Neuroendocrinology (DOI:10.1159/000433440)  

(Accepted, unedited article not yet assigned to an issue) 

© 2015 S. Karger AG, Basel  www.karger.com/nen 

  Advanced Release: May 29, 2015 

Received: February 3, 2015  Accepted after revision: May 19, 2015 

   

Impact of melatonin on time of day‐dependent changes in cell  proliferation and apoptosis in the adult murine hypothalamic‐ hypophyseal system    Michaela Fredricha*, Elmar Christ b, Amin Derouicheb, Horst‐Werner Korf a, b  a  Dr. Senckenbergisches Chronomedizinisches Institut, Goethe‐Universität,   Theodor‐Stern‐Kai 7, D‐60590 Frankfurt/M, Germany  b  Dr. Senckenbergische Anatomie, Institut für Anatomie II, Goethe‐Universität, Theodor‐Stern‐Kai 7,  D‐60590 Frankfurt/M, Germany    * Corresponding author:   Dr. Senckenbergisches Chronomedizinisches Institut, Goethe‐Universität,   Theodor‐Stern‐Kai 7, D‐60590 Frankfurt/M, Germany Fax: +49 6963016017.  E‐mail address: [email protected]‐frankfurt.de    Short title  Regulation of cell proliferation and apoptosis by melatonin                                      Keywords: apoptosis, median eminence, melatonin, pars distalis, pars tuberalis, proliferation   

Abstract

Downloaded by: University of Western Ontario 129.100.58.76 - 6/8/2015 11:02:01 AM

Background/Aims:  Cell  proliferation  and  apoptosis  are  known  to  adjust  neuroendocrine  circuits  to  the  photoperiod.  The  latter  is  communicated  by  melatonin,  the  hormone  secreted  by  the  pineal  organ.  The  present  study  investigated  time  of  day‐dependent  changes  in  cell  proliferation  and  apoptosis in the adult murine neuroendocrine system and their regulation by melatonin. Methods:  Adult melatonin‐proficient (C3H/HeN) and melatonin‐deficient (C57Bl/6J) mice, as well as melatonin‐ proficient (C3H/HeN) mice with targeted deletion of both melatonin receptor types (MT1 and MT2)  were adapted to a 12h light, 12h dark photoperiod and were sacrificed at Zeitgeber times ZT00, ZT06,  ZT12  and  ZT18.  Immunohistochemistry  for  Ki67  and  activated  caspase‐3  served  to  identify  and  quantify proliferating and apoptotic cells in the median eminence (ME), hypophyseal pars tuberalis  (PT)  and  pars  distalis  (PD).  Results:    Time  of  day‐dependent  changes  in  cell  proliferation  and  apoptosis were found exclusively in melatonin‐proficient mice with functional MTs. Cell proliferation  in the ME and the PD showed time of day‐dependent changes indicated by an increase at ZT12 (ME)  and  a  decrease  at  ZT06  (PD).  Apoptosis  showed  time  of  day‐dependent  changes  in  all  regions  analyzed, indicated by an increase at ZT06. Proliferating and apoptotic cells were found in nearly all  cell  types  residing  in  the  regions  analyzed.  Conclusions:  Our  results  indicate  that  time  of  day‐ dependent  changes  in  cell  proliferation  are  counterbalanced  by  time  of  day‐dependent  changes  in  apoptosis exclusively in melatonin‐proficient mice with functional MTs. Melatonin signaling appears  to be crucial in both generation and timing of proliferation and apoptosis that serve the high rate of  physiological cell turnover in the adult neuroendocrine system.    

   

Neuroendocrinology (DOI:10.1159/000433440) 

© 2015 S. Karger AG, Basel

2  

   

