 |
Mechanisms and role of acetylcholine signaling upon GnRH neurons of mice: a novel regulatory pathway of reproduction
|
Help 
Print 
|
Here you can view and search the projects funded by NKFI since 2004
Back »
|
| |
Details of project |
|
|
| Identifier |
128278 |
| Type |
K |
| Principal investigator |
Liposits, Zsolt |
| Title in Hungarian |
Acetilkolin szignalizáció mechanizmusa és szerepe az egér GnRH idegsejtek működésében: a reprodukció új szabályozó útvonala |
| Title in English |
Mechanisms and role of acetylcholine signaling upon GnRH neurons of mice: a novel regulatory pathway of reproduction |
| Keywords in Hungarian |
szaporodás, GnRH, acetilkolin, transzgén egér, immuncitokémia, szelet elektrofiziológia, optogenetika |
| Keywords in English |
reproduction, GnRH, acetylcholine, transgenic mouse, immunocytochemistry, slice electrophysiology, optogenetics |
| Discipline |
| Neuroanatomy and neurophysiology (Council of Medical and Biological Sciences) | 100 % |
|
| Panel |
Neurosciences |
| Department or equivalent |
Laboratory of Endocrine Neurobiology (Institute of Experimental Medicine) |
| Participants |
Farkas, Imre
Farkas, Imre
Vastagh, Csaba
|
| Starting date |
2018-12-01 |
| Closing date |
2022-11-30 |
| Funding (in million HUF) |
48.000 |
| FTE (full time equivalent) |
6.20 |
| 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 kutatás célja az acetilkolin (ACh) szerepének felderítése a szaporodás központi szabályozó rendszerében, a gonadotropin-releasing hormone (GnRH)-t termelő idegsejtek közvetlen modulációja révén, egérben. Molekuláris, strukturális, elektrofiziológiai és optogentikai vizsgálatokkal a kolinerg neuronrendszernek a GnRH idegsejtekkel kialakított hálózati kapcsolatait elemezzük. A közvetlen szabályozás meghatározó elemei, a muszkarin és nikotin típusú ACh receptorok (AChR), melyek expresszióját transzgén egérből nyert, GnRH-green fluorescent protein (GFP) idegsejtekben vizsgáljuk valós-idejű PCR módszerek alkalmazásával. A kolinerg és GnRH neuronrendszerek együttműködésének morfológiai jegyeit és a kapcsolat erősségét konfokális lézer mikroszkópia, képalkotás, térbeli rekonstrukció és elektronmikroszkópia módszerek alkalmazásával tárjuk fel. A GnRH-GFP idegsejtek akut agyszeletben történő elektrofiziológiai vizsgálata fog fényt deríteni az ACh receptorokon ható agonista és antagonista vegyületek idegsejt tüzelésre, feszültség vezérelt ioncsatornákra és posztszinaptikus áramokra (PSCs) kifejtett hatására, a retrográd szignalizációs mechanizmusok (endokannabinoidok, nitrogén monoxid) részvételére, továbbá a receptorokhoz köthető jel átviteli rendszerek jellegére. Végezetül, az acetilkolin szabályozó szerepét csatornarhodopsin-2-t expresszáló, kolinerg idegrostok optogenetikai ingerlése révén is tanulmányozzuk és mérjük az idegvégződésekből felszabaduló ACh moduláló hatását a GnRH idegsejtek működésére kettős transzgén (Chat-Cre-channelrhodopsin2- GnRH-GFP) egér törzsben. A két neuronrendszer strukturális kapcsolatát post-mortem humán hypothalamus mintákban is elemezni fogjuk.
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 szaporodást a hypothalamo-hypophysealis-gonád rendszer működése biztosítja. A meddőség a reprodukció súlyos funkció zavara, melynek hátterében különféle kórokok állnak. Új kutatási eredmények egyes neurotranszmitter anyagok (GABA, glutamát) meghatározó szerepére utalnak a reprodukció hypothalamikus szintű szabályozásában. Munkahipotézisünk feltételezi, hogy az acetilkolin általi szabályozás GnRH neuronok muszkarin és nikotin típusú receptorain és az azokhoz kapcsolt jelátviteli rendszereken keresztül megy végbe és valószínűsíti az ACh moduláló hatását a gonád rendszer működésében. Elsőként a muszkarin és nikotin típusú receptor gének expresszióját tanulmányozzuk GnRH-GFP idegsejtekben PCR módszer alkalmazásával. A második kísérletsor, kolinerg idegrostok GnRH neuronokkal alkotott kapcsolatrendszerének strukturális és kvantitatív jegyeit tárja fel. A harmadik elektrofiziológiai munkacsomag, a GnRH idegsejtek ACh receptorain keresztül ható agonista és antagonista vegyületek hatásmechanizmusira derít fényt akut agyszelet preparátumban. A negyedik munkacsomagban optogenetikai módszerrel vizsgáljuk a kolinerg idegrostok fotó-stimulációja révén felszabaduló ACh hatását a GnRH idegsejtek működésére. A vizsgálatok megítélésünk szerint a reprodukció központi szabályozásának egy új mechanizmusát tárják fel, mely a GnRH neuronok ACh receptorain és az azokhoz kapcsolt jelátviteli rendszereken keresztül érvényesül.
