Elucidation the role of p-S10H3 in the development of heat hyperalgesia with utilizing cell-type-specific in vivo gene editing  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
125035
Type FK
Principal investigator Varga, Angelika
Title in Hungarian A p-S10H3 gyulladáskeltő és termális hiperalgéziát közvetítő szerepének vizsgálata sejt specifikus és célzott pontmutáció indukálásávál in vivo
Title in English Elucidation the role of p-S10H3 in the development of heat hyperalgesia with utilizing cell-type-specific in vivo gene editing
Keywords in Hungarian H3 hiszton, gyulladásos fájdalom, gerincvelő, CRISPR/cas9 gén editálás, rekombináns AAV
Keywords in English histone H3, inflammatory pain, spinal cord, CRISPR/cas9 gene editing, recombinant AAV
Discipline
Molecular and cellular neuroscience (Council of Medical and Biological Sciences)80 %
Ortelius classification: Neurobiology
Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Analysis, modelling and simulation of biological systems (Council of Medical and Biological Sciences)10 %
Panel Neurosciences
Department or equivalent Department of Anatomy, Histology and Embryology (University of Debrecen)
Participants Ducza, László
Kókai, Éva
Kókai, Éva
Mészár, Zoltán Mihály
Mészár, Zoltán Mihály
Sivadó, Miklós
Szűcs, Péter
Vidáné Varga, Rita
Starting date 2017-11-01
Closing date 2021-10-31
Funding (in million HUF) 37.976
FTE (full time equivalent) 5.17
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
A gerincvelő felületes hátsó szarvában található neuronokról ismert, hogy a nociceptív információ szabályozásában meghatározó szerepet játszanak, jelenleg azonban kevés ismerettel rendelkezünk arról, hogy a fájdalmas ingerek feldolgozása milyen molekuláris mechanizmusok által mediálódik. Előzetes eredményeink alapján úgy tűnik, hogy a 10-es szerinen foszforilált H3-as hiszton fehérje (p-S10H3), mely kizárólag bizonyos hátsó szarvi neuronokban detektálható nociceptív stimulus hatására, a neuronális aktivitás-fokozódás/szenzitizálódás megbízható markere.
Az ismertetett projekt fő célja a p-S10H3 gyulladáskeltő és termális hiperalgéziát közvetítő szerepének tisztázása neuron alcsoport-specifikus és célzott pontmutáció indukálásávál (S10H3 editálás). Feltételezhető, hogy a S10H3 foszforilálódásának megakadályozásával kivédhető a fájdalmas inger hatására bekövetkező gyulladásos reakció.
A projekt nemcsak egy új kutatócsoport létrejöttét támogatná; lehetőséget teremtene néhány, a Debreceni Egyetemen tanuló diák számára, hogy a kísérletes munkában való aktív részvétellel labor rutinra tegyenek szert illetve alapját képezhetné TDK munkáknak, PhD tézisnek.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A kutatási tervben ismertetett, többek között saját eredményeken alapuló adatok alapján úgy tűnik, hogy a felületes hátsó szarvi serkentő neuronok egy bizonyos alcsoportjának meghatározó szerepe lehet a szövetkárosodásra adott gyulladásos válaszreakció kialakulásában, mely hatás p-S10H3 upregulálódás által valósul meg. A kutatási tervben részletezett előzetes eredmények és megfigyelések alapján feltételezésünk, hogy az I-es és III-as laminákban elhelyezkedő projekciós neuronok is alkothatják azt a specifikus sejtpopulációt, melyekben fájdalmas hőinger hatására megemelkedik a p-S10H3 szintje. Feltételezhető továbbá, hogy H3-as hiszton S10-es foszforilálódásának gátlásával csökkenthető vagy akár meg is szüntethető a szövetkárosodás okozta centrális szenzitizáció és következményes gyulladásos hiperalgézia.
A projekt teljesítésével választ kapunk a következő kérdésekre:
(i) Melyek azok a hátsó szarvi neuronok, melyekben fokozódik a p-S10H3 expressziója szövetkárosodást követően?
(ii) Milyen mértékben érintettek az I-es és III-as lamina projekciós neuronjai ebben a tekintetben?
(iii) Az S10H3 sejt-specifikus (kizárólag egy adott neuron populációra korlátozódó) és célzott pontmutációja mérsékli-e a szövetsérülés által előidézett gyulladásos hőhiperalgéziát?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
