Role of the cGMP-dependent protein kinase type I in the regulation of stress response and thermogenesis

Abstract

The cGMP-dependent protein kinase type I (cGKI) mediates many physiological functions of NO/cGMP signalling, which has been suggested to modulate the stress response and to be involved in thermogenesis, but it is still unclear, whether cGKI represents the major cGMP effector in these processes. In this study, cGKI expression was demonstrated in tissues of the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis, the main mediator of the stress response, and a potential function of cGKI in HPA axis regulation was investigated in vivo in mice by injection of interleukin-1 beta (IL-1 beta). Neuron-specific cGKI knock-out (KO) mice responded like control mice. However, cGKI smooth muscle specific rescue mice (SM-I beta rescues), in which expression of the cGKI beta isoform has been restored selectively in smooth muscle cells of cGKI KO mice, showed significantly higher adrenocorticotropic hormone (ACTH), but lower corticosterone (CORT) levels than control littermates after stimulation indicating a reduced sensitivity of their adrenal glands to ACTH. The observed effect was not limited to immunological challenges, because also restraint stress led to a diminished rise in CORT levels in SM-I beta rescue mice. Surprisingly, cGKI expression was not detectable in parenchymal steroidogenic cells, but the demonstration of cGKI in fibroblast-like cells located between the CORT-producing cells of the zona fasciculata suggested a paracrine effect of cGKI-positive cells on CORT production and/or secretion. However, ACTH stimulation of adrenal slices and in vivo stimulation of SM I beta rescue mice with ACTH caused controversial results. Thus, it still needs to be deciphered, whether the in vivo sensitivity to ACTH is disturbed in SM-I beta rescue mice or whether a signal other than ACTH is involved in cGKIs’ influence on plasma CORT levels. To analyse the role of cGKI in thermogenesis, core body temperature was measured telemetrically at room temperature (RT) and during cold and fasting stress. At RT, SM-I beta rescue mice showed a significantly reduced core body temperature during the light phase as compared to controls. Since neuron-specific cGKI KO mice had core body temperatures indistinguishable from controls, the function of cGKI in thermoregulation at RT is probably not localised in the brain. However, following cold and fasting stress, core body temperature of neuron-specific cGKI KO mice dropped more rapidly than the core body temperature of control mice. Since cGKI expression in these mice is missing in brain nuclei that are involved in thermoregulation, in peripheral nerves innervating BAT and in distinct cells in BAT that still need to be characterised, more studies are required to define the exact mechanism, how cGKI influences thermogenesis. In summary, this study demonstrates a role for cGKI in the modulation of the HPA axis as well as in thermogenesis in mice, but the underlying cellular and molecular mechanisms need to be further deciphered. In the future, cGKI might provide an interesting target for the treatment of diseases caused by HPA axis dysregulation such as depression or for BAT-dependent treatment of adipositas.

