clusters, there was increased spontaneous respiratory motor activity, reduced respiratory motoneuron survival, and decreased innervation of the diaphragm. In contrast, limb-innervating motoneurons showed decreased spontaneous activity, increased survival, and increased innervation of their target muscles. Both GABA and glycine increased limb-innervating motoneuron activity and decreased respiratory motoneuron activity in wild-type mice, but only glycine responses were abolished in gephyrin-deficient mice. Our results provide genetic evidence that the development of glycinergic and GABAergic synaptic inputs onto motoneurons plays an important role in the survival, axonal branching, and spontaneous activity of motoneurons in developing mammalian embryos.

Cholinergic and adrenergic innervation of lingual salt glands of the estuarine crocodile, Crocodylus porosus

Many marine reptiles and birds possess extrarenal salt glands that facilitate the excretion of excess sodium and chloride ions accumulated as a consequence of living in saline environments. Control of the secretory activity of avian salt glands is under neural control, but little information is available on the control of reptilian salt glands. Innervation of the lingual salt glands of the salt water crocodile, Crocodylus porosus, was examined in salt water-acclimated animals using histological methods. Extensive networks of both cholinergic and adrenergic nerve fibres were identified close to salt-secreting lobules and vasculature. The identification of both catecholamine-containing and cholinergic neurons in the salt gland epithelium and close to major blood vessels in the tissue suggests the action of the neurotransmitters on the salt-secreting epithelium itself and the rich vascular network of the lingual salt glands.

Innervation of the rat oesophagus

DUE TO COPYRIGHT RESTRICTIONS ONLY AVAILABLE FOR CONSULTATION AT ASTON UNIVERSITY LIBRARY AND INFORMATION SERVICES WITH PRIOR ARRANGEMENT

Sympathetic innervation of ciliary muscle and oculomotor function in emmetropic and myopic young adults

Purpose: Evidence exists for an additional inhibitory accommodative control system mediated by the sympathetic branch of the autonomic nervous system (ANS). This work aims to show the relative prevalence of sympathetic inhibition in young emmetropic and myopic adults, and to evaluate the effect of sympathetic facility on accommodative and oculomotor function. Methods: Profiling of ciliary muscle innervation was carried out in 58 young adult subjects (30 emmetropes, 14 early onset myopes, 14 late onset myopes) by examining post-task open-loop accommodation responses, recorded continuously by a modified open-view infrared optometer. Measurements of amplitude of accommodation, tonic accommodation, accommodative lag at near, AC/A ratio, and heterophoria at distance and near were made to establish a profile of oculomotor function. Results: Evidence of sympathetic inhibitory facility in ciliary smooth muscle was observed in 27% of emmetropes, 21% of early-onset myopes and 29% of late-onset myopes. Twenty-six percent of all subjects demonstrated access to sympathetic facility. Closed-loop oculomotor function did not differ significantly between subjects with sympathetic facility, and those with sympathetic deficit. Conclusions: Emmetropic and myopic groups cannot be distinguished in terms of the relative proportions having access to sympathetic inhibition. Presence of sympathetic innervation does not have a significant effect on accommodative function under closed-loop viewing conditions. © 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.