Role of grik1 triplication in physiological and cognitive phenotypes in a mouse model of down syndrome
- Autores: Sergio Valbuena Alvarez
- Directores de la Tesis: Juan Lerma Gómez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Miguel Hernández de Elche ( España ) en 2019
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Antonio Esteban García (presid.), Sandra Jurado Sánchez (secret.), Rafael Fernández Chacón (voc.), María Luz Montesinos Gutiérrez (voc.), Santiago Canals Gamoneda (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Neurociencias por la Universidad Miguel Hernández de Elche
- Materias:
- Texto completo no disponible (Saber más ...)
- Resumen
- español
RESUMEN La transmisión sináptica química constituye el sistema de comunicación más importante entre las neuronas y sus efectores. Dentro del sistema de neurotransmisión glutamatérgico –que transmite la mayor parte de las señales eléctricas en el cerebro-, los receptores de kainato (KARs) son poco conocidos, aunque están dotados con la capacidad de modular una gran variedad de procesos, desde el desarrollo a la cognición. Los cinco genes que codifican para las subunidades de los KARs –llamados Grik1-Grik5- se expresan de forma diferencial a lo largo de estados del desarrollo, regiones cerebrales y tipos celulares, mientras que su capacidad de activar vías de señalización ionotrópicas y metabotrópicas favorece su participación en diferentes aspectos de la fisiología y, eventualmente, la enfermedad.
El síndrome de Down constituye la causa genética más frecuente de déficits cognitivos, y entender los mecanismos fisiológicos detrás de aspectos específicos de estos déficits ha constituido un importante reto en las últimas décadas. El uso de modelos animales de síndrome de Down, junto con la disponibilidad de estrategias farmacológicas y genéticas, ha permitido empezar a descifrar las múltiples facetas de este síndrome. Así, se ha demostrado que modelos animales de síndrome de Down presentan alteraciones a nivel de la transmisión sináptica, como un exceso de tono inhibitorio en el giro dentado y la región CA1 del hipocampo. De esta forma, una de las teorías más aceptadas en el campo afirma que existe una relación entre la excesiva inhibición y alteraciones en plasticidad sináptica y déficits de memoria. Aun así, la causa genética de las alteraciones GABAérgicas descritas en estos modelos aún no está clara.
El gen GRIK1, que codifica para la subunidad GLUK1 del KAR, está en el cromosoma 21 humano y su expresión se ve incrementada en modelos animales de síndrome de Down. Estudios previos en nuestro laboratorio han mostrado que GluK1 regula la liberación de GABA de forma bidireccional en la región CA1 del hipocampo, a través de las vías de señalización ionotrópica y metabotrópica de los KARs. De esta forma, Grik1 constituye un candidato ideal para explicar los fenotipos de exceso de inhibición observados previamente en modelos de síndrome de Down. En este trabajo hemos evaluado la posible participación de la triplicación de Grik1 en alteraciones celulares, fisiológicas y conductuales presentes en el modelo Ts2Cje de síndrome de Down. Mediante una estrategia genética, hemos sido capaces de normalizar la dosis de Grik1 en ratones Ts2Cje dentro de un fondo genético trisómico. Esta estrategia nos ha permitido delinear de forma precisa los roles que el exceso de expresión de GluK1 juega en la aparición de las alteraciones mencionadas previamente.
De acuerdo con reportes previos usando diferentes modelos de síndrome de Down, hemos encontrado que los ratones Ts2Cje presentan déficits de memoria espacial en comparación con ratones control (llamados en adelante euploides) de la misma camada. Esos déficits estaban causados por la triplicación de Grik1, puesto que se recuperaron mediante la normalización de este gen.
Hemos tratado de evaluar las posibles explicaciones, a nivel fisiológico, para las alteraciones de memoria espacial dependientes de Grik1 observadas en ratones Ts2Cje. Gracias a nuestra estrategia de normalización genética, hemos encontrado que la triplicación de Grik1 es la causa de las alteraciones en la transmisión sináptica inhibitoria reportadas en la región CA1 del hipocampo de ratones Ts2Cje. Además, hemos descrito un desbalance en la inhibición sináptica sobre diferentes compartimentos del eje somatodendrítico de las células piramidales de CA1. Proponemos que ese desbalance altera el control de la entrada de la información excitatoria que llega a la región CA1 del hipocampo de ratones Ts2Cje, y explica los déficits de memoria espacial observados en esos animales. Asimismo, hemos encontrado que, en contra de la visión general aceptada en el campo –que propone que el exceso de tono inhibitorio causa déficits de memoria espacial mediante una reducción de la plasticidad sináptica-, las alteraciones de la inhibición sináptica la LTP no estaban correlacionadas en los ratones Ts2Cje, de tal manera que solo las primeras se recuperaron a consecuencia de la normalización de Grik1.
Finalmente, hemos evaluado el posible rol que la triplicación de Grik1 –así como sus alteraciones sinápticas asociadas- podrían jugar en la aparición de otros fenotipos conductuales observados en modelos de síndrome de Down. Hemos observado una reducción en las respuestas de ansiedad y miedo en los ratones Ts2Cje, encontrando que esos fenotipos no están causados por el exceso de expresión de GluK1, puesto que no se recuperaron a los niveles del ratones euploides a través de la normalización de la dosis genética de Grik1. De la misma forma, hemos registrado la actividad sináptica en el núcleo basolateral de la amígdala –el área cerebral que controla las respuestas de ansiedad y miedo- aunque no hemos encontrado alteraciones sinápticas similares a las descritas en CA1.
