Déficits conductuales y neurodegeneración en ratones transgénicos para la proteína TDP-43 : implicancias para la Demencia Frontotemporal y la Esclerosis Lateral Amiotófrica

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Las enfermedades neurodegenerativas son la principal causa de discapacidad y muerte prematura en personas mayores a nivel mundial. Diversas patologías neurodegenerativas presentan inclusiones insolubles compuestas principalmente por la proteína TDP-43 (Transactive response DNA-binding Protein 43). E...

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Detalles Bibliográficos
Autor principal: Alfieri, Julio Armando
Formato: Tesis Doctoral
Lenguaje:Español
Publicado: 2017
Materias:
FENOTIPOS CONDUCTUALES
DEMENCIA FRONTOTEMPORAL
TDP-43
NEURODEGENERACION
PROTEINOPATIAS
ANIMALES TRANSGENICOS
BEHAVIORAL PHENOTYPES
FRONTOTEMPORAL DEMENTIA
NEURODEGENERATION
PROTEINOPATHIES
TRANSGENIC MICE
Acceso en línea:https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6319_Alfieri
Aporte de:
Biblioteca Digital - Facultad de Ciencias Exactas y Naturales (UBA) de Universidad de Buenos Aires
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description Las enfermedades neurodegenerativas son la principal causa de discapacidad y muerte prematura en personas mayores a nivel mundial. Diversas patologías neurodegenerativas presentan inclusiones insolubles compuestas principalmente por la proteína TDP-43 (Transactive response DNA-binding Protein 43). Esta proteína fue identificada como el componente predominante de los agregados citoplasmáticos observados en la mayoría de los casos de esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y en aproximadamente la mitad de los casos de demencia frontotemporal (DFT-TDP). Estos y otros desórdenes neurodegenerativos con presencia de agregados de TDP-43 se conocen actualmente como “proteinopatías de TDP-43”. Recientemente, se ha generado y caracterizado un novedoso modelo de ratones transgénicos para TDP-43 con expresión regulable dirigida a neuronas del cerebro anterior, utilizando el promotor CaMKIIα acoplado a un sistema tTA (controlado por tetraciclina), modelo empleado en el presente trabajo. Estos ratones expresan una variante de localización citoplasmática de la proteína (TDP-43-ΔNLS) y recapitulan una serie de características neuropatológicas de las proteinopatías de TDP-43, incluyendo neurodegeneración selectiva, gliosis, degeneración del tracto corticoespinal, inclusiones citoplasmáticas de TDP-43, disminución de la expresión nuclear normal de TDP-43 endógeno y cambios globales de la expresión génica. Sin embargo, la contribución específica de la expresión de TDP-43-ΔNLS a nivel conductual no ha sido evaluada en profundidad. En el presente trabajo de tesis doctoral, se buscó realizar una caracterización conductual detallada y una evaluación de la neurodegeneración en estos ratones. Para lograr este objetivo, se llevó a cabo una batería de tests conductuales para evaluar fenotipos motores, cognitivos y sociales, y se estudió la pérdida neuronal a diferentes tiempos luego de la inducción del transgén. Se observó que los ratones transgénicos TDP-43-ΔNLS con 1 mes de inducción presentan una performance motora alterada, incluyendo hiperlocomoción espontánea en el test de campo abierto, pérdida del balance y coordinación en el rotarod, y un alto grado de espasticidad medido por el fenotipo de clasping. El análisis cognitivo reveló alteraciones en las memorias de reconocimiento, espacial y aversiva, medidas por el test de reconocimiento de objeto novedoso, laberinto en forma de “Y” y evitación inhibitoria pasiva, respectivamente. Más aún, los ratones TDP-43-ΔNLS presentaron déficits en conductas sociales, un aspecto clave de la DFT. Con el fin de analizar si estos síntomas son reversibles, se suprimió la expresión del transgén por 14 días en ratones de 1,5 meses de edad (0,5 meses de inducción del transgén), los cuales ya presentan un fenotipo conductual anormal pero una neurodegeneración leve, y se observó una reversión de los déficits motores y cognitivos. Sin embargo, la performance social permaneció alterada. Cuando se suprimió la expresión del transgén en ratones adultos de 6,5 meses de edad (5,5 meses de inducción del transgén), los cuales muestran una neurodegeneración evidente, los déficits motores resultaron irreversibles. Finalmente, para comprender las bases moleculares y celulares del efecto de la sobre-expresión de TDP-43-ΔNLS en las alteraciones conductuales, incluyendo las funciones cognitivas, se analizó el patrón de expresión y activación de genes relacionados con fenómenos de actividad y plasticidad sináptica (Zif268, c-Fos, Arc). El análisis por inmunofluorescencia de diferentes regiones cerebrales (involucradas en el procesamiento de las conductas alteradas en estos ratones) reveló una profunda disminución de la expresión de estos genes en los animales transgénicos. Debido a que dichos genes son regulados positivamente luego de una tarea conductual y son necesarios para el procesamiento cognitivo, también se evaluó su respuesta luego de exponer a los ratones a una sesión en el test de campo abierto. Los animales transgénicos TDP-43-ΔNLS mostraron una reducida o ausente inducción de Zif268, c-Fos y Arc en la corteza e hipocampo. En conjunto, los resultados obtenidos en el presente trabajo indican que los ratones TDP-43-ΔNLS presentan diversos déficits conductuales característicos de DFT con enfermedad de motoneurona. Adicionalmente, estos resultados sugieren que la alteración conductual mediada por TDP-43 está sostenida por cambios funcionales en la población de neuronas afectadas, independientemente de una neurodegeneración extensa, y que distintos síntomas podrían tener diferentes grados de susceptibilidad a la mejora. Además, la reducción en la expresión e inducción de los genes tempranos inmediatos Zif268, c-Fos y Arc sugiere un novedoso mecanismo mediado por TDP-43 que sustentaría las conductas alteradas evidenciadas en los ratones TDP-43 y, potencialmente, en las proteinopatías de TDP-43.
