The peptide hormone ghrelin has previously been linked to the regulation of metabolism. This study in mice finds that increasing levels of ghrelin, either through subcutaneous injections or calorie restriction, has an anxiolytic and antidepressive effect. This reveals a previously unknown function for ghrelin. We found that increasing ghrelin levels, through subcutaneous injections or calorie restriction, produced anxiolytic- and antidepressant-like responses in the elevated plus maze and forced swim test. Moreover, chronic social defeat stress, a rodent model of depression, persistently increased ghrelin levels, whereas growth hormone secretagogue receptor (Ghsr) null mice showed increased deleterious effects of chronic defeat. Together, these findings demonstrate a previously unknown function for ghrelin in defending against depressive-like symptoms of chronic stress.

Background

 Ghrelin is a potent orexigenic hormone that likely impacts eating via several mechanisms. Here, we hypothesized that ghrelin can regulate extra homeostatic, hedonic aspects of eating behavior. 

Methods

 In the current study, we assessed the effects of different pharmacological, physiological, and genetic models of increased ghrelin and/or ghrelin-signaling blockade on two classic behavioral tests of reward behavior: conditioned place preference (CPP) and operant conditioning. 

Results

 Using both CPP and operant conditioning, we found that ghrelin enhanced the rewarding value of high-fat diet (HFD) when administered to ad lib-fed mice. Conversely, wild-type mice treated with ghrelin receptor antagonist and ghrelin receptor-null mice both failed to show CPP to HFD normally observed under calorie restriction. Interestingly, neither pharmacologic nor genetic blockade of ghrelin signaling inhibited the body weight homeostasis-related, compensatory hyperphagia associated with chronic calorie restriction. Also, ghrelin's effects on HFD reward were blocked in orexin-deficient mice and wild-type mice treated with an orexin 1 receptor antagonist. 

Conclusions

 Our results demonstrate an obligatory role for ghrelin in certain rewarding aspects of eating that is separate from eating associated with body weight homeostasis and that requires the presence of intact orexin signaling.

The popular media and personal anecdotes are rich with examples of stress-induced eating of calorically dense "comfort foods." Such behavioral reactions likely contribute to the increased prevalence of obesity in humans experiencing chronic stress or atypical depression. However, the molecular substrates and neurocircuits controlling the complex behaviors responsible for stress-based eating remain mostly unknown, and few animal models have been described for probing the mechanisms orchestrating this response. Here, we describe a system in which food-reward behavior, assessed using a conditioned place preference (CPP) task, is monitored in mice after exposure to chronic social defeat stress (CSDS), a model of prolonged psychosocial stress, featuring aspects of major depression and posttraumatic stress disorder. Under this regime, CSDS increased both CPP for and intake of high-fat diet, and stress-induced food-reward behavior was dependent on signaling by the peptide hormone ghrelin. Also, signaling specifically in catecholaminergic neurons mediated not only ghrelin's orexigenic, antidepressant-like, and food-reward behavioral effects, but also was sufficient to mediate stress-induced food-reward behavior. Thus, this mouse model has allowed us to ascribe a role for ghrelin-engaged catecholaminergic neurons in stress-induced eating.

Enteroendocrine cells such as duodenal cholecystokinin (CCK cells) are generally thought to be confined to certain segments of the gastrointestinal (GI) tract and to store and release peptides derived from only a single peptide precursor. In the current study, however, transgenic mice expressing enhanced green fluorescent protein (eGFP) under the control of the CCK promoter demonstrated a distribution pattern of CCK-eGFP positive cells that extended throughout the intestine. Quantitative PCR and liquid chromatography-mass spectrometry proteomic analyses of isolated, FACS-purified CCK-eGFP-positive cells demonstrated expression of not only CCK but also glucagon-like peptide 1 (GLP-1), gastric inhibitory peptide (GIP), peptide YY (PYY), neurotensin, and secretin, but not somatostatin. Immunohistochemistry confirmed this expression pattern. The broad coexpression phenomenon was observed both in crypts and villi as demonstrated by immunohistochemistry and FACS analysis of separated cell populations. Single-cell quantitative PCR indicated that approximately half of the duodenal CCK-eGFP cells express one peptide precursor in addition to CCK, whereas an additional smaller fraction expresses two peptide precursors in addition to CCK. The coexpression pattern was further confirmed through a cell ablation study based on expression of the human diphtheria toxin receptor under the control of the proglucagon promoter, in which activation of the receptor resulted in a marked reduction not only in GLP-1 cells, but also PYY, neurotensin, GIP, CCK, and secretin cells, whereas somatostatin cells were spared. Key elements of the coexpression pattern were confirmed by immunohistochemical double staining in human small intestine. It is concluded that a lineage of mature enteroendocrine cells have the ability to coexpress members of a group of functionally related peptides: CCK, secretin, GIP, GLP-1, PYY, and neurotensin, suggesting a potential therapeutic target for the treatment and prevention of diabetes and obesity.

The molecular mechanisms regulating secretion of the orexigenic-glucoregulatory hormone ghrelin remain unclear. Based on qPCR analysis of FACS-purified gastric ghrelin cells, highly expressed and enriched 7TM receptors were comprehensively identified and functionally characterized using in vitro, ex vivo and in vivo methods. Five Gαs-coupled receptors efficiently stimulated ghrelin secretion: as expected the β1-adrenergic, the GIP and the secretin receptors but surprisingly also the composite receptor for the sensory neuropeptide CGRP and the melanocortin 4 receptor. A number of Gαi/o-coupled receptors inhibited ghrelin secretion including somatostatin receptors SSTR1, SSTR2 and SSTR3 and unexpectedly the highly enriched lactate receptor, GPR81. Three other metabolite receptors known to be both Gαi/o- and Gαq/11-coupled all inhibited ghrelin secretion through a pertussis toxin-sensitive Gαi/o pathway: FFAR2 (short chain fatty acid receptor; GPR43), FFAR4 (long chain fatty acid receptor; GPR120) and CasR (calcium sensing receptor). In addition to the common Gα subunits three non-common Gαi/o subunits were highly enriched in ghrelin cells: GαoA, GαoB and Gαz. Inhibition of Gαi/o signaling via ghrelin cell-selective pertussis toxin expression markedly enhanced circulating ghrelin. These 7TM receptors and associated Gα subunits constitute a major part of the molecular machinery directly mediating neuronal and endocrine stimulation versus metabolite and somatostatin inhibition of ghrelin secretion including a series of novel receptor targets not previously identified on the ghrelin cell.