Effects of ghrelin on hippocampal glutamate receptors and neuronal morphology

Abstract

Ghrelin is a 28 amino acid peptide hormone produced mainly in the stomach, but also intestine, hypothalamus and pituitary gland. It is an orexigenic substance, meaning it stimulates appetite, and a regulator of growth hormone release. Ghrelin is an endogenous ligand for GHS-R1a (growth hormone secretagogue receptor 1a). This receptor is widely distributed throughout the body, including the hypophysis, hypothalamus and hippocampus. Ghrelin enters the hippocampus, enhancing hippocampal-dependent memory processes. It has been shown to enhance long term potentiation (LTP) and promote spine formation. Thus, ghrelin may represent a molecular link between learning capabilities associated to feeding behavior and energy metabolism, ensuring the ability to locate food sources and remember those locations. Furthermore, GHS-R1a expression pattern seems to be regulated during development in the hippocampus, suggesting that it may play a role in hippocampal development. Here we show that GHS-R1a expression suffers a consistent increase during development in cultured hippocampal neurons, and that knockdown of the receptor expression decreases arborization complexity in young hippocampal neurons, strongly suggesting that GHS-R1a plays a role in dendritic arborization during neuronal development. Also, neuronal stimulation with the ghrelin receptor agonist MK-0677 caused an increase in dendritic filopodia formation, and a decrease in some types of more mature spines, whereas knockdown of the receptor caused the opposite effect and a decrease in expression of synaptic proteins. These results suggest that both the ligandmediated and constitutive activity of the receptor are important in spine formation and maturation during development. In more mature neurons, we show that the ghrelin receptor activation causes an increase in the expression of synaptic proteins, while pharmacological inhibition of the constitutive activity of GHSR1a decreases the clustering of the synaptic proteins PSD-95 and Vglut. Furthermore, the ghrelin receptor agonist increases F-actin dendritic clustering, suggesting spine enlargement/maturation and/or formation. These results indicate that both the agonist-induced and constitutive activity of the receptor are important in spine formation and/or maturation in mature neurons. We also observed that the agonist caused an increase in GluA1 surface expression in hippocampal slices, suggesting a role for ghrelin in priming AMPARs for synaptic incorporation, a probable mechanism through which it enhances LTP. Altogether our results indicate an important role for ghrelin and its receptor in regulating morphological and functional aspects of excitatory synapses in the hippocampus.

A grelina é uma hormona peptídica composta por 28 aminoácidos produzida principalmente pelo estômago mas também pelo intestino, hipotálamo e hipófise. É uma substância que estimula o apetite, e que regula a secreção da hormona de crescimento. A grelina é um ligando endógeno de GHS-R1a (receptor 1a dos secretagogos da hormona de crescimento). Este receptor distribui-se largamente pelo organismo, incluindo a hipófise, o hipotálamo e o hipocampo. A grelina entra no hipocampo e aumenta processos de memória dependentes do hipocampo. Foi demonstrado que a grelina aumenta a potenciação de longa duração (LTP) e promove a formação de espículas. Assim sendo, a grelina pode representar um elo molecular entre as capacidades de aprendizagem associadas ao comportamento alimentar e o metabolismo energético, assegurando a capacidade para localizar fontes de alimento e recordar esses locais. Além disso, o padrão de expressão do GHS-R1a parece ser regulado no hipocampo durante o desenvolvimento, sugerindo que pode desempenhar um papel no desenvolvimento do hipocampo. Neste trabalho demonstramos que a expressão do GHS-R1a sofre um aumento consistente durante o desenvolvimento de neurónios do hipocampo, e que uma diminuição da expressão do recetor diminui a complexidade da arborização em neurónios jovens, o que sugerefortemente que o GHS-R1a tem um papel na arborização dendrítica durante o desenvolvimento neuronal. Além disso, a estimulação com o agonista MK-0677do receptor da grelina causa um aumento na formação de filopódios e uma diminuição nalguns tipos de espículas mais maduras enquanto a diminuição da expressão do recetor provoca o efeito oposto e uma diminuição na expressão de proteínas sinápticas. Estes resultados sugerem que quer a atividade mediada pelo ligando quer a atividade constitutiva do recetor da grelina são importantes na formação e maturação de espículas durante o desenvolvimento. Em neurónios mais maduros, demonstrámos que o agonista do receptor da grelina causa um aumento na expressão de proteínas sinápticas, enquanto a inibição farmacológica da atividade constitutiva do GHS-R1a causa uma diminuição da aglomeração das proteínas sinápticas PSD-95 e Vglut. Além disso, o agonista causa um aumento na aglomeração dendrítica de F-actina, o que sugere um aumento/maturação e/ou formação de espículas. Estes resultados indicam que tanto a atividade induzida por agonista como a atividade constitutiva do recetor são importantes na formação e/ou maturação de espículas nos neurónios maduros. Também observámos que o agonista provoca um aumento da expressão de GluA1 superficial em fatias de hipocampo, sugerindo que a grelina desempenha um papel na incorporação sináptica dos recetores AMPA, um mecanismo provável através do qual a grelina aumenta o LTP. No seu conjunto, os nossos resultados indicam um papel importante para a grelina e o seu receptor na regulação de aspetos morfológicos e funcionais de sinapses excitatórias no hipocampo.