Introduction In  adult  vertebrates,  cell  proliferation  provides  a  constant  supply  of  new  cells  required  for  replacement of lost cells, tissue maintenance, and adaptation to physiological stimuli. Furthermore,  apoptosis  contributes  to  adaptation,  self‐renewal,  and  maintenance  of  tissues  by  allowing  an  organism to control cell number and tissue size e.g. by clearing superfluous cells. Cell proliferation,  apoptosis,  and  the  balance  between  them  are  key  mechanisms  required  for  proper  tissue  architecture, homeostasis, and function [1]. By now it is well known that the subventricular zone of  the lateral ventricle and the subgranular zone of the hippocampal dentate gyrus generate new cells  in the adult brain [2, 3]. However, constitutive cell proliferation and apoptosis have also been found  in  the  adult  neuroendocrine  system,  namely  the  median  eminence  (ME)  at  the  base  of  the  mediobasal  hypothalamus  and  the  pars  tuberalis  (PT)  and  pars  distalis  (PD)  of  the  pituitary  [4‐12].  These  regions  hold  key  functions  in  neuroendocrine  regulation.  The  PT  is  the  interface  between  photoperiodically regulated melatonin  signaling and neuroendocrine functions and sends signals to  the  hypothalamus,  including  the  ME,  and  to  the  PD  via  retrograde  and  anterograde  pathways,  respectively [13, 14]. The ME belongs to the circumventricular organs and is open to the portal vessel  system. Therefore, it allows hypothalamic releasing hormones to reach the  PD of the pituitary [15,  16]. Studies on photoperiodic variations of cell proliferation in the ME, PT, and PD of adult mammals  suggest  that  melatonin  plays  a  crucial  role  in  regulation  of  diurnal  and  seasonal  cell  proliferation  rates  in  the  adult  [4,  17,  18].  Melatonin  is  secreted  from  the  pineal  gland  during  the  night.  The  melatonin signal is decoded by cells bearing melatonin receptor type1 (MT1) and type2 (MT2) [19].  Among the regions containing melatonin receptors, the PT stands out due to harboring the highest  MT1 density [20, 21]. Melatonin signaling transduces length of day, onset of darkness and onset of  light and thereby gates rhythmic, light‐entrained expression of clock genes in  the PT [22‐24]. Clock  genes  in  turn  regulate  clock‐controlled  genes  and  in  its  entity  this  molecular  clockwork  communicates  daily  (entrained)/circadian  (endogenous)  rhythmicity  to  physiological  functions  [14,  25,  26].  Cell  proliferation  and  apoptosis  are  regulated  and  timed  by  clock  genes  and  several  clock‐ controlled  genes.  A  time  of  day‐dependent  regulation  of  the  cell  cycle  and  synchronization  of  its  phases by the circadian clockwork was shown in the liver and other tissues [27, 28; 29, reviewed in  30, 31]. For example, entry of mitosis is restricted to a specific time of day [28].   The goal of the present study was to analyze time of day‐dependent changes in cell proliferation and  apoptosis  in  key  regions  of  the  adult  neuroendocrine  system  and  to  investigate  if  these  changes  depend  on  and  are  regulated  by  melatonin‐signaling.  For  these  purposes  cell  proliferation  and  apoptosis  in  the  ME,  PT,  and  PD  of  adult  melatonin‐proficient  mice  (C3H)  were  analyzed  and  compared  with  that  of  melatonin‐deficient  mice  (C57Bl)  and  melatonin‐proficient  mice  lacking  functional  melatonin  receptors  (MT1/2  KO).  In  addition  we  identified  the  cell  types  of  the  proliferating and apoptotic cells in the corresponding regions.  

Animals All animal experimentations reported here were conducted in accordance with accepted standards  of  humane  animal  care,  as  outlined  in  the  ethical  guidelines  and  were  consistent  with  federal  guidelines  and  the  European  Communities  Council  Directive  (89/609/EEC).  Melatonin‐proficient  C3H/HeN  (C3H)  and  Melatonin‐deficient  C57Bl/6J  (C57Bl)  mice  were  purchased  from  Charles  River  laboratories (Sulzfeld, Germany). Mice  with a targeted deletion of the  MT1  gene (MT1‐/‐) [32] and  the MT2 gene (MT2‐/‐) [33] were bred on a melatonin‐proficient C3H/HeN background for at least 10  generations.  Mice  deficient  for  both  melatonin  receptors  (MT1/2  KO)  were  obtained  by  crossing  MT1‐/‐ and MT2‐/‐ mice and breeding the MT1/2 KO offspring for at least 10 generations. Genotypes  were  determined  by  PCR  amplification  of  genomic  DNA  extracted  from  the  tail  as  described  previously  [32,  33].  Experiments  were  performed  with  adult,  male  C3H  (n=16),  C57Bl  (n=16)  and  MT1/2 KO (n=20) mice. All animals were adapted to a photoperiod of 12 h lights (250 lux), 12h dark 

