Estradiol-induced hypophagia is associated with the differential mRNA expression of hypothalamic neuropeptides

Estradiol participates in the control of energy homeostasis, as demonstrated by an increase in food intake and in body weight gain after ovariectomy in rats. In the present study, female Wistar rats (200-230 g, N = 5-15 per group), with free access to chow, were individually housed in metabolic cages. We investigated food intake, body weight, plasma leptin levels, measured by specific radioimmunoassay, and the hypothalamic mRNA expression of orexigenic and anorexigenic neuropeptides, determined by real-time PCR, in ovariectomized rats with (OVX+E) and without (OVX) estradiol cypionate treatment (10 µg/kg body weight, sc, for 8 days). Hormonal and mRNA expression were determined at pre-feeding and 4 h after food intake. OVX+E rats showed lower food intake, less body weight gain and lower plasma leptin levels. In the OVX+E group, we also observed a reduction of neuropeptide Y (NPY), agouti-related protein (AgRP) and cocaine- and amphetamine-regulated transcript (CART) mRNA expression in the arcuate nucleus and a decrease in orexin A in the lateral hypothalamic area (LHA). There was an increase in leptin receptor (LepRb), melanocortin-4 receptor (MC4-R), CART, and mainly corticotropin-releasing hormone (CRH) mRNA in the paraventricular nucleus and LepRb and CART mRNA in the LHA. These data show that hypophagia induced by estradiol treatment is associated with reduced hypothalamic expression of orexigenic peptides such as NPY, AgRP and orexin A, and increased expression of the anorexigenic mediators MC4-R, LepRb and CRH. In conclusion, estradiol decreases food intake, and this effect seems to be mediated by peripheral factors such as leptin and the differential mRNA expression of neuropeptides in the hypothalamus.

Cardiovascular and autonomic modulation by the central nervous system after aerobic exercise training

The autonomic nervous system plays a key role in maintaining homeostasis under normal and pathological conditions. The sympathetic tone, particularly for the cardiovascular system, is generated by sympathetic discharges originating in specific areas of the brainstem. Aerobic exercise training promotes several cardiovascular adjustments that are influenced by the central areas involved in the output of the autonomic nervous system. In this review, we emphasize the studies that investigate aerobic exercise training protocols to identify the cardiovascular adaptations that may be the result of central nervous system plasticity due to chronic exercise. The focus of our study is on some groups of neurons involved in sympathetic regulation. They include the nucleus tractus solitarii, caudal ventrolateral medulla and the rostral ventrolateral medulla that maintain and regulate the cardiac and vascular autonomic tonus. We also discuss studies that demonstrate the involvement of supramedullary areas in exercise training modulation, with emphasis on the paraventricular nucleus of the hypothalamus, an important area of integration for autonomic and neuroendocrine responses. The results of these studies suggest that the beneficial effects of physical activity may be due, at least in part, to reductions in sympathetic nervous system activity. Conversely, with the recent association of physical inactivity with chronic disease, these data may also suggest that increases in sympathetic nervous system activity contribute to the increased incidence of cardiovascular diseases associated with a sedentary lifestyle.

Angiotensin-II-induced reactive oxygen species along the SFO-PVN-RVLM pathway: implications in neurogenic hypertension

Neurogenic hypertension has been the subject of extensive research worldwide. This review is based on the premise that some forms of neurogenic hypertension are caused in part by the formation of angiotensin-II (Ang-II)-induced reactive oxygen species along the subfornical organ-paraventricular nucleus of the hypothalamus-rostral ventrolateral medulla pathway (SFO-PVN-RVLM pathway). We will discuss the recent contribution of our laboratory and others regarding the mechanisms by which neurons in the SFO (an important circumventricular organ) are activated by Ang-II, how the SFO communicates with two other important areas involved in sympathetic activity regulation (PVN and RVLM) and how Ang-II-induced reactive oxygen species participate along the SFO-PVN-RVLM pathway in the pathogenesis of neurogenic hypertension.