Die cGMP-abhängige Proteinkinase Typ I (cGKI) vermittelt zahlreiche physiologische Effekte der NO/cGMP-Signalkaskade, welcher auch eine Beteiligung an der Modulation der Stressantwort und bei der Thermogenese zugeschrieben wird. Bislang ist jedoch nicht bekannt, ob diese Effekte durch die cGKI vermittelt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde nachgewiesen, dass die cGKI in den Geweben der Hypothalamus-Hypophysen-Nebennieren-Achse (HPA-Achse), die maßgeblich an der Stressantwort beteiligt ist, exprimiert wird. Eine mögliche physiologische Funktion der cGKI bei der Regulation der HPA-Achse wurde in vivo in Mäusen untersucht, deren HPA-Achse durch Injektion von Interleukin-1 beta (IL-1 beta) stimuliert wurde. Neuronen-spezifische cGKI knock-out (KO) Mäuse reagierten ähnlich wie Kontrollmäuse. In cGKI Glattmuskel-spezifischen Rescue-Mäusen (SM-I beta Rescue-Mäusen), in denen die Expression der cGKI beta-Isoform selektiv im glatten Muskel von cGKI KO Mäusen wiederhergestellt ist, waren jedoch im Vergleich zu Kontrolltieren die ACTH-Plasmawerte nach Stimulation mit IL-1 beta signifikant erhöht und die Kortikosteron-Plasmawerte erniedrigt. Dies weist auf eine erniedrigte Sensitivität der Nebennieren gegenüber ACTH in SM-I beta Rescue-Mäusen hin. Eine veränderte Stressantwort in SM-I beta Rescue-Mäusen war nicht nur nach der IL-1 beta Injektion, einem immunologischen Stresstyp, zu beobachten. Auch Immobilisierungsstress, der eine Mischung aus physischem und psychologischem Stress darstellt, führte verglichen mit Kontrolltieren in SM-I beta Rescue-Mäusen zu einer geringeren Erhöhung der Kortikosteronkonzentration im Plasma. Interessanterweise war in den parenchymalen Kortikosteron-produzierenden Zellen keine cGKI-Expression nachweisbar. Dafür konnte cGKI in Fibroblasten-ähnlichen Zellen, die zwischen den Kortikosteron-produzierenden Zellen der Zona Fasciculata lokalisiert waren, nachgewiesen werden. Daher ist ein parakriner Einfluss der cGKI-positiven Zellen auf die Kortikosteron-Produktion und/oder Sekretion naheliegend. Allerdings führte die Stimulation mit ACTH in Nebennieren-Gewebsschnitten und in vivo in SM-I beta Rescue-Mäusen zu widersprüchlichen Ergebnissen. Daher ist noch unklar, ob die ACTH-Sensitivität in SM-I beta Rescue-Mäusen in vivo verändert ist oder ob der Einfluss der cGKI auf die Kortikosteronkonzentration im Plasma ACTH-unabhängig ist. Um die Funktion der cGKI bei der Thermogenese zu untersuchen, wurde die Körperkerntemperatur bei Raumtemperatur und während Kälte-und Fastenstresses telemetrisch erfasst. Bei Raumtemperatur zeigten SM-I beta Rescue-Mäuse während der Lichtphase eine gegenüber den Kontrolltieren signifikant erniedrigte Körperkerntemperatur. Da sich die Körperkerntemperatur in den Neuronen-spezifischen cGKI-KO Mäusen nicht von den Kontrolltieren unterschied, kann davon ausgegangen werden, dass die Funktion der cGKI für die Thermoregulation bei Raumtemperatur nicht im Nervensystem lokalisiert ist. Jedoch fiel die Körperkerntemperatur in den Neuronen-spezifischen cGKI KO-Mäusen während des Kälte- und Fastenstresses sehr viel schneller ab als in Kontrolltieren. Diese Daten zeigen, dass cGKI-abhängige Signalwege die Thermogenese in vivo stimulieren. Ob diese Funktion der cGKI auf ihre Expression in Kerngebieten des Gehirns, die an der Thermoregulation beteiligt sind, zurückzuführen ist oder ob eine Funtkon der cGKI im braunen Fettgewebe, in dem die cGKI in Neuronen-spezifischen cGKI-KO Mäusen auch reduziert ist, darstellt, ist bislang noch unklar. Zusammengefasst zeigt diese Studie eine Rolle der cGKI bei der Regulation der HPA-Achse und bei der Thermogenese in Mäusen, wobei die zugrundeliegenden zellulären und molekularen Mechanismen noch weiter aufgeklärt werden müssen. In der Zukunft könnte die cGKI ein interessantes Zielprotein für die Behandlung von Krankheiten bieten, die durch einen Fehlregulation der HPA-Achse verursacht werden, wie beispielsweise Depressionen, sowie für Therapieformen zur Behandlung der Adipositas, die auf der Stimulation der Thermogenese in braunem Fettgewebe basieren.