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Titel:Cellular and molecular basis of TNFa, IL-1ß and LPS mediated signaling in rat dorsal root ganglion
Autor:Li, Yanzhang
Weitere Beteiligte: Weihe, Eberhard (Prof. Dr.)
Erscheinungsjahr:2004
URI:http://archiv.ub.uni-marburg.de/diss/z2004/0321
URN: urn:nbn:de:hebis:04-z2004-03216
DOI: https://doi.org/10.17192/z2004.0321
DDC: Medizin, Gesundheit
Titel(trans.):Zelluläre und molekulare Grundlagen der TNFa-, Il-1ß- und LPS-vermittelten Signalübertragung im Hinterwurzelganglion der Ratte

Dokument

Schlagwörter:
Il-1ß, Hinterwurzelganglion, Signaling in rat dorsal root ganglion, LPS, TNFa, Ratte, Signalübertragung, IL-1ß, TNFa, LPS

Summary:
The proinflammatory cytokines TNFa and IL-1ß as well as bacterial lipopolysaccharide (LPS) are known to affect primary afferent functions related to pain and neurogenic inflammation. However, it is not completely understood how these molecules signal to primary sensory neurons of the dorsal root ganglion (DRG). In order to clarify this question RT-PCR, Northern blot, Western blot, RT-PCR in combination with laser capture microdissection (LCM) and in situ hybridization (ISH) with radioactive-labeled probes as well as double ISH were employed. These methods were used to determine the cell-specific expression pattern of TNF, IL-1 and their functional receptors as well as of LPS-related receptors in neuronal and non-neuronal cells of rat DRG as well as in the sensory cell line F11. The following essential new findings and conclusions have been obtained. (1) For the first time, the rat TNFR2 gene was characterized with 10 exons and 9 introns, which are located in chromosome 5q36. Three cDNAs for the rat TNFR2 gene were identified. Their full coding region was found to be identical. Three transcripts of the rat TNFR2 gene were observed in neural tissues (i.e. DRG, spinal cord and brain) and in peripheral tissues (i.e. spleen, lung and kidney). The regulation of TNFR2 transcripts by LPS seemed to occur in a tissue- and cell-specific manner as demonstrated for the spleen and DRG. (2) TNFR1 mRNA was found to be constitutively expressed in all DRG neurons including presumed nociceptive neurons coding for neuropeptides calcitonin gene-related peptide (CGRP), substance P (SP) or vanilloid receptor 1 (VR1) and to be increased after LPS. In contrast to the literature, TNFR2 mRNA was found to be totally absent from DRG neurons of control rats and of rats after LPS challenge. TNFR1 mRNA and TNFR2 mRNA were found to be constitutively expressed in DRG non-neuronal cells and to be increased after systemic LPS. The data provided by this study suggest that TNF may influence DRG sensory functions by directly acting on TNFR1 in neurons or by indirectly acting on both TNFR1 and TNFR2 in non-neuronal cells. (3) Like DRG neurons, the sensory cell line F-11 was found to express TNFR1 but not TNFR2. Therefore, the F11 cell line is uniquely suited to study TNFR1-mediated intracellular signaling and cellular functions independent from that of TNFR2 effects. (4) There was no evidence for but strong evidence against constitutive or LPS-induced expression of TNF and IL-1 mRNAs in DRG neurons. LPS-induced expression of TNF and IL-1 mRNAs in DRG occurred exclusively in DRG non-neuronal cells. Thus, the previously reported concept that TNF and IL-1 are synthesized by DRG neurons should be dismissed. To the contrary, the present data indicate that endogenous TNF and IL-1 in DRG are exclusively synthesized by non-neuronal cells implicating that they may act on DRG neurons in a paracrine manner. (5) In contrast to a previous report indicating that IL-1R1 is expressed in all DRG cells, the present study demonstrated that IL-1R1 mRNA is expressed only in a subpopulation of DRG neurons and in some DRG non-neuronal cells as well. IL-1R1 exhibited substantial coincidence with presumed nociceptive neurons expressing VR1, SP or CGRP. The results of the present study suggest that endogenous and exogenous IL-1 may directly activate DRG neurons via IL-1R1 to preferentially modulate nociceptive functions. In addition, IL-1 may act on DRG non-neuronal cells to cause further release of IL-1. (6) For the first time, the functional LPS receptor-TLR4 was demonstrated to be expressed in DRG neuronal and non-neuronal cells at the mRNA level. The neuronal expression of TLR4 was limited to a subset of DRG neurons where it exhibited substantial coincidence with presumed nociceptive neurons expressing VR1, SP or CGRP. The mRNA coding for the LPS receptor accessory protein CD14 was totally absent from DRG neurons of control rats and of rats after systemic LPS. LPS-induced expression of CD14 occurred in DRG non-neuronal cells. The present data indicate that LPS may directly act on primary sensory neurons via TLR4 or indirectly act on primary sensory neurons via TLR4 and CD14. This implies that primary sensory neurons of DRG may detect an infectious state by directly sensing LPS via TLR4. Taken together, this study provides new insights into the cellular and molecular basis of TNF, IL-1 and LPS mediated primary sensory neurotransmission related to pain and neurogenic inflammation. In addition, the present study provides new evidence that the primary sensory neurons of DRG may have an important role as immunosensors to detect and control microbial infection and inflammation.