Neural regulation of the stress response: glucocorticoid feedback mechanisms

The mammalian stress response is an integrated physiological and psychological reaction to real or perceived adversity. Glucocorticoids are an important component of this response, acting to redistribute energy resources to both optimize survival in the face of challenge and to restore homeostasis after the immediate challenge has subsided. Release of glucocorticoids is mediated by the hypothalamo-pituitary-adrenal (HPA) axis, driven by a neural signal originating in the paraventricular nucleus (PVN). Stress levels of glucocorticoids bind to glucocorticoid receptors in multiple body compartments, including the brain, and consequently have wide-reaching actions. For this reason, glucocorticoids serve a vital function in negative feedback inhibition of their own secretion. Negative feedback inhibition is mediated by a diverse collection of mechanisms, including fast, non-genomic feedback at the level of the PVN, stress-shut-off at the level of the limbic system, and attenuation of ascending excitatory input through destabilization of mRNAs encoding neuropeptide drivers of the HPA axis. In addition, there is evidence that glucocorticoids participate in stress activation via feed-forward mechanisms at the level of the amygdala. Feedback deficits are associated with numerous disease states, underscoring the necessity for adequate control of glucocorticoid homeostasis. Thus, rather than having a single, defined feedback ‘switch’, control of the stress response requires a wide-reaching feedback ‘network’ that coordinates HPA activity to suit the overall needs of multiple body systems.

Glial cell activity is maintained during prolonged inflammatory challenge in rats

We evaluated the expression of glial fibrillary acidic protein (GFAP), glutamine synthetase (GS), ionized calcium binding adaptor protein-1 (Iba-1), and ferritin in rats after single or repeated lipopolysaccharide (LPS) treatment, which is known to induce endotoxin tolerance and glial activation. Male Wistar rats (200-250 g) received ip injections of LPS (100 µg/kg) or saline for 6 days: 6 saline (N = 5), 5 saline + 1 LPS (N = 6) and 6 LPS (N = 6). After the sixth injection, the rats were perfused and the brains were collected for immunohistochemistry. After a single LPS dose, the number of GFAP-positive cells increased in the hypothalamic arcuate nucleus (ARC; 1 LPS: 35.6 ± 1.4 vs control: 23.1 ± 2.5) and hippocampus (1 LPS: 165.0 ± 3.0 vs control: 137.5 ± 2.5), and interestingly, 6 LPS injections further increased GFAP expression in these regions (ARC = 52.5 ± 4.3; hippocampus = 182.2 ± 4.1). We found a higher GS expression only in the hippocampus of the 6 LPS injections group (56.6 ± 0.8 vs 46.7 ± 1.9). Ferritin-positive cells increased similarly in the hippocampus of rats treated with a single (49.2 ± 1.7 vs 28.1 ± 1.9) or repeated (47.6 ± 1.1 vs 28.1 ± 1.9) LPS dose. Single LPS enhanced Iba-1 in the paraventricular nucleus (PVN: 92.8 ± 4.1 vs 65.2 ± 2.2) and hippocampus (99.4 ± 4.4 vs 73.8 ± 2.1), but had no effect in the retrochiasmatic nucleus (RCA) and ARC. Interestingly, 6 LPS increased the Iba-1 expression in these hypothalamic and hippocampal regions (RCA: 57.8 ± 4.6 vs 36.6 ± 2.2; ARC: 62.4 ± 6.0 vs 37.0 ± 2.2; PVN: 100.7 ± 4.4 vs 65.2 ± 2.2; hippocampus: 123.0 ± 3.8 vs 73.8 ± 2.1). The results suggest that repeated LPS treatment stimulates the expression of glial activation markers, protecting neuronal activity during prolonged inflammatory challenges.

Effects of social context on endocrine function and Zif268 expression in response to an acute stressor in adolescent and adult rats

There is a paucity of studies comparing social buffering in adolescents and adults, despite their marked differences in social behaviour. I investigated whether greater effects of social buffering on plasma corticosterone concentrations and expression of Zif268 in neural regions after an acute stressor would be found in adolescent compared with adult rats. Samples were obtained before and after one hour of isolation stress and after either one or three hours of recovery back in the colony with either a familiar or unfamiliar cage partner. Adolescent and adult rats did not differ in plasma concentrations of corticosterone at any time point. Corticosterone concentrations were higher after one hour isolation than at baseline (p < 0.001), and rats with a familiar partner during the recovery phase had lower corticosterone concentrations than did rats with an unfamiliar partner (p = 0.02). Zif268 immunoreactive cell counts were higher in the arcuate nucleus in both age groups after isolation (p = 0.007) and higher in the paraventricular nucleus of adolescents compared with adults during the recovery phase irrespective of partner familiarity. There was a significant decrease in immunoreactive cell counts after one hour isolation compared to baseline in the basolateral amygdala, central nucleus of the amygdala, and in the pyramidal layer of the hippocampus (all p < 0.05). An effect of partner familiarity on Zif268 immunoreactive cell counts was found in the granule layer of the dentate gyrus irrespective of age (higher in those with a familiar partner, p = 0.03) and in the medial prefrontal cortex in adolescents (higher with an unfamiliar partner, p = 0.02). Overall, the acute stress and partner familiarity produced a similar pattern of results in adolescents and adults, with both age groups sensitive to the social context.