Downloaded by: University of Western Ontario 129.100.58.76 - 6/8/2015 11:02:01 AM

Materials and methods

   

Neuroendocrinology (DOI:10.1159/000433440) 

© 2015 S. Karger AG, Basel

3  

  for  3  weeks  before  experiments,  with  lights‐on  defined  as  zeitgeber  time  (ZT)  00  and  lights‐off  defined as ZT12. Food and water were available ad libitum.   Tissue processing At  the  age  of  8‐10  weeks  the  animals  were  euthanized  by  isoflurane  inhalation  and  perfused  transcardially  with  1.5ml  0.9%  sodium  chloride  solution  for  30s  followed  by  60ml  4%  paraformaldehyde  (PFA)  in  0.1M  phosphate‐buffer  (PB,  pH  7.4)  for  15min  at  ZT00,  ZT06,  ZT12  and  ZT18,  with  4  or  5  animals  per  ZT  and  mouse  strain/genotype.  Perfusions  at  ZT18  were  performed  under dim red light ( 620 nm). Brains and pituitaries were removed from  the  skull  and  post‐fixed  in  4%  PFA  for  1h  and  45min,  respectively.  Tissues  were  cryo‐protected  in  increasing  grades  of  sucrose  in  PB  (10%,  20%,  30%)  and  cryo‐sectioned  into  10µm‐thick  horizontal  (pituitary) or frontal (brain including PT) serial sections.  

Light microscopy Images  were  taken  with  an  Axioskop  2  epifluorescence  microscope  (Zeiss,  Oberkochen,  Germany)  and a digital camera (SPOT insight CCD camera; Diagnostic Instruments, Sterling Heights, Michigan,  USA) at 16bit gray tone depth using the SPOT 5.0 software (Diagnostic Instruments). For quantitative  analysis, images of ME and PT were taken at 20x magnification. The PD was captured by two images  per section taken at 10x magnification and mounted in Photoshop CS (Ver. 10; Adobe, San Jose, CA,  USA).  For  identification  of  the  cell  types  bearing  Ki67  or  activated  caspase‐3  immunoreactivity,  images were taken at 40x magnification for green, red and blue fluorescence separately, assigned an  appropriate color (always green for Ki67 and red for activated caspase‐3) and assembled with SPOT 

Downloaded by: University of Western Ontario 129.100.58.76 - 6/8/2015 11:02:01 AM

