Synaptic Regulation By Chronic Stress-Induced microRNAs

Abstract

Coping with stress is an essential physiological response. However, exposure to chronic stress represents a major environmental risk factor for neuropsychiatric disorders such as major depression, anxiety disorders, and schizophrenia. In the brain, stress causes synaptic, neuroanatomical and behaviour alterations, and the hippocampus, amygdala and prefrontal cortex (PFC) are particularly susceptible to its effects. In the PFC, a brain region responsible for working memory and decision-making, chronic stress leads to neuronal atrophy and unbalanced excitatory and inhibitory transmission. In addition, chronic stress disrupts behavioural functions that are dependent on PFC functional integrity, such as working memory, anxiety, and fear. Yet, little is known about the molecular targets of chronic stress that impact synaptic transmission in the cortex which may lead to behavioural alterations. Implicated in brain (dys)function, including the stress response, microRNAs (miRs) are ideally suited to trigger the complex changes in gene expression underlying the synaptic and behavioural effects of chronic stress. The expression of one particular miRNA, miR-186-5p, is found to be increased in the brain of stressed animals, and controls the expression of a pool of synaptic targets, including the GluA2 subunit of glutamate receptors of the AMPA type (AMPAR). Thus, we hypothesized that increased levels of miR-186-5p induced by chronic stress are a key orchestrator of essential features of the neuronal response to chronic stress, through the silencing of critical transcripts for excitatory and inhibitory synapse function.Here, we implemented an in vitro chronic stress model through the prolonged activation of the glucocorticoid receptor (GR), a major target of the stress hormone corticosterone (cortisol in humans), and tested how it impacts excitatory and inhibitory synaptic transmission in cortical neurons in culture. We found that chronic GR activation in cortical neurons leads to an upregulation of miR-186-5p and a reduction in excitatory synaptic strength, paralleled by a decrease in GluA2-containing synaptic AMPARs. This effect is accompanied by an increase in inhibitory synaptic transmission, indicating an imbalance between excitation to inhibition. The inhibition of miR-186-5p during prolonged GR activation prevents the GR-triggered abnormal alterations to excitatory and inhibitory synaptic transmission. MiR-186-5p was also found to be upregulated in the PFC of juvenile mice submitted to early-life stress. Strikingly, upregulation of miR-186-5p in the mouse PFC leads to anxiety- and depressive-like behaviour reminiscent of the behavioural changes observed in chronic stress-related brain pathologies.Overall, this work provides new mechanistic insights into the synaptic changes induced by chronic GR activation in cortical neurons and proposes miR-186-5p as a key molecular player in the maladaptive synaptic and behavioural alterations associated with chronic stress.

A resposta ao stress é um mecanismo fisiológico essencial. No entanto, a exposição crónica a stress representa um fator de risco ambiental para doenças neuropsiquiátricas, tais como depressão, ansiedade e esquizofrenia. No cérebro, o stress causa alterações ao nível sináptico, neuroanatómico e comportamental, e o hipocampo, a amígdala e o córtex pré-frontal são particularmente suscetíveis a estes efeitos. No córtex pré-frontal, uma região do cérebro responsável pela memória de trabalho e envolvido na tomada de decisão, o stress crónico leva a atrofia neuronal e a um desequilíbrio da transmissão excitatória e inibitória. Mais ainda, o stress crónico perturba comportamentos dependentes da integridade do córtex pré-frontal, como a memória de trabalho, a ansiedade e o medo. Contudo, pouco se sabe sobre os alvos moleculares do stress crónico que têm impacto na transmissão sináptica no córtex, e que podem levar ao desenvolvimento de alterações comportamentais. Envolvidos na (dis)função cerebral, incluindo na resposta ao stress, os microRNAs (miRs) são candidatos ideais para desencadear as mudanças complexas na expressão génica subjacentes aos efeitos sinápticos e comportamentais inerentes aos efeitos da exposição crónica ao stress. Aumentado no cérebro de animais expostos a stress, o miR-186-5p controla um conjunto de transcritos sinápticos, incluindo a expressão da subunidade GluA2 dos recetores glutamatérgicos do tipo AMPA. Assim, propomos que o aumento dos níveis do miR-186-5p, induzido pela resposta ao stress crónico, controle as alterações neuronais características da resposta prolongada ao stress, através do silenciamento de transcritos críticos para a função sináptica excitatória e inibitória.Neste projeto implementámos um modelo in vitro de stress, através da ativação prolongada do recetor dos glucocorticoides (RG), o principal alvo da hormona de stress corticosterona (cortisol em humanos), e testámos os efeitos desta ativação na transmissão sináptica excitatória e inibitória em neurónios corticais em cultura. Observámos que a ativação crónica dos RGs em culturas primárias de neurónios leva a um aumento do miR-186-5p e a uma redução na força sináptica excitatória, paralelamente a uma diminuição dos recetores AMPA compostos pela subunidade GluA2. Estes efeitos são ainda acompanhados por um aumento da transmissão sináptica inibitória, indicativo de um desequilíbrio na razão entre excitação e inibição. A inibição do miR-186-5p aquando da ativação prolongada dos RGs previne as alterações nocivas na transmissão sináptica excitatória e inibitória, desencadeadas pela ativação dos RGs. Os níveis do miR-186-5p foram ainda encontrados aumentados no córtex pré-frontal de murganhos juvenis submetidos a stress cedo durante a vida. De notar que uma indução de um aumento da expressão do miR-186-5p no córtex pré-frontal de murganhos conduz a um comportamento do tipo ansioso e depressivo, semelhante ao observado em patologias cerebrais relacionadas com stress crónico. Em suma, este estudo elucida alterações sinápticas provocadas pela ativação prolongada dos RGs em neurónios corticais, e propõe o miR-186-5p como um mediador fundamental das alterações sinápticas e comportamentais adversas associadas ao stress crónico.