Identification of key signaling molecules involved in hypothalamic thermoregulation

Abstract

Thermoregulation is a crucial homeostatic function orchestrated by the central nervous system for all homothermic animals to obtain an optimal thermal environment. The thermoregulatory center of homothermic animals is located in the preoptic area of the hypothalamus, which not only receives the temperature input from the peripheral thermosensors, but also detects the local brain temperature as a central thermosensor. By integrating the peripheral and central temperature information, the preoptic area orchestrates thermoregulatory responses through different pathways. The sparse warm- sensitive neurons in the preoptic area are hypothesized to play a pivotal role in controlling thermoregulation. However, the molecular basis of the hypothetical thermoregulatory mechanism has remained mysterious ever since it has been first proposed. This doctoral thesis aims to identify the key signaling molecules underlying the thermosensitivity of warm-sensitive preoptic neurons and the corresponding thermoregulatory mechanisms. In this work, temperature-sensitive preoptic neurons were identified by calcium (Ca2+) imaging in vitro. Thereafter, by carrying out two pharmacological and transcriptomic screening strategies on primary preoptic neurons and cell lines, respectively, we identified that Transient receptor potential cation channel, subfamily M, member 2 (Trpm2) as an important receptor in the heat response of warm-sensitive preoptic neurons in the mouse hypothalamus. Trpm2 expression was detected in the preoptic area by in situ hybridization. Heat responses of warm-sensitive neurons were abolished in the neurons from Trpm2 knockout mice characterized by Ca2+ imaging, indicating that Trpm2 channel is involved in conducting Ca2+ influx during heat stimuli. Corresponding behavioral studies showed that Trpm2 knockout mice developed a less pronounced increase of core body temperature during fever induction by lipopolysaccharide (LPS) when compared to wild-type littermates. In summary, our work sheds light on the molecular basis of the temperature sensation and thermoregulatory mechanisms in the mammalian central nervous system.

Thermoregulation ist eine lebenswichtige homöostatische Funktion aller homothermischen Organismen. Sie wird vom zentralen Nervensystem reguliert und stellt den Mechanismus dar, der eine stabile Körpertemperatur garantiert. Das thermoregulatorische Zentrum im Gehirn befindet sich in der preoptischen Region des Hypothalamus. Es empfängt nicht nur Informationen über die Körpertemperatur von peripheren thermosensorischen Neuronen, sondern misst zusätzlich die lokale Hirntemperatur um nach Integration dieser beiden Signale verschiedene thermoregulatorische Mechanismen zu koordinieren. Obwohl eine Gruppe weniger, wärmesensitiver Neuronen in der preoptischen Region nach wissenschaftlicher Erkenntnis in diesem Prozess eine wichtige Rolle spielt, sind die molekularbiologischen Grundlagen der Hirntemperatursensorik noch nicht bekannt. Das Ziel dieser Dissertation war die Identifikation wichtiger Bestandteile von Signalkaskaden, die der Wärmesensitivität in preoptischen Neuronen zugrunde liegen. Nach der erfolgreichen Identifikation der Neuronen mit Hilfe eines kalziumbasierten (Ca2+) Bildgebungsverfahrens in vitro, führten pharmakologische und Analysen des Transkriptoms in primären preoptischen Neuronen und einer wärmesensitiven Zelllinie letztendlich zur Identifikation von Trpm2 (Transient receptor potential cation channel, subfamily M, member 2) als ein essentieller Bestandteil der Temperaturwahrnehmung durch preoptische Neuronen des Hypthalamus. Die Expression von Trpm2 in der preoptischen Region in Mäusen wurde durch in situ Hybridisierungsexperimente bestätigt. Die Kalziumaufnahme –als Reaktion auf einen Wärmestimulus– war in Trpm2 Knockout-Mäusen stark reduziert und deutet auf eine essentielle funktionale Rolle Trpm2s in der wärmestimulusabhängigen Kalziumaufnahme hin. In darauffolgengenden Verhaltensstudien konnte gezeigt werden, dass eine durch LPS-injektion (lipopolysaccharide) induzierte Fieberentwicklung in Trpm2- Knockout-Mäusen im Vergleich zum Wilddtyp verringert ist. Zusammenfassend beschreibt diese Dissertation die Entdeckung von in vitro identifizierten, und in vivo verifizierten molekularen Mechanismen, die der Wärmedetektion in der preoptischen Region des Hypothalamus in Säugetieren zugrunde liegen.