Immunohistochemistry Per  animal  and  timepoint  12  sections  of  the  ME,  PT  and  PD  were  used  for  quantitative  analyses  described below. Half of them were incubated with an antibody against Ki67 and the other half with  an antibody against activated caspase‐3 (table 1). Ki67 is a marker for cell proliferation because it is  located in the cell nucleus during all active phases of the cell cycle, except for G0 [34‐37]. Activated  caspase‐3  is  the  key  effector  caspase  during  the  execution  phase  of  apoptosis  [38‐40].  Ki67  and  activated  caspase‐3  were  visualized  by  immunofluorescence  in  alternating  sections  to  prevent  double  counting  of  cells  immunoreactive  for  Ki67  or  activated  caspase‐3,  respectively.  For  identification  of  proliferating  and  apoptotic  cells,  Ki67  and  activated  caspase‐3  were  co‐visualized  with  GFAP,  S100β,  Iba1,  CNPase,  OLIG2,  DARPP‐32,  Connexin  43,  HuC/D,  CD31,  ACTH,  FSHβ,  LHβ,  Prolactin,  TSHβ,  or  GH  (table  1)  by  immunofluorescence  double  staining.  Each  double  staining  was  performed  in  5  sections  of  C3H  mice  sacrificed  at  the  ZTs  with  the  highest  number  of  proliferating  (ME:  ZT12,  PT:  ZT06,  PD:  ZT00)  or  apoptotic  cells  (ME,  PT,  PD:  ZT06).  Nonspecific  staining  was  reduced  by  pre‐incubating  all  sections  with  10%  normal  horse  serum  in  PBST  for  30min  at  room  temperature.  If  primary  antibodies  produced  in  mice  were  used  the  sections  were  in  addition  pre‐ incubated with 3% mouse‐on‐mouse blocking reagent (MKB‐2213; Vector Laboratories, Burlingame,  CA,  USA)  in  phosphate‐buffered  saline  with  0.3%  Triton  X‐100  (PBST)  for  1h  at  room  temperature.   After these pretreatments, sections were incubated with the primary antibodies (table 1) diluted in  1%  normal  horse  serum  in  PBST  over  night  at  room  temperature.  Immunoreactivity  was  visualized  with  secondary  antibodies  labeled  with  fluorochromes,  either  Alexa  488  or  Cy3  (table  2).  Sections  were incubated with the secondary antibodies for 1h at room temperature. Finally all sections were  stained  with  the  DNA‐dye  Hoechst  (Hoechst  33258,  Pentahydrate  (bis‐Benzimide);  1:5000  in  PBST;  Life  Technologies,  San  Diego,  CA,  USA)  for  5min  at  room  temperature.  The  stained  sections  were  cover‐slipped  with  fluorescent  mounting  medium  (S3023;  Dako,  Copenhagen,  Denmark).  For  each  type of staining and region analyzed incubation parameters were kept strictly constant. To verify the  specificity of secondary antibodies, negative controls were run by omitting the primary antibodies in  the corresponding incubation step. Specificity of the antibody raised against activated caspase‐3 was  additionally verified by pre‐incubation with the corresponding caspase‐3 blocking peptide (1050, Cell  Signaling,  Danvers,  MA,  USA)  for  2h  at  room  temperature  before  exposing  sections  for  immunofluorescence staining as described above. 

   

Neuroendocrinology (DOI:10.1159/000433440) 

© 2015 S. Karger AG, Basel

4  

  5.0  to  produce  multicolor  overlays.  For  each  type  of  staining  and  region  analyzed,  microscope  settings, exposure times and global rendering of the images were held strictly constant.  Image processing and acquisition of quantitative data To  distinguish  between  background  and  specific  staining,  background  intensity  was  determined  in  negative control sections and subtracted from the overall staining intensity using the ‘adjust levels’  function  in  Photoshop  CS.  From  each  animal  12  sections  of  the  ME,  PT  and  PD  were  used  to  determine  the  “total”  number  of  cells  (stained  with  Hoechst)  in  the  three  regions.  Six  of  these  sections were used to count the number of proliferating cells (immunoreactive for Ki67) or apoptotic  cells (immunoreactive for activated caspase‐3), respectively. The cell  numbers were determined  by  an  automated  process  using  the  particle  counter  plugin  and  the  cluster  indicator  (BioVoxxel,  Mutterstadt,  Germany)  of  ImageJ/Fiji  (Rasband,  W.S.,  ImageJ,  U.  S.  National  Institutes  of  Health,  Bethesda, Maryland, USA, 1997‐2014) [41]. Proliferation or apoptosis were quantified by forming the  ratio of the counted numbers of Ki67 immunoreactive or activated caspase‐3 immunoreactive cells  per 1000 cells in the ME, PT or PD. To test for changes in the “total” number of cells, the number of  cells stained with Hoechst per mm² of the ME, PT and PD were calculated at different ZTs. Statistical  analysis was performed using BIAS (Version 10.11, Epsilon‐Verlag). To assess whether the data come  from a Gaussian distribution the Kolmogoroff‐Smirnoff test with the Dallal‐Wilkinson correction were  used.  Two‐way  ANOVAs  followed  by  Bonferroni  post‐test  were  performed  to  determine  significant  time  of  day‐dependent  changes  in  cell  proliferation  and  apoptosis  and  to  assess  the  effects  of  the  strain/genotype  on  cell  proliferation  and  apoptosis  at  different  ZTs.  Values  were  considered  significantly different with p

Impact of Melatonin on Zeitgeber Time-Dependent Changes in Cell Proliferation and Apoptosis in the Adult Murine Hypothalamic-Hypophyseal System.

Cell proliferation and apoptosis are known to adjust neuroendocrine circuits to the photoperiod. The latter is communicated by melatonin, the hormone ...
1MB Sizes 0 Downloads 6 Views