A projekt kellően alátámasztott hipotéziseken alapul. Alapkérdéseit többnyire saját megfigyelések és eredmények ihlették. A kidolgozott, technológiai újdonságokat felsorakoztató kísérletes stratégia (pl. cre/lox, CRISPR/cas9 gén editálás, rAAV vektor alkalmazása) a megválaszolandó tudományos kérdések fontosságának tükrében úttörőnek számít az idegtudományok területén.
Elsőként jellemeznénk neurokémiailag azokat a hátsó szarvi neuronokat, melyekben égési sérülés után indukálódik a p-S10H3. A projekt eredetiségét hangsúlyozza, hogy legjobb tudásunk szerint eddig még egy munkacsoport sem próbálkozott neuron alcsoport szelektív és célzott hiszton mutációt létrehozni. A projekt választ ad arra, hogy milyen mértékben járul hozzá a p-S10H3 a fájdalmas ingerek feldolgozásához és a szövetsérülés okozta hőhiperalgézia kialakulásához.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A gerincvelő felszínes hátsó szarvában elhelyezkedő idegsejtek integrálják a test felszínéről (perifériáról) érkező fájdalmas és ártalmatlan stimulusokat és az agy különböző központjai által vezérelt serkentő/gátló parancsokat, így meghatározó szereppel bírnak a fájdalomérzet kialakulásának szabályozásában.
Az égési sérülés egyike azoknak a gyakori szöveti sérülések, melyhez krónikus fájdalomérzet társul. Sajnos egyelőre megoldatlan orvosi problémát jelent égési sérüléstől szenvedő betegek fájdalmának kielégítő csillapítása. A jelenleg rendelkezésre álló fájdalomcsillapítási módszerek hatástalansága hatalmas anyagi és emocionális terhet ró a fájdalom elszenvedőjére.
Ezek alapján a célunk az, hogy minél több ismeretet szerezzünk a gerincvelői idegsejtek funkcióiról és minél jobban megértsük azokat a molekuláris mechanizmusokat, melyek a szöveti sérülés által előidézett idegi aktivitás-fokozódáshoz, majd következményes fokozott fájdalomérzethez vezetnek.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
It is well known that the superficial spinal dorsal horn neurons significantly contribute to controlling the nociceptive processing, however, at present, the molecular mechanisms evoke neural activation and subsequent sensitization of dorsal horn neurons is poorly understood. Based on our findings phosphorylated histone H3 at serine 10 (p-S10H3) seems to be a novel marker for prolonged activation of a subset of dorsal horn neurons in inflammatory conditions.
The overall aim of this project is to elucidate the role of p-S10H3 in the development of heat hyperalgesia with utilizing cell-specific and targeted gene editing in mice.
We expect that there is a causal link between upregulation of p-S10H3 expression in a certain pool of dorsal horn neurons and burn injury-induced thermal hypersensitivity. Our hypothesis is that blocking S10H3 phosphorylation in a defined subset of neurons leads to alleviation of inflammatory pain in response to noxious stimulus.
We are hoping that this project will contribute to establishment of a new reasearch group on one hand; on the other hand, it will give a possibility for several students at the University of Debrecen to become a part of this group and to gain some routine in laboratory work and provide solid basis for some "science student associations" (TDK work) and a PhD thesis as well.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
Based on our own findings and considerations discussed in the reseach plan, we hypothesize that a specific group of excitatory superficial dorsal horn neurons, through p-S10H3-dependent signaling route, play a pivotal role in response to tissue injury. We speculate that projection neurons located in lamina I and III may be involved into such specific group of cells in which p-S10H3 expression is increased after noxious stimulus. And finally we also hypothesize that inhibition of S10H3 phosphorylation (point mutation in position S10) by the CRISPR/cas9 genome editing technology abrogates or reduces burn injury-associated neural hypersensitivity and consecutive nociceptive reaction (hyperalgesia).

