Estrogen signaling in nociceptive neurons

Abstract

Pain is one of the largest health problems, and therapeutic options are still insufficient. More effective treatment of pain requires the understanding of cellular mechanisms underlying pain and sensitization. While electrophysiological properties of nociceptive neurons have been investigated intensively, still little is known about the intracellular signaling mechanisms. Besides inflammatory mediators, neurotransmitters and growth factors, also the steroid hormone estrogen is known to influence pain. Estrogen-dependent sex differences in pain are well established in humans and in animals, but the underlying signaling mechanisms are so far not described. The aim of this study was to characterize estrogen signaling pathways in primary nociceptive neurons. Here I show that estrogen and agonists of the novel estrogen receptor GPR30 cause rapid PKCε translocation in a subgroup of primary nociceptive neurons. The observed PKCε activation was dependent on adenylyl cyclase and restricted to neurons positive for the subgroup markers IB4 and TRPV1. In contrast, no PKCε translocation was detected in response to agonists of the classical estrogen receptors ERα and ERβ. In behavioral experiments performed in rats and mice, GPR30 agonists as well as estrogen induced robust mechanical sensitization. The observed cellular and behavioral effects mirrored the actions of inflammatory mediators. This suggests a first physiological function for the novel estrogen receptor GPR30 and indicates a potential role for estrogen as inflammatory modulator of nociception. Computational, biochemical, cell biological as well as behavioral approaches indicated the TRPV1-microtubule complex as a novel target of PKCε signaling towards mechanical sensitization. PKCε-mediated phosphorylation of TRPV1 at serine 800 modulates the interaction between TRPV1 and microtubules and thereby controls nociceptive signaling upon PKCε activation. Thus, TRPV1 serves as a signaling scaffold in PKCε-dependent mechanical sensitization, which regulates microtubule stability and cellular morphology in nociceptive neurons. Estrogen and inflammatory mediators activate PKCε signaling in primary nociceptive neurons. By analyzing how these convergent signals are computed by the primary neuron, a novel endogenous inhibitory signaling pathway was identified. While estrogen normally induces sensitization, estrogen can also abolish sensitization through a Ca2+-dependent signaling mechanism. This dual effect of estrogen that can also be observed for the inflammatory mediator isoproterenol indicates a new grade of complexity for signaling mechanisms regulating nociception. Taken together, this thesis demonstrates that estrogen acts as an important regulator of nociceptive signaling. The identification of novel sensitizing as well as desensitizing signaling mechanisms up- and downstream of PKCε opens new prospects for the development of analgesics targeting intracellular signaling mediators and for the improvement of pain therapy, e.g. in gender-dependent pain disorders and cancer therapy-induced pain.

Schmerz ist ein zentrales medizinisches Problem. Die therapeutischen Möglichkeiten sind jedoch noch immer sehr begrenzt. Ein Grund ist das unzureichende Verständnis der zellulären Mechanismen, die einem gesteigerten Schmerzempfinden zugrunde liegen. Während die elektrophysiologischen Eigenschaften nozizeptiver Neuronen bereits gut charakterisiert sind, sind intrazelluläre Signalwege bisher kaum beschrieben. Neben Entzündungsmediatoren, Neurotransmittern und Wachstumsfaktoren beeinflussen auch Steroidhormone wie z. B. Östrogen das Schmerzempfinden. Obwohl Geschlechtsunterschiede in der Schmerzwahrnehmung bei Menschen und in zahlreichen Tiermodellen beschrieben sind, sind die molekularen Ursachen bisher weitgehend unbekannt. In dieser Arbeit wurde Östrogen verwendet, um neue Signalwege in primären nozizeptiven Neuronen zu identifizieren. Östrogen aktiviert PKCε in einer Subgruppe seonsorischer Neuronen, die das Isolektin B4 binden und den Ionenkanal TRPV1 exprimieren. Im Gegensatz zu Agonisten der klassischen Östrogenrezeptoren führte die Behandlung mit Agonisten des G-Protein gekoppelten Rezeptors GPR30 ebenfalls zur Aktivierung von PKCε. In Verhaltensexperimenten mit Ratten und Mäusen induzierten Östrogen und GPR30 Agonisten mechanische Hyperalgesie. Diese Ergebnisse darauf hin, dass Östrogen ähnlich wie entzündliche Mediatoren Schmerzsignalwege moduliert, und legen so eine erste physiologische Funktion für den neuartigen Östrogen-Rezeptor GPR30 nahe. Im Folgenden wurde der TRPV1-Mikrotubuli-Komplex als neues downstream target von PKCε in mechanischer Hyperalgesie identifiziert. Die PKCε- vermittelte Phosphorylierung des Serin 800 von TRPV1 führt zum Zerfall des Mikrotubuli-TRPV1-Komplexes, der mit einer Destabilisierung der Mikrotubuli und morphologischen Veränderungen der Zelle einhergeht und so Schmerzignalwege beeinflusst. Dieser Effekt konnte weder durch den Ionenkanal-Inhibitor 5’I-RTX noch durch die Expression eines TRPV1-Fragments anstelle von Wildtyp-TRPV1 blockiert werden. Damit zeigt die hier beschriebene Funktion von TRPV1 als Signalvermittler in mechanischer Sensitivierung eine neue Rolle für TRP Kanäle in nozizeptiven Signalwegen. Sowohl Entzündungsmediatoren als auch Östrogen aktivieren PKCε-Signalwege in primären nozizeptiven Neuronen. Die Analyse dieser konvergenten Signalwege zeigte einen neuen, inhibitorischen Signalweg: Während Östrogen in Abwesenheit anderer Schmerzsignale PKCε-abhängige Sensitivierung hervorruft, kann es in Verbindung mit anderen nozizpetiven Signalen über ein Ca2+-Signal Schmerzsignalwege inhibieren. Diese Doppelwirkung von Östrogen, die auch für Adrenalin beobachtet werden kann, deutet auf einen neuen Grad von Komplexität hin, der der Regulation von Schmerzsignalen zugrunde liegt. Zusammengefasst zeigt diese Arbeit, dass Östrogen bei der Regulation von Schmerzsignalwegen eine wichtige Rolle spielt. Die Identifizierung sensitivierender und inhibitorischer Signalmechanismen deutet auf intrazelluläre Mediatoren hin, die als potentielle Angriffspunkte für die Entwicklung neuer Schmerzmedikamente dienen könnten, und eröffnet dabei neue Perspektiven für eine verbesserte Schmerztherapie.