The impact of early life stress on anxiety and depression later in life: the contribution of MeCP2

Abstract

A proteína methyl-CpG binding protein 2 (MeCP2) é uma proteína multifuncional conhecida maioritariamente pelo seu papel como leitor epigenético. Liga-se ao DNA metilado para ler marcas epigenéticas e modular a expressão de genes. Descrita inicialmente como sendo um repressor da transcrição, recentemente foi descrito também um papel ativador, e também está envolvida em remodelação da cromatina e na modulação dos mecanismos de splicing alternativo e processamento de microRNA. Mutações no gene MECP2 são responsáveis pela Síndrome de Rett (RTT), um transtorno do neuro-desenvolvimento ligado ao cromossoma X, que afeta maioritariamente meninas, e letal em meninos hemizigóticos. Uma das principais características de RTT é a manifestação de comportamentos exacerbados de ansiedade; no entanto, embora prevalentes, estas manifestações ainda não foram bem estudadas.As perturbações de ansiedade têm uma elevada prevalência mundialmente. No entanto, não existe cura e os tratamentos são ineficazes. Caracterizam-se por uma sensação excessiva e incontrolável de apreensão e preocupação e estado de alerta aumentado. Os sintomas clínicos incluem cansaço, fadiga, insónias, persistência de pensamentos negativos e incapacidade em focar-se e irritabilidade.As primeiras fases do desenvolvimento caracterizam-se por períodos de elevada plasticidade que, em condições normais, permitem a aquisição de competências básicas. Eventos inesperados que ocorrem durante esta altura têm mais probabilidade de ter consequências duradouras. O stress precoce engloba todos esses eventos aversivos que possam ocorrer durante as primeiras fases de desenvolvimento pós-natal, e que irão afetar a resposta ao stress e aumentar o risco para o desenvolvimento de perturbações de ansiedade mais tarde na vida. O stress precoce ativa a resposta ao stress, regulada pelo eixo hipotálamo-hipófise-adrenal (HPA), que culmina na libertação de corticosteroides. De facto, já foi demonstrado que a proteína MeCP2, um leitor epigenético, tem um papel fundamental na reprogramação epigenética, através da leitura de marcas epigenéticas induzidas pelo stress precoce.O principal objetivo deste projeto é investigar o papel da interação entre MeCP2 e stress precoce no desenvolvimento de comportamentos de ansiedade em resposta a stress mais tarde na vida. A nossa hipótese é de que a ausência ou insuficiência de MeCP2 durante as fases iniciais do desenvolvimento irá influenciar a reprogramação epigenética do eixo HPA, sensível ao stress precoce, e que terá consequências na resposta a estímulos aversivos mais tarde na vida.A separação maternal (MS) é um modelo animal bem descrito que simula o stress precoce. No nosso protocolo, os murganhos são separados, em ninhada, da progenitora, desde o dia pós-natal (PND) 3 até ao PND21, durante 3h por dia. Os nossos resultados demonstram que exposição a stress precoce sob a forma de MS leva a diferenças associadas ao sexo no peso e no comportamento de ansiedade em resposta ao labirinto em cruz elevado (EPM), um paradigma de stress. Fêmeas sujeitas a MS demonstram uma diminuição nos níveis de ansiedade, como demonstrado pelo aumento no número de entradas nos braços abertos. Para além disso, exposição ao EPM levou a um aumento nos níveis de corticosterona em ambas as condições.Também observámos que, em fêmeas, a MS induz a fosforilação da MeCP2 no hipocampo após exposição ao EPM. Estes resultados estão em concordância com uma teoria previamente descrita que indica que a MeCP2, após ser fosforilada, é libertada do promotor de genes como o BDNF e o CRH. Isto leva à de-repressão e aumento dos níveis de expressão destes genes, que por sua vez irão regular a plasticidade sináptica e modular o eixo de ansiedade, resultando em alterações de comportamento, tais como diminuição da ansiedade que observámos.Os nossos resultados confirmam que a MeCP2 participa no padrão alterado de comportamento de ansiedade devido a ELS, em resposta ao stress mais tarde na vida.

Methyl-CpG binding protein 2 (MeCP2) is a multifunctional protein known mainly for its role as an epigenetic reader. It binds to methylated DNA to read epigenetic marks and modulate gene expression. First described as a repressor of transcription, an activator role has recently been attributed, but it can also be involved in chromatin remodeling, modulation of alternative splicing and microRNA processing.Mutations in the MECP2 gene are the lead cause of Rett Syndrome (RTT), an X-linked neurodevelopmental disorder that affects mostly girls, lethal in hemizygous males. One of the prominent features of RTT are alterations in anxiety, which, although prevalent, are still under investigated. Anxiety disorders have a high prevalence worldwide, but no cure or effective treatment is currently available. They are characterized by an excessive and uncontrollable apprehension and worry, and a heightened state of alertness, and the clinical manifestations include restlessness, fatigue, sleep pattern disturbances, tension, persistence of negative thoughts, inability to focus and irritability.During early development, there are periods of high plasticity which, in normal conditions, enable the acquisition of necessary skills. Unexpected events occurring during this time are more likely to have lasting consequences. Early-life stress (ELS) comprises these stressful events that may occur in early postnatal stages of development, and which will affect the stress response and increase the risk for the development of anxiety disorders later in life. ELS triggers the stress response elicited by the hypothalamic-pituitary-adrenal (HPA) axis, which culminates in the release of corticosteroids. Indeed, it has been shown that MeCP2, as an epigenetic reader, plays a key-role in epigenetic reprogramming, by reading the epigenetic changes induced by ELS.With this project, we aim to investigate the role of the interaction between MeCP2 and ELS in the development of anxiety-like behaviors in response to stressors later in life. We hypothesize that absence or deficiency of MeCP2 during early stages of postnatal development will influence the epigenetic reprogramming of the HPA axis, sensitive to early life stress, which will have consequences in the response to stressful stimuli later in life.Maternal separation (MS) is a well-known mouse model that mimics ELS. In our protocol, mice are separated as a litter from the dam from postnatal-day (PND) 3 to PND21, for 3h per day. Our results show that exposure to ELS in the form of MS leads to sex-dependent changes in body weight and anxiety-behavior in response to the elevated-plus maze (EPM) later in life, a stressful paradigm. Female animals subjected to MS display decreased anxiety behavior as displayed by increased number of entries in the open arms. Furthermore, exposure to the EPM led to increased corticosterone levels in both conditions. We also show that, in the female mice, MS induces phosphorylation of MeCP2 in the hippocampus after exposure to the EPM. This is in line with the previously described theory that states that MeCP2, upon being phosphorylated, is released from the promoter of genes such as BDNF and CRH. This leads to the de-repression and the increase in expression of such genes, which in turn will regulate synaptic plasticity and modulate the anxiety axis, resulting in behavioral changes, such as the decrease in anxiety-like behavior that we observed.Our results confirm that MeCP2 participates in the altered pattern of anxiety-like behavior due to ELS, in response to stress later in life.