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Esta proteína fue identificada como el componente predominante de los agregados citoplasmáticos observados en la mayoría de los casos de esclerosis lateral amiotrófica (ELA) y en aproximadamente la mitad de los casos de demencia frontotemporal (DFT-TDP). Estos y otros desórdenes neurodegenerativos con presencia de agregados de TDP-43 se conocen actualmente como “proteinopatías de TDP-43”. Recientemente, se ha generado y caracterizado un novedoso modelo de ratones transgénicos para TDP-43 con expresión regulable dirigida a neuronas del cerebro anterior, utilizando el promotor CaMKIIα acoplado a un sistema tTA (controlado por tetraciclina), modelo empleado en el presente trabajo. Estos ratones expresan una variante de localización citoplasmática de la proteína (TDP-43-ΔNLS) y recapitulan una serie de características neuropatológicas de las proteinopatías de TDP-43, incluyendo neurodegeneración selectiva, gliosis, degeneración del tracto corticoespinal, inclusiones citoplasmáticas de TDP-43, disminución de la expresión nuclear normal de TDP-43 endógeno y cambios globales de la expresión génica. Sin embargo, la contribución específica de la expresión de TDP-43-ΔNLS a nivel conductual no ha sido evaluada en profundidad. En el presente trabajo de tesis doctoral, se buscó realizar una caracterización conductual detallada y una evaluación de la neurodegeneración en estos ratones. Para lograr este objetivo, se llevó a cabo una batería de tests conductuales para evaluar fenotipos motores, cognitivos y sociales, y se estudió la pérdida neuronal a diferentes tiempos luego de la inducción del transgén. Se observó que los ratones transgénicos TDP-43-ΔNLS con 1 mes de inducción presentan una performance motora alterada, incluyendo hiperlocomoción espontánea en el test de campo abierto, pérdida del balance y coordinación en el rotarod, y un alto grado de espasticidad medido por el fenotipo de clasping. El análisis cognitivo reveló alteraciones en las memorias de reconocimiento, espacial y aversiva, medidas por el test de reconocimiento de objeto novedoso, laberinto en forma de “Y” y evitación inhibitoria pasiva, respectivamente. Más aún, los ratones TDP-43-ΔNLS presentaron déficits en conductas sociales, un aspecto clave de la DFT. Con el fin de analizar si estos síntomas son reversibles, se suprimió la expresión del transgén por 14 días en ratones de 1,5 meses de edad (0,5 meses de inducción del transgén), los cuales ya presentan un fenotipo conductual anormal pero una neurodegeneración leve, y se observó una reversión de los déficits motores y cognitivos. Sin embargo, la performance social permaneció alterada. Cuando se suprimió la expresión del transgén en ratones adultos de 6,5 meses de edad (5,5 meses de inducción del transgén), los cuales muestran una neurodegeneración evidente, los déficits motores resultaron irreversibles. Finalmente, para comprender las bases moleculares y celulares del efecto de la sobre-expresión de TDP-43-ΔNLS en las alteraciones conductuales, incluyendo las funciones cognitivas, se analizó el patrón de expresión y activación de genes relacionados con fenómenos de actividad y plasticidad sináptica (Zif268, c-Fos, Arc). El análisis por inmunofluorescencia de diferentes regiones cerebrales (involucradas en el procesamiento de las conductas alteradas en estos ratones) reveló una profunda disminución de la expresión de estos genes en los animales transgénicos. Debido a que dichos genes son regulados positivamente luego de una tarea conductual y son necesarios para el procesamiento cognitivo, también se evaluó su respuesta luego de exponer a los ratones a una sesión en el test de campo abierto. Los animales transgénicos TDP-43-ΔNLS mostraron una reducida o ausente inducción de Zif268, c-Fos y Arc en la corteza e hipocampo. En conjunto, los resultados obtenidos en el presente trabajo indican que los ratones TDP-43-ΔNLS presentan diversos déficits conductuales característicos de DFT con enfermedad de motoneurona. Adicionalmente, estos resultados sugieren que la alteración conductual mediada por TDP-43 está sostenida por cambios funcionales en la población de neuronas afectadas, independientemente de una neurodegeneración extensa, y que distintos síntomas podrían tener diferentes grados de susceptibilidad a la mejora. Además, la reducción en la expresión e inducción de los genes tempranos inmediatos Zif268, c-Fos y Arc sugiere un novedoso mecanismo mediado por TDP-43 que sustentaría las conductas alteradas evidenciadas en los ratones TDP-43 y, potencialmente, en