Characterization of the sigma-1 receptor in the mouse central nervous system

Abstract

The sigma-1 receptor (S1R) is a chaperon protein, and S1R exogenous ligands have shown therapeutic potential for several neurological disorders. Extensive in vitro studies have demonstrated the localization of S1Rs in the membrane of endoplasmic reticulum (ER) but in vivo cell type specific expression pattern of S1Rs remains unclear, mainly due to the lack of a reliable detection method. In this study, we established a highly specific immunohistochemical protocol for the detection of S1Rs which was validated using S1R knock-out (KO) mice. Next, we characterized S1R expression in the mouse brain, demonstrating that S1Rs are widely expressed in principal neurons, interneurons, and all glial cell types. Particularly, the expression of S1Rs in oligodendrocyte progenitor cells (OPCs) was detected for the first time. Employing neuronal and glial cell specific Cre-expressing mice, we generated Cre-dependent S1R conditional KO mice. Taken together, we provide a powerful tool for cell-specific detection, deletion, and functional characterization of S1Rs in vivo. We detected an increase of S1R expression during OPC differentiation into oligodendrocytes (OLs), suggesting a potential role of S1Rs in regulating OL development. Since we found a transit delay of myelination in the cortex of S1R KO mice at postnatal day 14 (P14), we traced the fate of OPCs after Cre activity induction at P7-8 using the NG2-CreERT2 knock-in and Rosa26-tdTomato reporter mice. Although no difference was found in the density or proportion of Pα (OPC marker), APC CC1 or Myrf (both OL markers) immunoreactive cells at P14, P21, and P30, we observed an increase in GSTπ+ (mature OL marker, mOLs) in the corpus callosum of KO mice. Similarly, the OPC-specific deletion of S1R did not influence the proliferation and differentiation of OPCs into OLs during development. Again, we observed the increased density and proportion of GSTπ+ mOLs in the brain (cortex and corpus callosum) and spinal cord of cKO mice at P21 and P30. In addition, we detected increased expression of myelin-related proteins (MBP and MOG) in the brain. We also found increased GSTπ+ and GSTπ+tdT+ mOLs in cKO brains four weeks after the Cre activity induction in adult OPCs at P30. Altogether, our results suggest that S1R deletion in OL lineage cells may lead to precocious maturation of OLs during development. In conclusion, our findings indicate that S1Rs are involved in regulating OL lineage cell maturation but do not affect the OPC proliferation and differentiation during OL development. Unravelling the mechanisms underlying S1Rs regulating OL maturation is required in the further study to develop novel therapies for demyelination-related diseases.

Der Sigma-1-Rezeptor (S1R) ist ein Chaperon-Protein, und S1R exogene Liganden haben sich als therapeutisches Potenzial für mehrere neurologische Erkrankungen gezeigt. Intensive in vitro-Studien haben die Lokalisierung von S1Rs in der Membran des endoplasmatischen Retikulums (ER) gezeigt, aber das in vivo zelltypspezifische Expressionsmuster von S1Rs bleibt unklar, hauptsächlich aufgrund des Mangels an einer zuverlässigen Nachweismethode. In dieser Studie haben wir ein hochspezifisches immunohistochemisches Protokoll zur Detektion von S1Rs etabliert, das mit S1R-Knock-out (KO)-Mäusen validiert wurde. Anschließend charakterisierten wir die S1R-Expression im Gehirn der Maus und zeigten, dass S1Rs in den Hauptneuronen, Interneuronen und allen Gliazelltypen weit verbreitet sind. Insbesondere wurde die Expression von S1Rs in Oligodendrozyten-Progenitorzellen (OPCs) zum ersten Mal nachgewiesen. Unter Verwendung von Mäusen mit neuronalen und glialen zellspezifischen Cre-Expression generierten wir Cre-abhängige S1R-Bedingte KO-Mäuse. Zusammenfassend liefern wir ein leistungsstarkes Werkzeug für die zellspezifische Detektion, Deletion und funktionelle Charakterisierung von S1Rs in vivo. Wir stellten eine Zunahme der S1R-Expression während der Differenzierung von OPCs zu Oligodendrozyten (OLs) fest, was auf eine potenzielle Rolle von S1Rs bei der Regulation der OL-Entwicklung hinweist. Angesichts unserer Feststellung einer Verzögerung der Myelinisierung in der Großhirnrinde von S1R-KO-Mäusen am 14. postnatalen Tag (P14) haben wir mithilfe von NG2-CreERT2-Knock-in- und Rosa26-tdTomato-Reporter-Mäusen das Schicksal von OPCs nach der Induktion der Cre-Aktivität am P7-8 verfolgt. Obwohl kein Unterschied in der Dichte oder dem Anteil von Pα (OPC-Marker), APC CC1 oder Myrf (beide OL-Marker) immunreaktiven Zellen bei P14, P21 und P30 festgestellt wurde, beobachteten wir eine Zunahme von GSTπ+ (reifer OL-Marker, mOLs) im Corpus callosum von KO-Mäusen. Ebenso beeinflusste die OPC-spezifische Deletion von S1R weder die Proliferation noch die Differenzierung von OPCs zu OLs während der Entwicklung. Erneut beobachteten wir bei den cKO-Mäusen bei P21 und P30 eine erhöhte Dichte und einen höheren Anteil von GSTπ+ mOLs im Gehirn (Großhirnrinde und Corpus callosum) und Rückenmark. Darüber hinaus stellten wir eine erhöhte Expression von Myelin-verwandten Proteinen (MBP und MOG) im Gehirn fest. Wir fanden auch erhöhte GSTπ+ und GSTπ+tdT+ mOLs in den cKO-Gehirnen vier Wochen nach der Cre-Aktivitätsinduktion bei erwachsenen OPCs am P30. Insgesamt deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass die Deletion von S1R in OL-Linienzellen zu einer vorzeitigen Reifung von OLs während der Entwicklung führen kann. Zusammenfassend deuten unsere Ergebnisse darauf hin, dass S1Rs an der Regulation der Reifung von OL-Linienzellen beteiligt sind, aber die Proliferation und Differenzierung von OPCs während der OL-Entwicklung nicht beeinflussen. Die Aufklärung der Mechanismen, die der Regulation der OL-Reifung durch S1Rs zugrunde liegen, ist für weitere Studien zur Entwicklung neuartiger Therapien für demyelinisierungsbedingte Erkrankungen erforderlich.