Dissection du programme développemental du noyau paraventriculaire de l'hypothalamus.

Une cascade de facteurs de transcription composée de SIM1, ARNT2, OTP, BRN2 et SIM2 est requise pour la différenciation des cinq types cellulaires qui peuplent le noyau paraventriculaire (PVN) de l’hypothalamus, un régulateur critique de plusieurs processus physiologiques essentiels à la survie. De plus, l’haploinsuffisance de Sim1 est aussi une cause d’hyperphagie isolée chez la souris et chez l’homme. Nous désirons disséquer le programme développemental du PVN, via une approche intégrative, afin d’identifier de nouveaux gènes qui ont le potentiel de réguler l’homéostasie chez l’individu adulte. Premièrement, nous avons utilisé une approche incluant l’analyse du transcriptome du PVN à différents stades du développement de la souris pour identifier de tels gènes. Nous avons comparé les transcriptomes de l’hypothalamus antérieur chez des embryons de souris Sim1+/+ et Sim1-/- à E12.5 issus de la même portée. De cette manière, nous avons identifié 56 gènes agissant en aval de Sim1 dont 5 facteurs de transcription - Irx3, Sax1, Rxrg, Ror et Neurod6. Nous avons également proposé un modèle de développement à deux couches de l’hypothalamus antérieur. Selon ce modèle, les gènes qui occupent un domaine médial dans la zone du manteau caractérisent des cellules qui peupleront le PVN alors que les gènes qui ont une expression latérale identifient des cellules qui donneront plus tard naissance aux structures ventrolatérales de l’hypothalamus. Nous avons aussi démontré que Sim1 est impliqué à la fois dans la différenciation, la migration et la prolifération des neurones qui peuplent le PVN tout comme Otp. Nous avons également isolé par microdissection au laser le PVN et l’hypothalamus médiobasal chez des souris de type sauvage à E14.5 pour en comparer les transcriptomes. Ceci nous a permis d’identifier 34 facteurs de transcription spécifiques au PVN et 76 facteurs spécifiques à l’hypothalamus médiobasal. Ces gènes représentent des régulateurs potentiels du développement hypothalamique. Deuxièmement, nous avons identifié 3 blocs de séquences au sein de la région 5’ d’Otp qui sont conservés chez l’homme, la souris et le poisson. Nous avons construit un transgène qui est composé d’un fragment de 7 kb contenant ces blocs de séquences et d’un gène rapporteur. L’analyse de 4 lignées de souris a montré que ce transgène est uniquement exprimé dans le PVN en développement. Nous avons généré un deuxième transgène dans lequel le fragment de 7 kb est inséré en amont de l’ADNc de Brn2 ou Sim1 et de Gfp. Nous avons obtenu quatre lignées de souris dans lesquels le profil d’expression de Brn2 et de Gfp reproduit celui d’Otp. Nous étudierons le développement du PVN et la prise alimentaire chez ces souris. En parallèle, nous croisons ces lignées avec les souris déficientes en Sim1 pour déterminer si l’expression de Brn2 permet le développement des cellules du PVN en absence de Sim1. En résumé, nous avons généré le premier transgène qui est exprimé spécifiquement dans le PVN. Ce transgène constitue un outil critique pour la dissection du programme développemental de l’hypothalamus. Troisièmement, nous avons caractérisé le développement de l’hypothalamus antérieur chez l’embryon de poulet qui représente un modèle intéressant pour réaliser des études de perte et de gain de fonction au cours du développement de cette structure. Il faut souligner que le modèle de développement à deux couches de l’hypothalamus antérieur semble être conservé chez l’embryon de poulet où il est aussi possible de classer les gènes selon leur profil d’expression médio-latéral et le devenir des régions qu’ils définissent. Finalement, nous croyons que cette approche intégrative nous permettra d’identifier et de caractériser des régulateurs du développement du PVN qui pourront potentiellement être associés à des pathologies chez l’adulte telles que l’obésité ou l’hypertension.