Zusammenfassung:
Ein Einfluss von Zytokinen wie TNFa, IL-1ß sowie von LPS auf schmerz- und entzündungsrelevante Funktionen primärafferenter Neurone ist in der Literatur gut beschrieben. Jedoch sind die Mechanismen der Signalübermittlung dieser Moleküle auf primär sensorische Neurone der Hinterwurzelganglien kaum verstanden. Zur Klärung dieser Frage wurden in dieser Arbeit molekularbiologischem biochemische und histologische Methoden eingesetzt, wie RT-PCR, Northern Blot, Western Blot, RT-PCR in Kombination mit Laser-Capture-Mikrodissektion und ISH mit radioaktiven Sonden sowie Doppel-ISH, um die zellspezifischen Expressionsmuster von TNFa, IL-1ß und ihrer funktioneller Rezeptoren sowie sogenannter LPS-Rezeptoren in neuronalen und nicht-neuronalen Zellen der Hinterwurzelganglien der Ratte und in der sensorischen Zellinie F-11 zu bestimmen. Folgende neuen Ergebnisse und Schlußfolgerungen wurden in dieser Arbeit erzielt: (1) Es wurde erstmalig die Genstruktur des TNF-Rezeptor 2-Gens der Ratte beschrieben. Im TNFR2-Gen, das auf Chromosom 5q36 lokalisiert wurde, konnten 10 Exone und 9 Intronen nachgewiesen werden, und es wurden 3 verschieden lange cDNAs mit identisch kodierender Region isoliert. Alle drei Transkripte des Ratten-TNFR2-Gens wurden im Nervengewebe und in peripheren Geweben detektiert: Die Expression der drei Transkripte wird durch LPS gewebe- und zellspezifisch reguliert, scheinen, wie für die Milz und das DRG exemplarisch gezeigt werden konnte. (2) TNFR1-Expression konnte in allen DRG-Neuronen nachgewiesen werden, einschließlich der vermutlich nozizeptiven Neurone. Die konstitutive neuronale TNFR1-Expression war nach LPS-Behandlung verstärkt. In den nicht-neuronalen DRG-Zellen wurde eine konstitutive Expression beider TNF-Rezeptoren beobachtet, deren mRNA-Spiegel ebenfalls nach systemischer LPS-Behandlung erhöht waren. Diese Befunde deuten darauf hin, dass TNFasensorische Funktionen des DRG sowohl direkt über die Aktivierung des neuronal exprimierten TNFR1 beeinflussen kann als auch indirekt über nicht-neuronale Zellen durch Aktivierung von TNFR1 oder TNFR2. (3) Die LPS-induzierte Expression von TNFa und IL-1ß nur in nicht-neuronalen DRG-Zellen nachweisbar war. Aufgrund dieser eindeutigen Ergebnisse sollte das ürsprüngliche und etablierte Konzept, dass TNFa und IL-1ß im DRG von Neuronen exprimiert werden, verlassen werden. Die hier erzielten Ergebnisse deuten eher auf eine parakrine Wirkung von endogen non-neuronal exprimiertem TNF und IL-1ß auf DRG-Neurone hin. (4) Im Gegensatz zu publizierten Ergebnissen, die eine Expression des IL-1R1 in anscheinend allen DRG-Neuronen postulieren, zeigen die Untersuchungen dieser Arbeit, dass IL-1R1- in nicht-neuronalen Zellen exprimiert wird und in DRG-Neuronen auf eine charakteristische Subpopulation beschränkt ist. Es zeigte sich eine deutliche Koinzidenz der IL-1R1 mRNA - Expression in vermutlich nozizeptiven Neuronen, die VR1, SP oder CGRP exprimieren. Aufgrund dieser Befunde kann für IL-1ß eine präferentielle Modulation der nozizeptiven Funktionen über eine direkte Aktivierung von neuronal exprimiertem IL-1R1 postuliert werden. Il-1ß kann aber auch eine weitere Freisetzung von IL-1ß und anderen Mediatoren aus mit IL-1R1 ausgestatteten nicht-neuronalen DRG-Zellen verursachen, und damit primärafferente Neurone direkt modulieren. (5) Erstmalig wurde in dieser Arbeit die Expression des signaltransduzierenden LPS-Rezeptors Toll-like Rezeptor 4 (TLR4) in DRG-Neuronen und nicht-neuronalen DRG-Zellen beschrieben. Die neuronale Expression von TLR4 ist auf eine Subpopulation von vermutlich nozizeptiven Primärafferenzen beschränkt, die VR1, SP oder CGRP exprimieren. Hingegen gab es keine Hinweise auf eine konstitutive oder LPS-induzierte Epression des LPS-Rezeptor akzesssorischen Proteins CD14 in DRG-Neuronen. Systemische LPS-Gabe induzierte eine CD14-Expression ausschließlich in nicht-neuronalen Zellen. Diese Ergebnisse unterstützen die Hypothese einer direkten LPS-Wirkung auf Primärafferenzen, die über TLR4 vermittelt zu werden scheint. Sie implizieren auch die Möglichkeit einer indirekten Wirkung von LPS über nicht-neuronale Zellen, die durch TLR4 und CD14 vermittelt wird. Somit sollten primär sensorische Neurone des DRG in der Lage sein, eine Sensorfunktion für bakterielle Infektionen auszuüben, indem sie bakterielles LPS über dessen Bindung an TLR4 registrieren können. Insgesamt liefern die Ergebnisse dieser Arbeit neue Einsichten in die zellulären und molekularen Mechanismen der Zytokin- und LPS-vermittelten Modulation der primär sensorischen Neurotransmission, insbesondere in Bezug auf Schmerz und neurogener Entzündung. Darüber hinaus zeigen die hier erzielten Befunde die bedeutende Rolle primärafferenter Neurone als Immunosensoren auf, mikrobielle Infektionen und Entzündungsprozesse zu erfassen und zu kontrollieren.


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