By working on this project we are answering the following questions:
(i) Which sub-population(s) of neurons exhibits up-regulation in p-S10H3 expression in the spinal dorsal horn after noxious treatment?
(ii) Have the projection neurons in lamina I and III been affected, and to what extent, in this context?
(iii) Does blocking H3 phosphorylation with targeted gene editing in a particular subset of neurons result in alleviation of inflammatory heat hyperalgesia?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
This project has developed from original findings and to the best of our knowledge no other laboratories are engaged with similar topic regarding cell specific editing of histone H3. Futhermore, to the best of our knowledge, this will be the first attempt to perform comprehensively a neurochemical characterization of the spinal dorsal horn neurons expressing p-S10H3 after burn injury in mice. And again, to the best of our knowledge, this will be an unique and original attempt to combine state-of-the-art techniques such as cre/lox, CRISPR/cas9 gene engineering and rAAV-associated gene targeting methodologies to validate the role of S10P3 in nociceptive processing in the spinal cord. The viral vector method allows strict spatiotemporal control of genome editing and gene alteration will happening only a restricted number of dorsal horn neurons in adult mice. By completing experiments delineated in the research plan, we will increase our understanding of the molecular mechanisms involved in the development of heat hypersensitivity associated with inflammation of peripheral tissues.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Neurons in the superficial spinal dorsal horn constitute one of the most important groups of cells engaged in pain sensation (nociceptive processing) because they are components of a neural network that integrates painful (nociceptive) and non-painful experiences from the periphery, and descending inhibitory and excitatory signals from different brain areas. Hence, superficial spinal dorsal horn neurons significantly contribute to controlling the nociceptive information that is forwarded to the brain and ultimately to the cortex where the pain experience develops.
Burn injury is one of the most frequently occurring traumatic tissue injury which is associated with one of the most severe pain experiences which becomes chronic and present even after the healing process is terminated. However, satisfactory control of pain in burn injured patients is an unmet medical need. Currently available treatments to control burn-injury associated pain are very often inadequate, which imposes a huge financial and emotional burden on the sufferers.
Therefore, in this proposal, we are about to gain better understanding of the molecular mechamisms to lead to the development of inflammation-related pain. We believe that this set of experiments can provide us with the key to develop novel effective control of tissue-damage induced inflammatory pain.




