Proteomic analysis of the dorsal spinal cord in the mouse model of spared nerve injury-induced neuropathic pain

Abstract

Peripheral nerve injury often causes neuropathic pain and is associated with changes in the expression of numerous proteins in the dorsal horn of the spinal cord. To date, proteomic analysis method has been used to simultaneously analyze hundreds or thousands of proteins differentially expressed in the dorsal horn of the spinal cord in rats or dorsal root ganglion of rats with certain type of peripheral nerve injury. However, a proteomic study using a mouse model of neuropathic pain could be attempted because of abundant protein database and the availability of transgenic mice. In this study, whole proteins were extracted from the ipsilateral dorsal half of the 4^th–6^th lumbar spinal cord in a mouse model of spared nerve injury (SNI)-induced neuropathic pain. In-gel digests of the proteins size-separated on a polyacrylamide gel were subjected to reverse-phase liquid-chromatography coupled with electrospray ionization ion trap tandem mass spectrometry (MS/MS). After identifying proteins, the data were analyzed with subtractive proteomics usingProtAn, an in-house analytic program. Consequently, 15 downregulated and 35 upregulated proteins were identified in SNI mice. The identified proteins may contribute to the maintenance of neuropathic pain, and may provide new or valuable information in the discovery of new therapeutic targets for neuropathic pain.

Keywords

proteomics / spinal dorsal horn / neuropathic pain / spared nerve injury / mouse

References

[1] Zimmermann M. Pathobiology of neuropathic pain[J]. Eur J Pharmacol, 2001, 429(1-3): 23–37

[2] Scholz J, Woolf  CJ. Can we conquer pain[J]? Nat Neurosci, 2002, 5(Suppl): 1062–1067

[3] Mallick P, Kuster  B. Proteomics: a pragmatic perspective[J]. Nat Biotechnol, 2010, 28(7): 695–709

[4] Komori N, Takemori  N, Kim HK , Proteomics study of neuropathic and nonneuropathic dorsal root ganglia: altered protein regulation following segmental spinal nerve ligation injury[J]. Physiol Genomics, 2007, 29(2): 215–230

[5] Zou W, Zhan  X, Li M , Identification of differentially expressed proteins in the spinal cord of neuropathic pain models with PKCgamma silence by proteomic analysis[J]. Brain Res, 2012, 1440: 34–46

[6] Sui P, Watanabe  H, Ossipov MH , Proteomics of neuropathic pain: proteins and signaling pathways affected in a rat model[J]. J Proteome Res, 2014, 13(9): 3957–3965

[7] Kunz S, Tegeder  I, Coste O , Comparative proteomic analysis of the rat spinal cord in inflammatory and neuropathic pain models[J]. Neurosci Lett, 2005, 381(3): 289–293

[8] Lee SC, Yoon  TG, Yoo YI , Analysis of spinal cord proteome in the rats with mechanical allodynia after the spinal nerve injury[J]. Biotechnol Lett, 2003, 25(24): 2071–2078

[9] A.F.Bourquin, M.Suveges, M.Pertin , , Assessment and analysis of mechanical allodynia-like behavior induced by spared nerve injury (SNI) in the mouse[J]. Pain 122 (2006) 14e11–14.

[10] Keller A, Nesvizhskii  AI, Kolker E , Empirical statistical model to estimate the accuracy of peptide identifications made by MS/MS and database search[J]. Anal Chem, 2002, 74(20): 5383–5392

[11] Nesvizhskii AI, Keller  A, Kolker E , A statistical model for identifying proteins by tandem mass spectrometry[J]. Anal Chem, 2003, 75(17): 4646–4658

[12] Gillespie CS, Sherman  DL, Blair GE , Periaxin, a novel protein of myelinating Schwann cells with a possible role in axonal ensheathment[J]. Neuron, 1994, 12(3): 497–508

[13] Scherer SS, Xu  YT, Bannerman PG , Periaxin expression in myelinating Schwann cells: modulation by axon-glial interactions and polarized localization during development[J]. Development, 1995, 121(12): 4265–4273

[14] Gillespie CS, Sherman  DL, Fleetwood-Walker SM , Peripheral demyelination and neuropathic pain behavior in periaxin-deficient mice[J]. Neuron, 2000, 26(2): 523–531

[15] Wallace VC, Cottrell  DF, Brophy PJ , Focal lysolecithin-induced demyelination of peripheral afferents results in neuropathic pain behavior that is attenuated by cannabinoids[J]. J Neurosci, 2003, 23(8): 3221–3233

[16] Einheber S, Zanazzi  G, Ching W , The axonal membrane protein Caspr, a homologue of neurexin IV, is a component of the septate-like paranodal junctions that assemble during myelination[J]. J Cell Biol, 1997, 139(6): 1495–1506

[17] Peles E, Salzer  JL. Molecular domains of myelinated axons[J]. Curr Opin Neurobiol, 2000, 10(5): 558–565

