Endomorphin peptides: pharmacological and functional implications of these opioid peptides in the brain of mammals. Part one / Las endomorfinas: Implicaciones farmacológicas y funcionales de estos péptidos opioides en el cerebro de los mamíferos

ABSTRACT

The present paper describes several aspects of the biological activities, physiological and behavioral responses displayed by the most recent discovered opioid peptides: endomorphins. Endormorphins comprise two endogenous C-terminal amide tetrapeptides, named as endomorphin-1 (EM1; Tyr-Pro-Trp-Phe-NH2) and endomorphin-2 (EM2; Tyr-Pro-Phe-Phe-NH2), which were discovered a decade ago (1997) by Zadina's group. Initially, they reported the identification of two endogenous opioid peptides that displayed high binding affinities and selectivities for the µ-opioid receptor among other identified and cloned opioid receptors. These led authors to support the hypothesis that endomorphin peptides represent the endogenous ligand agonists for the µ-opioid receptor. Both peptides were identified and isolated from bovine and human brains. They consist of four amino acids that share a 75% structural homology among amino acids, and which display the structural α-amidated form of C-terminal -Phe- residue, as demonstrated for many other bioactive neuropeptides. These peptides are structurally distinct from other endogenous opioid substances identified in the brain of mammals, although they share some similarities with other amide terapeptides such as Tyr-W-MIF-1, found also in the mammalian brain. Here, we review the structure-relationship activity of both endomorphin molecules comparing their binding properties to different opioid receptors. Both EM1/EM2 peptides appear to be vulnerable to enzymatic degradation when exposed to the activities of different proteolytic enzymes, as occurs with many other neuroactive peptides found in the SNC of mammals. Immunohistochemical studies showed the wide and asymmetric distribution of both EM1-2 peptides in the brain, leading to the extensive pharmacological, cellular, and physiological studies that demonstrated the wide and varied bioactivities displayed by these peptides at both central and peripheral tissues. These studies led several authors to suggest the potential endogenous role of these peptides in major physiological processes (e.g. analgesia or antinociception). Based on the generation of specific (rabbit) polyclonal antibodies and the use of combined radioimmunoassay (RIA) techniques and immunohistochemical procedures, it was shown the wide distribution of EM1-2-LI (endomorphin1-2-like immunoreactivities) throughout the brain of different species (e.g. rat, primate, human), particularly co-localized in specific areas where µ-opioid receptor has been shown to be expressed. IHC mapping of endomorphin material in the CNS showed a parallelism with the neuroanatomical distribution of other endogenous opioid peptides (e.g. Met/Leu-enk, Dynorphin A, β-endorphin) previously reported. These studies showed for instance that, whereas EM1-LI was shown to be widely and densely distributed throughout the brain, particularly in forebrain structures (e.g. nucleus accumbens [NAc]; cortex [Cx]; amygdale [AMG]; thalamus [Th], the hypothalamus [Hyp], the striatum [CPu]), including the upper brainstem (BS); and dorsal root ganglia (DRG); EM2-LI is highly expressed in spinal cord and lower brainstem. Interesting enough is the demonstration of the expression of EM1-2-LI outside the CNS (e.g. spleen, thymus and blood), and detected in immune cells (e.g. macrophages/monocytes, lymphocytes, and polymophonuclear leucocytes) surrounding inflammatory foci. Pharmacological studies showed that these peptides displace with high potency several µ-opioid receptor ligands agonists in a concentration-dependent manner. Moreover, EM1-2 peptides have been shown to modulate the release of several conventional transmitters from neurons (e.g. DA, NA, 5-HT, ACh) besides on active neurohormones. Additionally, in vitro and in vivo studies showed that both EM-1/EM-2 peptides produce their pharmacological and biological effects by stimulating either µ1 or µ2-opioid receptors, which mediate the distinct pharmacological activities detected for each peptide. Cellular studies showed that both EM-1/EM-2 peptides induce a potent granule/vesicle endocytosis and trafficking of µ-opioid receptor in cells transfected with the µ-opioid receptor cDNA; following some endocytosis responses and µ-opioid receptor trafficking mechanisms shown in enteric neurons; cells previously reported to express naturally µ-opioid binding sites on cells. Endomorphins have been shown to induce potent antinociceptive responses after ICV or IT administration into mice; to modulate nociceptive transmission and pain sensation into the brain after stimulating peripheral nociceptors on primary neuronal afferents; and to generate cross-tolerance between endomorphin peptides and between EM1 and opiate compounds, such as morphine.

