La serotonina limita la generazione di cellule cromaffini durante lo sviluppo degli organi surrenali

Nature Communications volume 13, numero articolo: 2901 (2022) Citare questo articolo

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Le ghiandole surrenali sono i principali organi che rilasciano catecolamine e regolano la nostra risposta allo stress. I meccanismi che bilanciano la generazione di cellule cromaffini adrenergiche e la protezione contro i tumori del neuroblastoma sono ancora enigmatici. Qui abbiamo rivelato che la serotonina (5HT) controlla il numero di cellule cromaffini agendo sulle loro cellule "ponte" progenitrici immediate tramite il recettore 3A della 5-idrossitriptamina (HTR3A), e le linee cellulari aggressive di neuroblastoma umano HTR3Ahigh riducono la proliferazione in risposta a specifici HTR3A agonisti. Negli embrioni (in vivo), l'aumento fisiologico di 5HT ha causato un prolungamento del ciclo cellulare nei progenitori "ponte" portando ad una popolazione cromaffine più piccola e modificando l'equilibrio degli ormoni e i modelli comportamentali in età adulta. Questi effetti comportamentali e le ghiandole surrenali più piccole si sono rispecchiati nella progenie di topi femmine gravide sottoposte a stress sperimentale, suggerendo un collegamento materno-fetale che controlla gli adattamenti dello sviluppo. Infine, questi risultati corrispondevano a una distribuzione dimensionale delle ghiandole surrenali riscontrata nei roditori selvatici con diverse strategie di coping.

Le ghiandole surrenali sono regolatori ormonali chiave nel nostro corpo, poiché controllano i principali processi fisiologici della nostra vita quotidiana e l'omeostasi non può essere mantenuta senza la loro normale funzione. La struttura delle ghiandole surrenali comprende la materia corticale, costituita da cellule che producono ormoni steroidei, e il midollo posizionato centralmente (midollo surrenale – AM), che orchestra la risposta del nostro corpo allo stress rilasciando catecolamine (adrenalina e noradrenalina). È interessante notare che nel nostro corpo è presente temporaneamente un altro organo simile che produce catecolamine, ovvero l'organo di Zuckerkandl (ZO)1. Lo ZO alla fine scompare durante i primi anni di vita umana. Le cellule cromaffini rappresentano il principale tipo di cellule produttrici di catecolamine nell'AM e nello ZO (insieme chiamate organi cromaffini).

Nonostante l’importanza per la nostra fisiologia, i dettagli chiave dello sviluppo delle ghiandole surrenali rimangono poco chiari. Questi dettagli sono importanti non solo per i tentativi di ingegneria della ghiandola surrenale o per comprendere le anomalie congenite associate, ma anche per far fronte ai tumori derivanti dalla linea simpatico-surrenale, vale a dire neuroblastoma, feocromocitoma e paraganglioma. Secondo un paradigma recente, le cellule tumorali sfruttano e riproducono programmi di sviluppo per suscitare plasticità intratumorale e resistere al trattamento2. Inoltre, la buona conoscenza delle fasi di sviluppo e dei profili molecolari contribuisce a una migliore classificazione dei tumori e aiuta a individuare i tipi di cellule che danno origine al tumore utilizzando la somiglianza trascrizionale delle cellule maligne con particolari stati cellulari dello sviluppo3,4,5.

In linea con questo ragionamento, studi recenti hanno dimostrato che gli stadi iniziali dello sviluppo delle cellule cromaffini dipendono dal reclutamento di precursori delle cellule di Schwann (SCP) locali associati ai nervi, che si trasformano in una popolazione transitoria di cellule “ponte” di breve durata che transita rapidamente verso cellule cromaffini mature negli embrioni di topo e umani6,7,8,9. Questa scoperta ha complicato il vecchio quadro dello sviluppo surrenale (dove le cellule migratorie della cresta neurale generano immediatamente tessuti cromaffini) e ha sollevato una serie di domande riguardanti il controllo del numero di progenitori cromaffini che operano durante le fasi di differenziazione. Queste cellule "ponte" sono caratterizzate dall'espressione di Htr3a6,8, un gene che codifica per una subunità del recettore HTR3 della serotonina (5-idrossitriptamina, 5HT). Sulla base di ciò, è stato recentemente suggerito che la 5HT faccia parte del meccanismo correlato allo sviluppo della midollare del surrene6.

Più in generale, il 5HT è fondamentale per lo sviluppo embrionale10 e per la crescita postnatale nel regno animale11,12,13, compresa la formazione del sistema nervoso14,15,16. Inoltre, il 5HT è uno dei principali fattori che influenzano l'umore, la risposta allo stress di tipo "attacco o fuga" e il comportamento aggressivo nei mammiferi17. Uno dei collegamenti chiave tra lo sviluppo embrionale, gli organi cromaffini e il 5HT deriva dagli studi sull'addomesticamento degli animali. Gli animali domestici hanno livelli più elevati di 5HT e comportamenti aggressivi meno innescati dalle catecolamine18. Le differenze genetiche tra animali selvatici e domestici della stessa specie includono geni che codificano per gli enzimi di sintesi e degradazione del 5HT19. Inoltre, le ghiandole surrenali degli animali domestici sono più piccole di quelle dei loro parenti selvatici20,21. Pertanto, le differenze comportamentali possono essere attribuite alle variazioni dei sistemi 5HT e catecolamine e alle dimensioni dei rispettivi organi endocrini, in particolare delle ghiandole surrenali, che si formano durante lo sviluppo embrionale.