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 fajok fenntartása feltételezi a gonád rendszer zavartalan működését, melyet a hypothalamus-agyalapimirigy egység szabályoz hormonok révén. A hypothalamus GnRH idegsejtjeinek alapvető szerepe van az ivarsejtek képződésének és az ivarmirigyek hormon termelésének szabályozásában mindkét nemben. A GnRH idegsejtek egyrészt jellegzetes pulzatilis mintázatban ürítik a GnRH-t, másrészt az ovulációt megelőzően ún „surge-release” keretében fokozzák hormon leadásukat. A pulzatilis és a surge-release mechanizmusok károsodása meddőséghez vezet. A folyamatokat a GnRH idegsejteken ható neurotranszmitter anyagok vezérelik, együtt a visszacsatoló nemi hormonhatásokkal. Napjainkig a tudományos közösség főként GABA és glutamát ingerület átvivő anyagok szerepére összpontosított, mindkettő serkentő hatást fejt ki ionotróp receptoraikon keresztül, a GnRH sejtműködés szabályozásában. Előkísérleteink eredményei arra engednek következtetni, hogy a monoszinaptikus acetilkolin szignalizáció hozzájárul a GnRH rendszer szabályozásához. Ugyanakkor a szabályozás pontos célstruktúráit és annak végrehajtó mechanizmusait homály övezi. A jelen pályázat várható eredményei fényt vetnek a GnRH idegsejtek kolinerg neuronrendszer általi közvetlen szabályozásának, molekuláris, strukturális és funkcionális ismérveire. A két rendszer morfológiai kapcsolatát post-mortem emberi hypothalamus mintákban is tanulmányozni fogjuk. Az eredmények remélt hasznosulását illetően, a kolinerg szignalizáció szabályozó szerepének bizonyítása új gyógyszeripari stratégiák kidolgozásához vezethet a nőgyógyászati gyógyszerek területén, elsősorban a GnRH rendszer gátlása (fogamzásgátlás) és aktivációja (in vitro megtermékenyítés) vonatkozásában.
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.
Az ivarszervek működését és a szaporodást a hypothalamus és az agyalapimirigy mellső lebenyének összehangolt működése szabályozza. A rendszer mester molekulája, a gonadotropin-releasing hormone (GnRH), mely közel ezer idegsejtben termelődik a rágcsálók agyában. Idegi ingerület átvivő anyagok, mint gamma-amino-vajsav (GABA) és glutamát, hatékony szabályozói a GnRH idegsejtek életműködésének és a reprodukció folyamatának. A jelen tudományos pályázatban, egy újabb neurotranszmitter anyag, az acetilkolin vizsgálatát tervezzük, mely más idegi rendszerek kommunikációjában gyakorta vesz részt. A GnRH hormon a hypothalamus neuroszekretoros idegsejtjeiből ürül és eléri az agyalapimirigy célsejtjeit, melyekben két ivarműködést szabályozó hormon, a luteinizáló hormon (LH) és a tüszőérést serkentő hormon (FSH) szintézisét és ürítését szabályozza. A GnRH szekréció mintázata pulzatilis, mely jelenség alapvető a reprodukció fenntartásához. Az acetilkolin muszkarin és nikotin típusú receptorain keresztül befolyásolja a célstruktúrákat. Néhány tanulmány korábban felvetette az acetilkolin szignalizáció szerepét a reprodukció központi szabályozásában, ugyanakkor az acetilkolin hatás pontos hypothalamikus célstruktúrái, a folyamatban résztvevő receptorok és a jelátviteli rendszerek típusai napjainkban is ismeretlenek. A pályázat biztosította tudományos kísérleti munka várt eredményei tisztázni hivatottak az acetilkolin szignalizáció szerepét és annak szabályozó mechanizmusait a reprodukció központi vezérlésében.