 

Final report

  
Results in Hungarian
I. A projekt első évében a fájdalmas hőingerlés által indukált epigenetikai marker (p-S10H3) neurokémiai megoszlását vizsgáltam egér gerincvelőben hagyományos immunhisztokémiai illetve immunofluoreszcens módszerrel (Közlés: Int J Mol Sci; DOI: 10.3390/ijms22052297). Eredményeink összefoglalása: 1. a foszfo-hiszton kolokalizációt mutató projekciós neuronok (PN) kis száma miatt a PN-ok nem játszanak szignifikáns szerepet a p-S10H3 által közvetített, szövetkárosodással társuló fájdalom létrejöttében. 2. a fájdalmas hőingerlés indukált foszfo-hiszton upregulációt mutató interneuronok közel 40%-a prepro-dynorphin (Pdyn) immunopozitívitást mutatott egér gerincvelő felületes lamináiban. II. Mivel a hátsó szarvi gerincvelői neuronok dynorfinerg populációja kulcsszerepet játszik az égési sérülés által indukált p-S10H3-mediált fájdalomreakcióban, feltételeztük, hogy az S10H3 sejt specifikus (Pdyn) és célzott pontmutációja (S10 pozícióban) befolyásolja az állat akut fájdalomreakcióját. (Publikálásra beküldve: Progress In Neurobiology; manuscript number: PRONEU-D-21-00425.) Eredményeink: 1. a hiszton 3.1 fehérje S10-es foszforilálásának CRISPR/cas9 módszerrel történő Pdyn-specifikus blokkolása eltolja a normál hőküszöböt (anti-nociceptív hatás), de nincs hatással a többi vizsgált szenzoros funkcióra (chemonocicepció illetve mechanoszenzitivitás). 2. a hiszton H3.1 foszforiláció termospecifikus neuroepigenetikai szignál a gerincvelőben.
Results in English
I. In the first year of the project, I investigated the neurochemical distribution of the painful heat stimulation-induced epigenetic marker (p-S10H3) in mouse spinal cord by conventional immunohistochemical and immunofluorescence methods (It was published in Int J Mol Sci; DOI: 10.3390/ijms22052297). Our results are listed point by point: 1. Due to the small number of projection neurons (PN) showing phospho-histone colocalization, PNs do not play a significant role in the development of p-S10H3-mediated pain associated with tissue damage. 2. Nearly 40% of neurons showing phospho-histone upregulation upon burn injury-induced tissue damage exhibited dynorphinerg (Pdyn) immunopositivity in the superficial laminae of the mouse spinal cord. II. Because the dynorphergic population of dorsal horn spinal neurons plays a key role in the p-S10H3-mediated pain response induced by burn injury, we hypothesized that a specific (Pdyn) and targeted point mutation of the S10H3 cell affects the animal’s acute pain response. (Manuscript has been submitted to Progress In Neurobiology; manuscript number: PRONEU-D-21-00425.) Conclusions can be drawn as follows: 1. Blocking of histone H3.1 phosphorylation disrupts acute thermosensitivity (anti-nociception). 2. H3.1 phosphorylation can be a thermo-specific epigenetic signal in the spinal cord. 3. Dynorphinergic neurons are responsible for acute heat sensation via p-S10H3 pathway.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=125035
Decision
Yes





 