Impact de l'haploinsuffisance du gène Sim1 sur le développement et la fonction du noyau paraventriculaire de l'hypothalamus

L’obésité provient d’un déséquilibre de l’homéostasie énergétique, c’est-à-dire une augmentation des apports caloriques et/ou une diminution des dépenses énergétiques. Plusieurs données, autant anatomiques que physiologiques, démontrent que l’hypothalamus est un régulateur critique de l’appétit et des dépenses énergétiques. En particulier, le noyau paraventriculaire (noyau PV) de l’hypothalamus intègre plusieurs signaux provenant du système nerveux central (SNC) et/ou de la périphérie, afin de contrôler l’homéostasie énergétique via des projections axonales sur les neurones pré-ganglionnaires du système autonome situé dans le troc cérébral et la moelle épinière. Plusieurs facteurs de transcription, impliqués dans le développement du noyau PV, ont été identifiés. Le facteur de transcription SIM1, qui est produit par virtuellement tous les neurones du noyau PV, est requis pour le développement du noyau PV. En effet, lors d’une étude antérieure, nous avons montré que le noyau PV ne se développe pas chez les souris homozygotes pour un allèle nul de Sim1. Ces souris meurent à la naissance, probablement à cause des anomalies du noyau PV. Par contre, les souris hétérozygotes survivent, mais développent une obésité précoce. De façon intéressante, le noyau PV des souris Sim1+/- est hypodéveloppé, contenant 24% moins de cellules. Ces données suggèrent fortement que ces anomalies du développement pourraient perturber le fonctionnement du noyau PV et contribuer au développement du phénotype d’obésité. Dans ce contexte, nous avons entrepris des travaux expérimentaux ayant pour but d’étudier l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur : 1) le développement du noyau PV et de ses projections neuronales efférentes; 2) l’homéostasie énergétique; et 3) les voies neuronales physiologiques contrôlant l’homéostasie énergétique chez les souris Sim1+/-. A cette fin, nous avons utilisé : 1) des injections stéréotaxiques combinées à des techniques d’immunohistochimie afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur le développement du noyau PV et de ses projections neuronales efférentes; 2) le paradigme des apports caloriques pairés, afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur l’homéostasie énergétique; et 3) une approche pharmacologique, c’est-à-dire l’administration intra- cérébroventriculaire (i.c.v.) et/ou intra-péritonéale (i.p.) de peptides anorexigènes, la mélanotane II (MTII), la leptine et la cholécystokinine (CCK), afin de déterminer l’impact de l’haploinsuffisance de Sim1 sur les voies neuronales contrôlant l’homéostasie énergétique. Dans un premier temps, nous avons constaté une diminution de 61% et de 65% de l’expression de l’ARN messager (ARNm) de l’ocytocine (Ot) et de l’arginine-vasopressine (Vp), respectivement, chez les embryons Sim1+/- de 18.5 jours (E18.5). De plus, le nombre de cellules produisant l’OT et la VP est apparu diminué de 84% et 41%, respectivement, chez les souris Sim1+/- adultes. L’analyse du marquage axonal rétrograde des efférences du noyau PV vers le tronc cérébral, en particulier ses projections sur le noyau tractus solitaire (NTS) aussi que le noyau dorsal moteur du nerf vague (X) (DMV), a permis de démontrer une diminution de 74% de ces efférences. Cependant, la composition moléculaire de ces projections neuronales reste inconnue. Nos résultats indiquent que l’haploinsuffisance de Sim1 : i) perturbe spécifiquement le développement des cellules produisant l’OT et la VP; et ii) abolit le développement d’une portion importante des projections du noyau PV sur le tronc cérébral, et notamment ses projections sur le NTS et le DMV. Ces observations soulèvent donc la possibilité que ces anomalies du développement du noyau PV contribuent au phénotype d’hyperphagie des souris Sim1+/-. En second lieu, nous avons observé que la croissance pondérale des souris Sim1+/- et des souris Sim1+/+ n’était pas significativement différente lorsque la quantité de calories présentée aux souris Sim1+/- était la même que celle consommée par les souris Sim1+/+. De plus, l’analyse qualitative et quantitative des tissus adipeux blancs et des tissus adipeux bruns n’a démontré aucune différence significative en ce qui a trait à la taille et à la masse de ces tissus chez les deux groupes. Finalement, au terme de ces expériences, les souris Sim1+/--pairées n’étaient pas différentes des souris Sim1+/+ en ce qui a trait à leur insulinémie et leur contenu en triglycérides du foie et des masses adipeuses, alors que tous ces paramètres étaient augmentés chez les souris Sim1+/- nourries ad libitum. Ces résultats laissent croire que l’hyperphagie, et non une diminution des dépenses énergétiques, est la cause principale de l’obésité des souris Sim1+/-. Par conséquent, ces résultats suggèrent que : i) l’haploinsuffisance de Sim1 est associée à une augmentation de l’apport calorique sans toutefois moduler les dépenses énergétiques; ii) l’existence d’au moins deux voies neuronales issues du noyau PV : l’une qui régule la prise alimentaire et l’autre la thermogénèse; et iii) l’haploinsuffisance de Sim1 affecte spécifiquement la voie neuronale qui régule la prise alimentaire. En dernier lieu, nous avons montré que l’injection de MTII, de leptine ainsi que de CCK induit une diminution significative de la consommation calorique des souris des deux génotypes, Sim1+/+ et Sim1+/-. De fait, la consommation calorique cumulative des souris Sim1+/- et Sim1+/+ est diminuée de 37% et de 51%, respectivement, durant les 4 heures suivant l’administration i.p. de MTII comparativement à l’administration d’une solution saline. Lors de l’administration i.c.v. de la leptine, la consommation calorique cumulative des souris Sim1+/- et Sim1+/+ est diminuée de 47% et de 32%, respectivement. Finalement, l’injection i.p. de CCK diminue la consommation calorique des souris Sim1+/- et Sim1+/+ de 52% et de 36%, respectivement. L’ensemble des résultats suggère ici que l’haploinsuffisance de Sim1 diminue l’activité de certaines voies neuronales régulant l’homéostasie énergétique, et particulièrement de celles qui contrôlent la prise alimentaire. En résumé, ces travaux ont montré que l’haploinsuffisance de Sim1 affecte plusieurs processus du développement au sein du noyau PV. Ces anomalies du développement peuvent conduire à des dysfonctions de certains processus physiologiques distincts régulés par le noyau PV, et notamment de la prise alimentaire, et contribuer ainsi au phénotype d’obésité. Les souris hétérozygotes pour le gène Sim1 représentent donc un modèle animal unique, où l’hyperphagie, et non les dépenses énergétiques, est la principale cause de l’obésité. En conséquence, ces souris pourraient représenter un modèle expérimental intéressant pour l’étude des mécanismes cellulaires et moléculaires en contrôle de la prise alimentaire.