| Summary Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The research proposal is aimed at the exploration of the role of acetylcholine (ACh) signaling in the central regulation of reproduction, acting upon gonadotropin-releasing hormone (GnRH) neuron system in mice. Molecular, structural, electrophysiological and optogenetic studies will address the cellular mechanisms of networking established between the central cholinergic and GnRH systems. As a prerequisite of direct communication, the expression of muscarinic and nicotinic ACh receptors (AChR) will be examined in GnRH-green fluorescent protein (GFP) neurons of transgenic mice using quantitative, PCR technique. Immunocytochemical studies will reveal the structural characteristics and intensity of interaction between the cholinergic and GnRH systems by using confocal laser microscopy, 3D reconstruction and electron microscopy. Slice electrophysiology on GnRH-GFP neurons will identify the effects of AChR agonists and antagonists on the firing pattern, currents via voltage-gated ion channels and postsynaptic currents of GnRH neurons, elucidate the involvement of putative retrograde signaling mechanisms (endocannabinoids and/or nitric oxide) and reveal the role of signal transduction pathways acting downstream to AChRs. Finally, the regulatory role of ACh signaling upon GnRH neurons will also be studied by optogenetic stimulation of channelrhodopsin 2-expressing cholinergic axons and measuring the effects of the released ACh on firing properties of GnRH neurons using a double, transgenic mouse (Chat-Cre-chennelrhodopsin2-GnRH-GFP) line. The structural interaction of the two, distinct neuron systems will also be evaluated in post-mortem, human hypothalamic samples.
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.
Reproduction is regulated by the hypothalamo-pituitary-gonadal (HPG) system. Infertility is a serious dysfunction of the system which is due to diverse causes, including the malfunction of GnRH neurons. Novel research data indicate the essential role of neurotransmitters (GABA, glutamate) in hypothalamic control of reproduction. In line with these efforts, the proposal examines the involvement and regulatory role of acetylcholine signaling upon GnRH neurons. The working hypothesis predicts that ACh exerts direct regulatory effects on GnRH neurons via specific muscarinic and /or nicotinic receptors and their coupled signal transduction pathways, and envisions a modulatory drive of Ach signaling in the modulation of the HPG axis. First, the expression of muscarinic and nicotinic ACh receptor genes in GnRH neurons will be substantiated by q-RT-PCR analysis. The second experimental line will corroborate the interaction of cholinergic axons with GnRH neurons with special emphasis on the structural characteristics and quantitative aspects of the communication. The third, electrophysiological workpackage will clarify the effects and mechanisms of AChR specific agonists and antagonists on functional properties of GnRH neurons using acute brain slice preparation. The fourth workpackage will study the impact of ACh, released by photostimulation of cholinergic axons, on GnRH neurons. The projects challenge the discovery and functional characterization of a novel regulatory channel of the HPG axis acting via acetylcholine receptors and its downstream signal transduction pathway/s in GnRH neurons.
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.
The maintenance of species requires the proper operation of the gonadal system which is regulated by the hypothalamo-pituitary unit via hormonal messages. The hypophysiotropic GnRH neurons have a crucial role in the regulation of gamete production and synthesis of gonadal hormones in both sexes. GnRH neurons show a characteristic pulsatile release of GnRH and a surge release of the neurohormone that precedes and triggers ovulation via gonadotropic hormones. Loosing these capabilities results in infertility. Neurotransmitters acting upon GnRH neurons orchestrate these events together with the feedback effects of gonadal hormones. Till date, the scientific community has primarily focused on the role of GABA and glutamate, both are excitatory via their ionotropic receptors, in the modulation of GnRH neuron functions. Our preliminary experiments indicate that acetylcholine may also contribute to the regulation of the GnRH system via monosynaptic neuronal channels, although neither the specific receptor target/s of the action nor the underlying mechanisms of cholinergic actions have been clarified. The overall results of the current proposal will give insight into structural, molecular and pharmacological mechanisms that are utilized by acetylcholine in the hypothalamic regulation of the reproductive axis via direct targeting of GnRH neurons. We also plan to examine the relevance of the networking of the central cholinergic and GnRH neuronal systems in post-mortem human brain samples. The translation of the results may initiate the development of new pharmaceutical strategies in the field of gynecology with special emphasis on the inhibition (contraception) and induction (in vitro fertilization, IVF) of the GnRH system.
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.
Gonadal functions and reproduction are regulated by an orchestrated action of the hypothalamus and the anterior pituitary gland. The hypothalamic master molecule is gonadotropin-releasing hormone (GnRH) synthesized in about thousand neurons within the hypothalamus of rodents. It is released from the brain and reaches the anterior pituitary where it triggers the release of two gonadotropic hormones, luteinizing hormone and follicle-stimulating hormone. The secretion of GnRH occurs in a pulsatile fashion which is mandatory to the proper operation of the pituitary-gonadal axis. Neurotransmitter substances, like GABA and glutamate, are known to regulate GnRH neurons and consequently, reproduction. Disturbances of neurotransmitter signaling mechanisms to GnRH neurons may result in loss of their function leading to infertility. In our current scientific proposal, we plan to investigate the role of another neurotransmitter, acetylcholine (ACh) which is widely used for communication in the body. ACh acts via muscarinic and nicotinic classes of receptors expressed in the regulated, target structures. Some studies have already substantiated the regulatory role of ACh in the regulation of reproduction, although neither the exact cellular targets nor the specific receptors and the coupled mechanisms whereby Ach influences reproduction at the hypothalamic level have been revealed till date. The main goal of the proposed experimental work is the verification of participation and revealing the role of acetylcholine signaling in the regulation of the GnRH system.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