RESUMEN

Este artículo resume varios aspectos de las múltiples actividades biológicas, celulares, efectos farmacológicos, respuestas fisiológicas y conductuales de dos nuevas sustancias peptídicas de naturaleza opioide, descubiertas recientemente y denominadas endomorfinas. Las endomorfinas son dos péptidos opioides, clasificados como endomorfina-1 (EM1, Tyr-Pro-Trp-Phe-NH2) y endomorfina-2 (EM2, Tyr-Pro-Phe-Phe-NH2), cuyas secuencias peptídicas fueron identificadas y aisladas del cerebro de bovino y humano por el grupo de Zadina en 1997. Estudios de unión radioligando-receptor demostraron que estos péptidos se unen con alta afinidad de unión al receptor opioide µ en relación con su capacidad de unión a otros subtipos de receptores opioides (kappa [κ], delta [δ] ), previamente identificados en el SNC de mamíferos. Ambos péptidos están compuestos por cuatro aminoácidos y son estructuralmente distintos de las demás sustancias opioides endógenas conocidas. Esta revisión detalla con precisión diversos aspectos de la farmacología y actividades celulares de estos opioides y sus implicaciones en la modulación de distintas circuitos o vías neurales y funcionamiento del SNC de los mamíferos, respectivamente. Los estudios relacionados con la función estructura-actividad de estos péptidos han mostrado que, al igual que la mayoría de los péptidos bioactivos endógenos de naturaleza opioide y no opioide, son vulnerables a la escisión peptídica por cortes enzimáticos mediante la exposición a distintas enzimas proteolíticas que pudiesen participar en la degradación endógena de las endomorfinas, y la obtención de diversos productos de degradación. Asimismo, este artículo menciona la amplia distribución neuroanatómica que poseen las endomorfinas en distintas regiones del cerebro, particularmente en aquellas que regulan el procesamiento y la transmisión de la información nociceptiva y que, por tanto, reflejan el papel potencial de estos péptidos en procesos fisiológicos de analgesia, entre muchos otros (memoria y otro aprendizaje). En este contexto, diferentes estudios basados en el empleo de ensayos inmunológicos (radioinmunoensayos [RIA] y técnicas de inmunohistoquímica [IHC]) que requieren el uso de anticuerpos específicos generados contra las secuencias consenso de las endomorfinas mostraron una amplia distribución de material inmunoreactivo a endomorfina (vg., EM1-LI, EM2-LI) en tejidos neurales de humano, bovino y roedores. Por ejemplo, la EM1-LI mostró una distribución relativamente abundante en una gran mayoría de las regiones del SNC de mamíferos estudiados, particularmente en la región rostral y superior del tallo cerebral, así como en el núcleo accumbens (NAc), la corteza prefrontal y frontal (PFCx), la amígdala (AMG), el tálamo (TH), el hipotálamo (HPT), el estriado (CPu) y fibras nerviosas de la raíz del ganglio dorsal (DRG). En contraste, la expresión de EMZ mostró ser muy abundante en la región de la médula espinal y en la región caudal del tallo cerebral. La distribución de material inmunoreactivo a EM1-2 en el SNC de mamíferos mostró similitudes en cuanto a la distribución neuroanatómica reportada para otros péptidos opioides endógenos, previamente identificados (vg., encefalinas, dinorfinas, endorfinas). Así mismo, estudios paralelos lograron identificar la presencia de EM1-2-LI en órganos periféricos (vg., bazo, timo, células inflamatorias del tipo de macrófagos-monocitos, linfocitos y leucocitos PMN) y en plasma. Más aún, diversos estudios farmacológicos han mostrado que las actividades biológicas y respuestas fisiológicas de las EM1-2 están mediadas a través de la estimulación de los subtipos de receptores opioides µ1 y µ2. Estudios de inmunohistoquímica (IHC) demostraron la colocalización del receptor opioide µ y las EM1-2 en diversas regiones del SNC de mamiferos. Esto ha permitido proponer que las EM1-2 representan una nueva familia de péptidos opioides con funciones neuromoduladoras relevantes en el SNC, las cuales intervienen en la regulación de los procesos biológicos de percepción del dolor; respuestas de estrés; funciones límbicas de placer y recompensa inducidas por incentivos naturales y/o sustancias psicotrópicas; funciones de estado de alerta y vigilia, funciones cognitivas (de aprendizaje y memoria) y actividades de regulación neuroendócrina. Además, diversos estudios celulares han mostrado que ambos péptidos opioides son capaces de inducir la internalización aguda o endocitosis del receptor opioide µ en células somáticas transfectadas con el ADN (ADNc) que codifica este mismo receptor opioide. Al igual que otros péptidos opioides (v.g., encefalinas), diversos estudios mostraron el catabolismo enzimático de estos péptidos amidados mediante la actividad de enzimas proteolíticas (v.g., carboxipeptidasa Y, aminopeptidasa M), lo que ha permitido sugerir que estos péptidos opioides son degradados por rutas de degradación enzimática similares que rigen para múltiples péptidos bioactivos moduladores en el SNC de los mamíferos. Al igual que otros péptidos endógenos, ambas endomorfinas mostraron la capacidad de modular la liberación neuronal de neurotransmisores (DA, NA, 5-HT, ACh) y hormonas peptídicas en áreas específicas del cerebro de los mamíferos. Asimismo, ambos péptidos mostraron una capacidad de generar efectos antinociceptivos potentes en forma dosis-dependiente posterior a su administración ICV o IT en animales experimentales, además de generar respuestas de tolerancia cruzada entre ambas endomorfinas y/o entre la EM1 y alcaloides opiáceos del tipo de la morfina.