Régulation transcriptionelle du développement de l'hypothalamus chez l'amphibien

Le noyau paraventriculaire (PVN) de l'hypothalamus régule une série de phénomènes physiologiques incluant l'équilibre énergétique et la pression artérielle. Nous avons identifié une cascade de facteurs de transcription qui contrôle le développement du PVN. SIM1 et OTP agissent en parallèle pour contrôler la différenciation d'au moins cinq types de neurones identifiables par la production d'OT, AVP, CRH, SS et TRH. Ces Facteurs de transcriptions contrôlent le développement des lignées CRH, AVP et OT en maintenant l'expression de Brn2 qui à son tour est nécessaire pour la différenciation terminale de ces neurones. L'analyse du transcriptome du PVN nous a permis d'identifier plusieurs gènes qui ont le potentiel de contrôler le développement du PVN. Nous voulons développer un paradigme de perte de fonction qui permettrait l'étude de ces gènes candidats sur une grande échelle. Le but de ce projet est de caractériser le PVN en développement de l'amphibien en vue de l'utilisation de ce modèle pour des études fonctionnelles. Nous avons cloné des fragments de cDNA de Sim1, OTP, Brn2, Sim2, CRH, Ot, AVP et TRH à partir de l'ARN total de Xenopus Laevis. Nous avons adapté notre technique d'hybridation in situ pour caractériser l'expression de ces gènes chez l'amphibien aux stades 33-39, 44, 51, 54, 60, et chez l'adulte. Résultats. Les Facteurs de transcription Sim1, OTP, et Brn2 commencent à être exprimés dans le PVN prospectif au stade 33. L'expression des marqueurs de différenciation terminale devient détectable entre les stades 37 et 39. De façon intéressante, le PVN occupe initialement un domaine de forme globulaire puis à partir du stade 44 s'allonge le long de l’axe dorso-ventral. Cet allongement se traduit par une organisation en colonnes des cellules du PVN que nous n'avons pas observée chez les rongeurs. Le développement du PVN est conservé chez l'amphibien dans la mesure où la relation entre l'expression des facteurs de transcription et des marqueurs de différenciation terminale est conservée. Il existe par ailleurs des différences entre la topographie des PVN des mammifères et de l'amphibien. L'organisation en colonnes de cellules pourrait correspondre à des mouvements de migration tangentielle. Nous sommes maintenant en mesure de tester la fonction des facteurs de transcription dans le PVN par l'approche d'invalidation par morpholinos.