[18] Wolswijk G, Balesar  R. Changes in the expression and localization of the paranodal protein Caspr on axons in chronic multiple sclerosis[J]. Brain, 2003, 126(Pt 7): 1638–1649

[19] Henry MA, Freking  AR, Johnson LR , Sodium channel Nav1.6 accumulates at the site of infraorbital nerve injury[J]. BMC Neurosci, 2007, 8: 56

[20] Avila MA, Corrales  FJ, Ruiz F , Specific interaction of methionine adenosyltransferase with free radicals[J]. Biofactors, 1998, 8(1-2): 27–32

[21] Guedes RP, Araújo  AS, Janner D , Increase in reactive oxygen species and activation of Akt signaling pathway in neuropathic pain[J]. Cell Mol Neurobiol, 2008, 28(8): 1049–1056

[22] Park ES, Gao  X, Chung JM , Levels of mitochondrial reactive oxygen species increase in rat neuropathic spinal dorsal horn neurons[J]. Neurosci Lett, 2006, 391(3): 108–111

[23] Phelan SA, Wang  X, Wallbrandt P , Overexpression of Prdx6 reduces H2O2 but does not prevent diet-induced atherosclerosis in the aortic root[J]. Free Radic Biol Med, 2003, 35(9): 1110–1120

[24] Gao YJ, Ji  RR. Activation of JNK pathway in persistent pain[J]. Neurosci Lett, 2008, 437(3): 180–183

[25] Ji RR, Gereau  RW4th, Malcangio M , MAP kinase and pain[J]. Brain Res Rev, 2009, 60(1): 135–148

[26] Jones LL, Margolis  RU, Tuszynski MH . The chondroitin sulfate proteoglycans neurocan, brevican, phosphacan, and versican are differentially regulated following spinal cord injury[J]. Exp Neurol, 2003, 182(2): 399–411

[27] Andrews EM, Richards  RJ, Yin FQ , Alterations in chondroitin sulfate proteoglycan expression occur both at and far from the site of spinal contusion injury[J]. Exp Neurol, 2012, 235(1): 174–187

[28] Deller T, Haas  CA, Frotscher M . Sprouting in the hippocampus after entorhinal cortex lesion is layer- specific but not translaminar: which molecules may be involved?[J]. Restor Neurol Neurosci, 2001, 19(3-4): 159–167

[29] Woolf CJ, Shortland  P, Coggeshall RE . Peripheral nerve injury triggers central sprouting of myelinated afferents[J]. Nature, 1992, 355(6355): 75–78

[30] Oertle T, Schwab  ME. Nogo and its paRTNers[J]. Trends Cell Biol, 2003, 13(4): 187–194

[31] Bandtlow CE, Schwab  ME. NI-35/250/nogo-a: a neurite growth inhibitor restricting structural plasticity and regeneration of nerve fibers in the adult vertebrate CNS[J]. Glia, 2000, 29(2): 175–181

[32] Hunt D, Coffin  RS, Prinjha RK , Nogo-A expression in the intact and injured nervous system[J]. Mol Cell Neurosci, 2003, 24(4): 1083–1102

[33] Schwab ME. Increasing plasticity and functional recovery of the lesioned  spinal  cord[J].  Prog  Brain  Res, 2002, 137: 351–359

[34] Bowen MA, Patel  DD, Li X , Cloning, mapping, and characterization of activated leukocyte-cell adhesion molecule (ALCAM), a CD6 ligand[J]. J Exp Med, 1995, 181(6): 2213–2220

[35] Cayrol R, Wosik  K, Berard JL , Activated leukocyte cell adhesion molecule promotes leukocyte trafficking into the central nervous system[J]. Nat Immunol, 2008, 9(2): 137–145

[36] Hu P, Bembrick  AL, Keay KA , Immune cell involvement in dorsal root ganglia and spinal cord after chronic constriction or transection of the rat sciatic nerve[J]. Brain Behav Immun, 2007, 21(5): 599–616

[37] Salinas AE, Wong  MG. Glutathione S-transferases—a review[J]. Curr Med Chem, 1999, 6(4): 279–309

[38] Horst A, Kolberg  C, Moraes MS , Effect of N-acetylcysteine on the spinal-cord glutathione system and nitric-oxide metabolites in rats with neuropathic pain[J]. Neurosci Lett, 2014, 569: 163–168

[39] Shi TJ, Liu  SX, Hammarberg H , Phospholipase Cβ3 in mouse and human dorsal root ganglia and spinal cord is a possible target for treatment of neuropathic pain[J]. Proc Natl Acad Sci U S A, 2008, 105(50): 20004–20008

Acknowledgments

This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea (NRF), funded by the Ministry of Education (2015R1D1A1A01059432).

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 2017 by the Journal of Biomedical Research.