List of publications

  
Varga Angelika, Mészár Zoltán, Sivadó Miklós, Bácskai Tímea, Végh Bence, Kókai Éva, Nagy István, Szücs Péter: Spinal Excitatory Dynorphinergic Interneurons Contribute to Burn Injury-Induced Nociception Mediated by Phosphorylated Histone 3 at Serine 10 in Rodents, INTERNATIONAL JOURNAL OF MOLECULAR SCIENCES 22: (5) p. 2297., 2021
Angelika Varga, Miklós Sivadó, Zoltán Mészár, Botond Gaál, Tímea Bácskai, Éva Kókai, István Nagy and Péter Szücs: Neurons of the superficial spinal dorsal horn that show phosphorylated histone 3 at serine 10 upon tissue injury-associated pain, file:///C:/Users/angiv/Downloads/SFN17_Abstract%20PDFs%20-%20Posters_2_Sun_PM.pdf, 2017
Torres-Perez JV, Adamek P, Palecek J, Vizcaychipi M, Nagy I, Varga A: The NAv1.7 blocker protoxin II reduces burn injury-induced spinal nociceptive processing., JOURNAL OF MOLECULAR MEDICINE-JMM 96: (1) pp. 75-84., 2018
Nagy I, Torres-Pérez J, Varga A: Development of Analgesics: A Little Help from Mitogen and Stress- Activated Kinases 1 and 2, JOURNAL OF PHARMACEUTICAL RESEARCH AND DRUG DESIGN 1: (1) p. 6., 2017
Sousa-Valente J, Varga A, Torres Perez JV, Jenes A, Wahba J, Mackie K, Cravatt B, Ueda N, Tsuboi K, Santha P, Jancso G, Tailor H, Avelino A, Nagy I: Inflammation of peripheral tissues and injury to peripheral nerves induce diferring effects in the expression of the calcium-sensitive N-arachydonoylethanolamine-synthesizing enzyme and related molecules in rat primary sensory neurons, JOURNAL OF COMPARATIVE NEUROLOGY 525: (8) pp. 1778-1796., 2017
Torres-Perez JV, Santha P, Varga A, Szucs P, Sousa-Valente J, Gaal B, Sivado M, Andreou AP, Beattie S, Nagy B, Matesz K, C Arthur JS, Jancso G, Nagy I: Phosphorylated Histone 3 at Serine 10 Identifies Activated Spinal Neurons and Contributes to the Development of Tissue Injury-Associated Pain., SCI REP 7: 41221, 2017
Torres-Perez JV, Santha P, Varga A, Szucs P, Sousa-Valente J, Gaal B, Sivado M, Andreou AP, Beattie S, Nagy B, Matesz K, C Arthur JS, Jancso G, Nagy I: Phosphorylated Histone 3 at Serine 10 Identifies Activated Spinal Neurons and Contributes to the Development of Tissue Injury-Associated Pain., SCI REP 7: 41221, 2017
Torres-Perez JV, Santha P, Varga A, Szucs P, Sousa-Valente J, Gaal B, Sivado M, Andreou AP, Beattie S, Nagy B, Matesz K, C Arthur JS, Jancso G, Nagy I: Phosphorylated Histone 3 at Serine 10 Identifies Activated Spinal Neurons and Contributes to the Development of Tissue Injury-Associated Pain., SCI REP 7: 41221, 2017
Torres-Perez JV, Santha P, Varga A, Szucs P, Sousa-Valente J, Gaal B, Sivado M, Andreou AP, Beattie S, Nagy B, Matesz K, C Arthur JS, Jancso G, Nagy I: Phosphorylated Histone 3 at Serine 10 Identifies Activated Spinal Neurons and Contributes to the Development of Tissue Injury-Associated Pain., SCI REP 7: 41221, 2017
Angelika Varga, Miklós Sivadó, Zoltán Mészár, Botond Gaál, Tímea Bácskai, Éva Kókai, István Nagy and Péter Szücs: Neurons of the superficial spinal dorsal horn that show phosphorylated histone 3 at serine 10 upon tissue injury-associated pain, file:///C:/Users/angiv/Downloads/SFN17_Abstract%20PDFs%20-%20Posters_2_Sun_PM.pdf, 2017
Végh Bence1 , Borics Fanni1 , Sivadó Miklós 1 , Mészár Zoltán1 , Bácskai Tímea1 , Kókai Éva1 , Szücs Péter1 és Varga Angelika1: A 10-es szerinen foszforilált H3-as hiszton fehérjét (p-S10H3) expresszáló hátsó szarvi neuronok neurokémiai jellemzése fájdalmas hőingerlést követőe, http://www.anat.med.unideb.hu/sites/www.anat.dote.hu/files/oldal/311/absztraktok_p1_180615.pdf, 2018
Torres-Pérez J, Adamek P, Palecek J, Vizcaychipi M, Nagy I, Varga A: The NAv1.7 blocker protoxin II reduces burn injury-induced spinal nociceptive processing, J Mol Med (Berl)., 2018
Peter Szucs, Miklos Sivado, Amalia Szalku, Timea K. Molnar, Kristof Kovacs, Kristof Kallai, Angelika Varga: Putative postsynaptic targets and function of local axon collaterals of spinal dorsal horn projection neurons, 16th Conference of Hungarian Neuroscience Society, 2019
Angelika Varga, Zoltán Mészár, Miklós Sivadó, Bence Végh, Péter Szücs: Excitatory dynorphinergic interneurons are involved in noxious heat-associated nociception mediated by p-S10H3 in mice, 16th Conference of Hungarian Neuroscience Society, 2019
Torres-Perez JV, Santha P, Varga A, Szucs P, Sousa-Valente J, Gaal B, Sivado M, Andreou AP, Beattie S, Nagy B, Matesz K, C Arthur JS, Jancso G, Nagy I: Phosphorylated Histone 3 at Serine 10 Identifies Activated Spinal Neurons and Contributes to the Development of Tissue Injury-Associated Pain., SCI REP 7: 41221, 2017




 

Events of the project

  
2021-07-12 15:35:05
Résztvevők változása



Back »