The cannabinoid CB1 receptor antagonist SR141716 blocks the orexigenic effects of intrahypothalamic ghrelin

The paraventricular nucleus (PVN) of the hypothalamus plays a key role in the control of appetite and energy balance. Both ghrelin and cannabinoid receptor agonists increase food intake when administered into this nucleus: this study investigated possible interactions between the two systems in relation to eating. The orexigenic effect of ghrelin (100 pmol) when infused in to the PVN was reversed by a small, systemic dose of the CB1 cannabinoid receptor antagonist SR141716 (1 mg kg(-1)). This is the first demonstration of a functional relationship between brain ghrelin and endocannabinoid systems, and, although it needs to be further investigated, the effect of ghrelin on food intake when injected into the PVN seems to be mediated by stimulation of cannabinoid release.

Differential effects of two fermentable carbohydrates on central appetite regulation and body composition

BACKGROUND: Obesity is rising at an alarming rate globally. Different fermentable carbohydrates have been shown to reduce obesity. The aim of the present study was to investigate if two different fermentable carbohydrates (inulin and b-glucan) exert similar effects on body composition and central appetite regulation in high fat fed mice. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: Thirty six C57BL/6 male mice were randomized and maintained for 8 weeks on a high fat diet containing 0% (w/w) fermentable carbohydrate, 10% (w/w) inulin or 10% (w/w) b-glucan individually. Fecal and cecal microbial changes were measured using fluorescent in situ hybridization, fecal metabolic profiling was obtained by proton nuclear magnetic resonance (1H NMR), colonic short chain fatty acids were measured by gas chromatography, body composition and hypothalamic neuronal activation were measured using magnetic resonance imaging (MRI) and manganese enhanced MRI (MEMRI), respectively, PYY (peptide YY) concentration was determined by radioimmunoassay, adipocyte cell size and number were also measured. Both inulin and b-glucan fed groups revealed significantly lower cumulative body weight gain compared with high fat controls. Energy intake was significantly lower in b-glucan than inulin fed mice, with the latter having the greatest effect on total adipose tissue content. Both groups also showed an increase in the numbers of Bifidobacterium and Lactobacillus-Enterococcus in cecal contents as well as feces. b- glucan appeared to have marked effects on suppressing MEMRI associated neuronal signals in the arcuate nucleus, ventromedial hypothalamus, paraventricular nucleus, periventricular nucleus and the nucleus of the tractus solitarius, suggesting a satiated state. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: Although both fermentable carbohydrates are protective against increased body weight gain, the lower body fat content induced by inulin may be metabolically advantageous. b-glucan appears to suppress neuronal activity in the hypothalamic appetite centers. Differential effects of fermentable carbohydrates open new possibilities for nutritionally targeting appetite regulation and body composition.

Dissociation of circadian and light inhibition of melatonin release through forced desynchronization in the rat

Pineal melatonin release exhibits a circadian rhythm with a tight nocturnal pattern. Melatonin synthesis is regulated by the master circadian clock within the hypothalamic suprachiasmatic nucleus (SCN) and is also directly inhibited by light. The SCN is necessary for both circadian regulation and light inhibition of melatonin synthesis and thus it has been difficult to isolate these two regulatory limbs to define the output pathways by which the SCN conveys circadian and light phase information to the pineal. A 22-h light-dark (LD) cycle forced desynchrony protocol leads to the stable dissociation of rhythmic clock gene expression within the ventrolateral SCN (vlSCN) and the dorsomedial SCN (dmSCN). In the present study, we have used this protocol to assess the pattern of melatonin release under forced desynchronization of these SCN subregions. In light of our reported patterns of clock gene expression in the forced desynchronized rat, we propose that the vlSCN oscillator entrains to the 22-h LD cycle whereas the dmSCN shows relative coordination to the light-entrained vlSCN, and that this dual-oscillator configuration accounts for the pattern of melatonin release. We present a simple mathematical model in which the relative coordination of a single oscillator within the dmSCN to a single light-entrained oscillator within the vlSCN faithfully portrays the circadian phase, duration and amplitude of melatonin release under forced desynchronization. Our results underscore the importance of the SCN`s subregional organization to both photic input processing and rhythmic output control.

