New Enzymes of Dopamine Metabolism in the Zebrafish Danio Rerio

Show full item record

Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2019040911599
Title: New Enzymes of Dopamine Metabolism in the Zebrafish Danio Rerio
Author: Semenova, Svetlana
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Medicine, Medicum/Anatomy
Doctoral Programme Brain and Mind
Thesis level: Doctoral dissertation (article-based)
Abstract: The neurotransmitter dopamine is involved in the regulation of diverse functions of the nervous system, from reward processing and motor control to cell proliferation. The zebrafish dopaminergic system is an outstanding research object for research on nervous system disorders, especially for neurodevelopmental and neurochemical studies. The present work was focused on the distinct roles of the tyrosine hydroxylase genes in the development of the zebrafish nervous system, and on the previously unexplored features of COMT enzymes and genes in the zebrafish. An antibody was generated to detect zebrafish TH2, a tyrosine hydroxylase that had remained overlooked for a long time. As the new antibody recognized both TH1 and TH2 proteins, it was used together with a validated commercial anti-TH1 antibody to map the entire dopaminergic network in the zebrafish brain and to characterize the responses of TH2-expressing cells to various stressful stimuli. TH2-expressing cell groups were found in the preoptic area (group 3b), paraventricular nucleus of the hypothalamus (group 8b) and nuclei of the lateral and posterior recesses of the caudal hypothalamus (groups 9b and 10b). Cells of groups 9b and 10b were intermingled with serotonin-containing cells, but no (serotonin+TH2)-immunopositive cells were detected. Chemical and social stress induced cell activation in distinct regions of the brain, including the caudal hypothalamus, as inferred from c-fos expression, but only a small fraction of TH2 cells was activated. Dopaminergic regulation of histaminergic neuron development was assessed in pharmacological and gene knockdown experiments. Knockdown of the th1 gene by morpholino oligonucleotide injection reduced histamine and orexin neuron numbers in zebrafish larvae, whereas th2 gene knockdown increased cell numbers in these populations. These opposite effects may be due to the different spatiotemporal expression patterns of the two th genes in the zebrafish.Wnt signaling was implicated in the regulation of cell numbers. Similar patterns of expression of zebrafish comt-a and comt-b genes and a broad distribution of COMT enzymatic activity in zebrafish tissues was demonstrated. High activity and expression levels were detected in the brain, liver, and kidney. Treatment with an inhibitor of COMT did not lead to increased dopamine concentrations in zebrafish larvae, but it shifted the balance of dopamine inactivation towards the oxidation pathway catalyzed by monoamine oxidase Dopamine degradation in the zebrafish was shown to have many features in common with that in other vertebrates. Anti-TH2 antibodies were developed and characterized as tools for imaging studies in zebrafish, and possibly in other fish species. Distinct roles of TH1- and TH2-producing cells in the regulation of brain development were revealed. The thesis demonstrated that enzymes with similar biochemical functions in dopamine synthesis but different spatiotemporal expression patterns may make fundamentally different contributions to the regulation of brain development.Dopamiini on hermovälittäjäaine, joka säätelee liikkeitä, mielihyvän tunnetta ja kognitiivista toimintaa selkärankaisten hermostossa. Dopamiini säätelee myös hermoston kehitystä. Ryhmämme aikaisempi tutkimus on osoittanut, että toista välittäjäainetta, histamiinia, sisältävien hermosäikeiden tiheys ja histamiinipitoisuus aivoissa lisääntyy Parkinsonin taudissa, jossa aivojen dopamiinituotanto on vähentynyt. Seeprakalaa käytetään koe-eläimenä neurobiologiassa ja erityisesti keskushermoston kehitystä tutkittaessa. Kalan aivoissa vaikuttavat samat hermovälittäjäaineet kun ihmisen aivoissa, ja kalan perimä on kokonaan sekvensoitu. Monelle ihmisen geenille löytyy kaksi vastaavaa seeprakalan geeniä kalan perimän kahdentumisen