0.05, * < 0.05, biological n = 4 (control), 5 (5HTP). h Prenatal 5HTP exposure at the time of "bridge" cell differentiation (E11.5–E15.5 in rats and E10.5–E14.5 in mice) causes the decrease of postnatal adrenal medulla size in P30 animals, which was greater than decreased induced by 5HTP exposure after the time of "bridge" cell differentiation (E15.5–E18.5 in rats and E14.5–E15.5 in mice). Green line in all violin plots—the median, red lines—quartiles. One-way ANOVA test with Dunnett's multiple comparison test **p = 0.0017, ***p = 0.0002, ****p < 0.0001, biological n (adrenal gland) = 24 (control male rat), 19 (E11.5–E15.5 male rat), 20 (E15.5–E18.5 male rat), 35 (control female mice), 16 (E11.5–E15.5 female rat), 20 (E15.5–E18.5 female rat), 40 (control male mice), 24 (E10.5–E14.5 male mice), 27 (E14.5–E15.5 male mice), 35 (control female mice), 18 (E10.5–E14.5 and E14.5–E15.5 female mice). For all experiments normality is checked with Shapiro–Wilk test. AG: adrenal gland, Kid: kidney, PG and ZO: paraganglia and organ of Zuckerkandl, DA: dorsal aorta./p> 0.05, * < 0.05, ** < 0.002. d Cell number in adrenal medulla and sympathetic chain ganglia across four groups of E13.5 embryos treated during E11.5–E12.5 with: DMSO (control), 5HTP, 5HTP and Granisetron (HTR3A antagonist), SR57227 (HTR3A agonist). Note that cell numbers change in the adrenal medulla, but not in the sympathetic chain ganglion. Biological n = 6 (DMSO, 5HTP, SR57227), 5 (5HTP + Granisetron), one-way ANOVA AM p-value *0.0135, followed by Tukey multiple comparison test DMSO vs 5HTP p-value *0.0189, DMSO vs SR57227 p-value *0.0406; ANOVA SCG p-value ns 0.6265. e Changes in size and cellular composition in E13.5 adrenal medulla and Organ of Zuckerkandl in mice under the influence of increased 5HT (E11.5–E12.5). Cell numbers are presented as violin plots, the green line—median and the red lines—quartiles. Adrenal medulla (AM) and Organ of Zuckerkandl (ZO) are outlined by the dashed line in sections. SRG: suprarenal ganglion, SCG: sympathetic chain ganglion, MG: mesenteric ganglion./p> 0.05, ** < 0.002, biological n = 3 (control SCPs), 4 (control other cell types), 4 (5HTP SCPs), 5 (5HTP other cell types). c Proportions of EdU+ only, CldU+ only, and EdU+CldU+ cells in populations of SCPs, "bridge" cells, and early chromaffin cells at E12.5 under the influence of 5HT in adrenal medulla. Note that the cell cycle lengthened in "bridge" cells in the treated condition, as there are more EdU+CldU+ "bridge" cells. Shapiro–Wilk test for normality and unpaired double-sided t-test p-value ns > 0.05, * < 0.05, biological n = 3 (control SCPs), 4 (control other cell types), 4 (5HTP SCPs), 5 (5HTP other cell types). d Transversal sections of adrenal glands from Htr3aEGFP+/− embryos immunostained for TH, EGFP (indicating the expression of Htr3a), EdU, and CldU. Arrowheads point at EdU+ only, CldU+ only, and EdU+CldU+ cells. e Numbers of cleaved CASP3+ cells in adrenal medulla and Organ of Zuckerkandl. Note that the number of cleaved CASP3+ cells is exceptionally low. Cell numbers are presented in violin plots, the green line indicates median and the red lines are quartiles. Shapiro–Wilk test for normality and unpaired double-sided t-test (AM) and Mann–Whitney test (ZO), p-value ns > 0.05, biological n = 5. f Proposed mechanism of the paracrine/autocrine regulation of a cell cycle length in HTR3A+ "bridge" precursors by 5HT-releasing chromaffin cells in the developing adrenal medulla./p>

0.05, * < 0.05, biological n = male: 11 (control), 8 (5HTP); female 12 (control), 10 (5HTP), for plasma n = male: 10 (control), 7 (5HTP); female 10 (female), 8 (female). d Aggression-assessing behavioral tests: "resident-intruder test" (top) and "foot shock-induced aggression test" (bottom) indicate the reduced aggression in the 5HTP-treated group. Mann–Whitney test, p-value ns > 0.05, biological n = 14 and 15 (control), 15 (5HTP group). e Pregnant BalbC mice were exposed to a mild stress (1 h restrain) at E10.5–E14.5, followed by 5HT measurements in the embryo trunks and placentas. Note: the 5HT levels were increased similarly to experiment with 5HTP-treatment (refer to Fig. 2a, b). Mann–Whitney test, p-value * <0.05, ** < 0.002, biological n = 9. f Pregnant BalbC mice were exposed to a mild stress (1 h restrain) at E10.5–E14.5, and their P30 offspring was tested for the size of adrenal medulla and aggression. Note: the proportion of adrenal medulla was significantly lower in the stress-induced group similarly to the 5HTP-treated group (refer to Fig. 2h). Shapiro–Wilk test for normality, unpaired double-sided t-test p-value, **** < 0.0001, n (adrenal gland) =40 (control male), 24 (1 h restrain male), 35 (control female), 32 (1 h restrain female). g The ratio of adrenal medulla of the adrenal gland in C. rutilus. Mann–Whitney test, p-value * < 0.05, *** < 0.001, biological n (adrenal gland) = male: 31 (resident), 29 (migrant); female: 25 (resident), 21 (migrant). In all violon plots the green line—median, the red lines—quartiles./p>