The Immune-Pineal Axis Stress as a Modulator of Pineal Gland Function

The temporal organization of mammals presents a daily adjustment to the environmental light/dark cycle. The environmental light detected by the retina adjusts the central clock in the suprachiasmatic nuclei, which innervate the pineal gland through a polysynaptic pathway. During the night, this gland produces and releases the nocturnal hormone melatonin, which circulates throughout the whole body and adjusts several bodily functions according to the existence and duration of darkness. We have previously shown that during the time frame of an inflammatory response, pro-inflammatory cytokines, such as tumor necrosis factor-a, inhibit while anti-inflammatory mediators, such as glucocorticoids, enhance the synthesis of melatonin, interfering in the daily adjustment of the light/dark cycle. Therefore, injury disconnects the organism from environmental cycling, while recovery restores the light/dark information to the whole organism. Here, we extend these observations by evaluating the effect of a mild restraint stress, which did not induce macroscopic gastric lesions. After 2 h of restraint, there was an increase in circulating corticosterone, indicating activation of the hypothalamus-pituitary-adrenal (HPA) axis. In parallel, an increase in melatonin production was observed. Taking into account the data obtained with models of inflammation and stress, we reinforce the hypothesis that the activity of the pineal gland is modulated by the state of the immune system and the HPA axis, implicating the darkness hormone melatonin as a modulator of defense responses.

Differential regulation of the renin-angiotensin system by nicotine in WKY and SHR glia

Given that (1) the renin-angiotensin system (RAS) is compartmentalized within the central nervous system in neurons and glia (2) the major source of brain angiotensinogen is the glial cells, (3) the importance of RAS in the central control of blood pressure, and (4) nicotine increases the probability of development of hypertension associated to genetic predisposition; the objective of the present study was to evaluate the effects of nicotine on the RAS in cultured glial cells from the brainstem and hypothalamus of Wistar Kyoto (WKY) and spontaneously hypertensive (SHR) rats. Ligand binding, real-time PCR and western blotting assays were used to compare the expression of angiotensinogen, angiotensin converting enzyme, angiotensin converting enzyme 2 and angiotensin II type1 receptors. We demonstrate, for the first time, that there are significant differences in the basal levels of RAS components between WKY and SHR rats in glia from 1-day-old rats. We also observed that nicotine is able to modulate the renin-angiotensin system in glial cells from the brainstem and hypothalamus and that the SHR responses were more pronounced than WKY ones. The present data suggest that nicotine effects on the RAS might collaborate to the development of neurogenic hypertension in SHR through modulation of glial cells.

APM/CD13 and FOS in the hypothalamus of monosodium glutamate obese and food deprived rats

Protein (western blotting) and gene (PCR) expressions, catalytic activity of puromycin-insensitive membrane-bound neutral aminopeptidase (APM/CD13) and in situ regional distribution of CD13 and FOS immunoreactivity (it) were evaluated in the hypothalamus of monosodium glutamate obese (MSG) and/or food deprived (FD) rats in order to investigate their possible interplay with metabolic functions. Variations in protein and gene expressions of CD13 relative to controls coincided in the hypothalamus of MSG and MSG-FD (decreased 2- to 17-fold). Compared with controls, the reduction of hypothalamic CD13 content reflected a negative balance in its regional distribution in the supraoptic, paraventricular, periventricular and arcuate nuclei. CD13-ir increased in the supraoptic nucleus in MSG (2.5-fold) and decreased in the paraventricular nucleus (2-fold) together with FOS-ir (1.5-fold) in FD. In MSG-FD. FOS-ir decreased (7-fold) in the paraventricular nucleus, while CD13-ir decreased in the periventricular (5.6-fold) and the arcuate (3.7-fold) nuclei. It was noteworthy that all these changes of CD13 were not related to catalytic activity of APM. Data suggested that hypothalamic CD13 plays a role in the regulation of energy metabolism not by means of APM enzyme activity. (c) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.