vuoksi. Yksi esimerkki on tyrosiinihydroksylaasi (TH)-geeni, joka koodaa dopamiinin tuotannolle välttämättömän entsyymin. Tässä tutkimuksessa tuotettiin vasta-aineita, jotka tunnistavat seeprakalan tyrosiinihydroksylaasi 2:ta, kartoitettiin niiden avulla entsyymiä tuottavat solut kalan aivoissa ja osoitettiin, että nämä solut eivät aktivoidu akuuteissa stressitilanteissa. Uudet vasta-aineet tunnistivat molemmat seeprakalan TH:t, ja se mahdollistui kaikkien dopaminergisten hermosolujen visualisoinnin kalan aivoissa. Sekä TH1- että TH2-geenin ilmentymisen estäminen kehittyvillä seeprakaloilla aiheutti dopamiinitasojen alenemisen. Histamiini-hermosolujen lukumäärät kalan aivoissa laskivat, kun TH1:n ilmentyminen estettiin, mutta nousivat, kun TH2:n ilmentyminen estettiin. Samoin kuin ihmisellä, dopamiinin inaktivointi seeprakalalla voi tapahtua joko hapettumisen tai metylaation kautta. Jälkimmäisen reaktion katalysoi katekoli-O-metyylitransferaasi (COMT). Tässä tutkimuksessa osoitettiin, että seeprakalan molemmat COMT-geenit ja COMT-entsyymin toiminta ilmentyvät monissa kudoksissa ja elimessä. COMT-entsyymi löydettiin kalan maksasta ja suolistosta, jossa se voi metyloida ruoan ainesosat, mutta myös aivoista ja silmistä, jossa se todennäköisesti metyloi dopamiinin. COMT:in kemiallinen estäminen ei kuitenkaan nostanut dopamiinitasoja kalapoikasilla, vaan stimuloi dopamiinin hapettumista. Tutkimuksen tuloksista voidaan päätellä, että seeprakalaa voi käyttää koe-eläimenä, kun tutkitaan sairauksia, johon liittyy dopamiinin tuotannon häiriintyminen, dopamiinin vaikutuksia hermosolujen kehitykseen ja COMT:in monipuolinen toiminta elimistössä.Dopamin är en signalsubstans som reglerar rörelse, välbehag, motivation, och kognitiva funktioner vid ryggradsdjur. Dopamin påverkar också nervsystemets utveckling, och sänkta halter av dopamin i Parkinsons sjukdom är associerat med en ökning av antalet histaminerga nervfibrer och histaminnivåer i hjärnan. Sebrafisken är ett populärt försöksdjur i neurobiologisk forskning och särskilt i studier av nervsystemets utveckling. Sebrafisken har samma signalsubstanser i nervsystemet som människan och andra däggdjur. Sebrafiskens arvsmassa har också kartlagts. Tack vare arvsmassans duplikation, finns det ofta två sebrafiskgener som motsvarar en gen hos människan, till exempel tyrosinhydroxylas (TH), som är nödvändig för dopaminsyntesen. Vi tillverkade och karakteriserade nya antikroppar mot sebrafiskens tyrosinhydroxylas 2 (TH2). TH2, reagerar inte med antikroppar mot däggdjurs TH, och har därför förbisetts i tidigare forskning. De nya antikropparna reagerade med både TH1 och TH2 i fiskens hjärna, och möjliggör visualisering av alla dopaminerga nervceller. TH2-nervceller var avskilda från serotoninceller i fiskens hypotalamus och i kontakt med hypocretin- och histamin-innehållande nervfibrer. TH2-celler aktiverades inte vid akut stress. Nedreglering av TH1 eller TH2 genuttryck i sebrafiskar under utveckling ledde till minskning av dopaminnivåer. Antalet histaminnervceller i fiskens hjärna minskade vid nedreglering av TH1-genuttryck medan det ökade vid nedreglering av TH2-genuttryck. Både hos människan och hos sebrafisken kan dopamin inaktiveras genom oxidering eller metylering. Dopamin metyleras av enzymet katekol-O-metyltransferas (COMT). Våra studier påvisade att sebrafiskens båda COMT-gener uttrycks i många vävnader och organ, också i hjärnan. COMT:s enzymatiska aktivitet detekterades i fiskens lever och tarmar, var katekolämnen i födan kan metyleras. Aktivitet detekterades också i hjärnan och ögon, var COMT antagligen kan metylera dopamin eller andra signalsubstanser. Inhibering av COMT ledde inte till ökade dopaminnivåer, medan nivåerna av dopaminoxideringsprodukt (DOPAC) blev högre. Denna undersökning visar att sebrafisken kan användas för att undersöka biokemiska processer vid sjukdomar som är associerade med störningar av dopaminsyntes, och särskilt i utforskning av dopaminets verkan på nervsystemets utveckling och av COMT:s mångsidiga funktioner i kroppen.
URI: URN:NBN:fi-fe2019040911599
http://hdl.handle.net/10138/300754
Date: 2019-04-26
Subject: Neurobiologia
Rights: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record