En conclusión, estos resultados demuestran la participación de GluK1 en el establecimiento de fenotipos fisiológicos y cognitivos presentes en el modelo Ts2Cje de síndrome de Down. Además, hemos descrito una alteración bidireccional en la liberación de GABA causada por la triplicación de Grik1. Este trabajo podría ser relevante para entender la relación entre las alteraciones en la actividad sináptica inhibitoria y los déficits de memoria espacial observados en modelos animales de síndrome de Down. Esto es de especial importancia en un contexto en el cual diferentes ensayos clínicos están siendo llevados a cabo para evaluar el uso de bloqueantes GABAérgicos como estrategia terapéutica en este síndrome.
- English
ABSTRACT Chemical synaptic transmission constitutes the most prominent communication system between neurons and their effectors. Within the glutamatergic neurotransmission system –which conveys the vast majority of the excitatory signals in the brain-, kainate receptors (KARs) remain poorly understood, even though they are endowed with the capacity to modulate a wide variety of processes ranging from development to cognition. The five genes encoding for KARs subunits –namely Grik1-Grik5- are differentially expressed across developmental states, brain regions and cell types, whereas their ability to activate both ionotropic and metabotropic signaling pathways favors their participation in different aspects of physiology and, eventually, disease.
Down syndrome constitutes the most common genetic cause of cognitive impairment, and untangling the physiological mechanisms behind specific aspects of this impairment has supposed an important challenge over the last decades. The use of murine models of Down syndrome, together with the availability of pharmacological and genetic approaches, has allowed to start deciphering the multiple facets of this complex syndrome. Thus, it has been thoroughly demonstrated that mouse models of Down syndrome present alterations in synaptic transmission, such an excessive inhibitory tone in the dentate gyrus and hippocampal CA1 regions. Accordingly, one of the most accepted theories in the field links such over-inhibition state with alterations in synaptic plasticity and memory processes. However, the genetic origin of the reported alterations in GABAergic signaling is still a matter of debate.
The KAR subunit-encoding gene GRIK1 is present in the human 21st chromosome and is overexpressed in mouse models of Down syndrome. Previous studies in our laboratory have reported that GluK1 –the KAR subunit encoded by the murine Grik1 gene- regulates GABA release in the hippocampal CA1 region in a bidirectional manner, through the ionotropic and metabotropic pathways of KAR signaling. Therefore, Grik1 stands as an ideal candidate for underlying the excessive inhibitory phenotypes previously reported in mouse models of Down syndrome. In this work, we have evaluated the involvement of the triplication of the Grik1 gene in cellular, physiological and behavioral alterations present in the Ts2Cje model of Down syndrome. By means of a genetic strategy, we were able to specifically normalize the dosage of Grik1 in Ts2Cje mice within an otherwise trisomic background. This approach allowed us to precisely delineate the roles of GluK1 overexpression in the appearance of the aforementioned alterations.
In accordance to previous reports using different mouse models of Down syndrome, we found that Ts2Cje mice showed spatial memory deficits in comparison to their control (hereafter named euploid) littermates. Remarkably, such deficits were caused by Grik1 triplication, as they were restored when the dosage of this gene was normalized.
We tried to evaluate possible mechanistic explanations for the observed Grik1- dependent impairment in spatial memory in Ts2Cje mice. By means of our genetic normalization approach, we found that Grik1 triplication was the cause for the previously reported inhibitory synaptic transmission alterations in the hippocampal CA1 region of Ts2Cje mice. Moreover, we described a previously unnoticed unbalance in synaptic inhibition over different compartments of the somatodendritic axis of CA1 pyramidal cells. We propose that this unbalance alters the gating of excitatory information arriving to the hippocampal CA1 region of Ts2Cje mice, and accounts for the spatial memory deficits observed in these animals. Furthermore, we found that, in contrast to the accepted view in the field –which suggest that synaptic over-inhibition causes deficits in spatial memory by impairing LTP-, alterations in synaptic inhibitory tone and synaptic plasticity were not correlated, as only the former was restored upon Grik1 normalization.
Finally, we addressed the possible role of Grik1 triplication and any putatively associated synaptic alteration in the establishment of behavioral phenotypes observed in other mouse models of Down syndrome. We observed reduced anxiety and fear-related responses in Ts2Cje mice, finding that these phenotypes were not caused by an overexpression of GluK1, as they were not recovered to euploid levels upon normalization of Grik1 dosage. Concomitantly, we recorded synaptic activity in the basolateral nucleus of the amygdala –the brain hub controlling anxiety and fear responses- although we were unable to find similar synaptic alterations to those described in CA1.
Altogether, these results highlight a previously unexpected participation of GluK1- containing KARs in the establishment of physiological and cognitive phenotypes present in the Ts2Cje mouse model of Down syndrome. Furthermore, we describe a novel bidirectional alteration in GABA release caused by the triplication of Grik1. This work may be relevant for our understanding on the relationship between impaired inhibitory activity and memory deficits in mouse models of Down syndrome, especially in a context in which different clinical trials are being conducted in order to evaluate the use of GABAergic blockers as a therapeutic strategy for this syndrome.
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