las proteinopatías de TDP-43. Neurodegenerative diseases are a major cause of disability and premature death among older people worldwide. Several neurodegenerative diseases display inclusions mainly composed of insoluble TDP-43 (Transactive response DNA-binding Protein 43), and this protein was identified as the main component of the distinctive cytoplasmic aggregates seen in the vast majority of amyotrophic lateral sclerosis (ALS) cases and about half of the cases of frontotemporal dementia (FTLD-TDP). These and other neurodegenerative disorders with the presence of aggregated TDP-43 are now collectively referred to as “TDP-43 proteinopathies”. A transgenic TDP-43 mouse model with inducible, forebrain-enriched neuronal expression using a CaMKIIα promoter coupled to a tTA system has been recently developed and characterized, and this is the model used in the present work. These mice express a cytoplasmic form of the protein (TDP-43-ΔNLS), and they recapitulate several aspects of TDP-43 proteinopathies, including time-dependent neuronal loss, gliosis, corticospinal tract degeneration, TDP-43 cytoplasmic inclusions (rare), loss of normal nuclear TDP-43 (endogenous) expression and global changes in gene expression. However, the specific contribution of TDP-43-ΔNLS expression at the behavioral level was not previously investigated. In this work, we sought to perform both a detailed behavioral characterization and an assessment of neurodegeneration in these mice. In order to achieve this, we performed a battery of behavioral tests to evaluate motor, cognitive, and social phenotypes and studied neuronal loss at different times of transgene induction in this model. We found that post-weaning 1 month induction of the transgene led to motor abnormalities including hyperlocomotion in the open field test, impaired coordination and balance in the rotarod test, and increased spasticity as shown by a clasping phenotype. Cognitive assessment demonstrated impaired recognition, spatial and aversive memory, measured by novel object recognition, Y-maze and inhibitory avoidance tests, respectively. Remarkably, TDP-43-ΔNLS mice displayed deficits in social behavior, mimicking a key aspect of FTD. In order to analyze whether these symptoms were reversible, we suppressed transgene expression for 14 days in 1.5-month-old mice (0.5-month of transgene induction) showing an established behavioral phenotype but modestneurodegeneration and found that motor and cognitive deficits were ameliorated; however, social performance remained altered. When transgene expression was suppressed in 6.5-month-old mice (5.5-month of transgene induction) showing overt neurodegeneration, motor deficits were irreversible. Finally, to begin to understand the molecular and cellular basis of the effect of the overexpression of TDP-43-ΔNLS on behavioral abnormalities, including cognitive functions, we evaluated changes in plasticity-related pathways, specifically analyzing well-known gene products involved in neural plasticity (Zif268, c-Fos, Arc). Immunofluorescence staining of several brain areas (involved in processing the behavioral tasks impaired in these mice) revealed a profound decrease of all three proteins in transgenic versus control mice. Since these genes are upregulated upon behavioral challenges and are necessary for cognitive processing, we also evaluated their response after exposure to an open field test. TDP-43 transgenic mice display a reduced or absent induction of all three genes in cortical and hippocampal regions. Taken together, the results obtained in the present work indicate that TDP-43-ΔNLS mice display several core behavioral features of FTD with motor neuron disease. Additionally, these results suggest that TDP-43-mediated behavioral dysfunction is sustained by functional changes in populations of affected neurons independently of extensive neurodegeneration and that diverse symptoms might have different susceptibility to amelioration. Furthermore, the reduced expression and induction of the immediate early genes Zif268, c-Fos and Arc suggests a novel TDP-43 driven mechanism underlying the behavioral abnormalities displayed by TDP-43 mice and potentially in human TDP-43 proteinopathies. Fil: Alfieri, Julio Armando. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina. 2017 Tesis Doctoral PDF Español info:eu-repo/semantics/openAccess https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/ar https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6319_Alfieri

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