Stargazin mutations and psychiatric disorders: the case of intellectual disability

Abstract

As doenças psiquiátricas são uma das principais causas de doença a nível mundial, representando uma sobrecarga não só para os doentes e cuidadores, mas também em termos sociais e económicos. Apesar de serem frequentemente diagnosticadas como idiopáticas, as doenças mentais têm vindo a ser cada vez mais associadas a mutações em genes codificantes de proteínas com funções nas sinapses glutamatérgicas. Deste modo, estas doenças possuem uma etiologia parcialmente partilhada e que resulta na disfunção de sinapses excitatórias.No sistema nervoso central (CNS), a neurotransmissão excitatória ocorre principalmente ao nível de compartimentos dendríticos especializados denominados espículas, que encapsulam um grande complexo proteico electronegativo, a densidade pós-sináptica (PSD). Esta estrutura é composta maioritariamente por proteínas de scaffolding – nomeadamente a PSD-95, uma proteína pertencente à família de proteínas MAGUK – e por receptores de glutamato. Entre estes últimos, os receptores de ácido α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolepropiónico (AMPAR) são responsáveis por mediar a transmissão excitatória rápida no CNS.Os AMPAR foram já largamente estudados no âmbito dos mecanismos de plasticidade sináptica, sendo capazes de modular a força das conectividades neuronais. De facto, a mobilidade destes receptores dependente de actividade está na base dos mecanismos de potenciação (LTP) e depressão (LTD) de longa duração na plasticidade Hebbiana. Tendo em conta que a plasticidade sináptica constitui o alicerce para a memória e aprendizagem, a regulação das propriedades dos AMPAR é crucial para estes processos. As proteínas transmembranares reguladoras dos AMPAR (TARPs) encontram-se entre os moduladores destes receptores de glutamato.A TARP γ-2, também conhecida como Stargazina (STG), é um conhecido interactor dos AMPAR, modulando a sua cinética, bem como o seu tráfego, endereçamento e ancoragem à PSD-95 através de um processo dependente de fosforilação. Assim, a STG está também implicada na plasticidade sináptica e, como consequência, na memória e aprendizagem. Recentemente, uma mutação de novo no gene CACNG2, que codifica a STG, foi descrita num indivíduo portador de Perturbação do Desenvolvimento Intelectual moderada não-sindrómica (ID). Sabe-se que esta mutação, que consiste na substituição da valina 143 por um resíduo de leucina (StgV143L), afecta a ligação da STG às subunidades GluA1 e GluA2 dos AMPAR, quando co-expressos num sistema heterólogo. Adicionalmente, em neurónios de hipocampo transfectados, a expressão de StgV143L conduz a uma diminuição da transmissão glutamatérgica.De forma a determinar os mecanismos pelos quais a expressão de StgV143L conduz ao fenótipo de ID, uma estirpe de murganho que expressa StgV143L, em hétero- ou homozigotia, foi desenvolvida no nosso laboratório. O presente estudo tem como objectivos determinar o impacto da expressão de StgV143L no córtex e cerebelo de murganhos portadores desta mutação e contribuir para a caracterização comportamental destes animais. Adicionalmente, pretende-se ainda aclarar potenciais estratégias terapêuticas para a ID.Assim, neste estudo concluiu-se que a expressão de StgV143L diminui os níveis sinápticos de STG e GluA2 no córtex e cerebelo de animais portadores desta mutação e que há um decréscimo nos níveis de fosforilação da STG no córtex. Recorrendo à análise proteómica das PSD corticais destes animais pudemos identificar vias de sinalização sinápticas que estão alteradas. Em paralelo, verificámos que o número de células de Purkinje na região CrusI do hemisfério direito do cerebelo está diminuído. A caracterização comportamental destes animais revelou que possuem défices na interacção social, na memória espacial e na aprendizagem associativa, sendo estes consistentes com as alterações observadas no córtex e no cerebelo. O efeito da Tianeptina, um composto com actividade anti-depressiva, foi também testado na recuperação dos níveis de fosforilação da STG e da normal aprendizagem associativa. No entanto, estes resultados mostraram-se inconclusivos devido à sua natureza preliminar.No seu conjunto, estes resultados mostram que a StgV143L é capaz de modular aspectos funcionais em diversas regiões do encéfalo, estabelecendo um papel do córtex e do cerebelo na patologia da ID. Além disso, estes resultados suportam o envolvimento do circuito córtico-cerebeloso na cognição, embora seja necessário aprofundar o estudo deste circuito em modelos animais como este para corroborar esta hipótese. Finalmente, consideramos que a procura por uma estratégia terapêutica adequada para a ID é de extrema importância, podendo dar espaço à descoberta de terapias para outras doenças psiquiátricas, especialmente aquelas em que é observada disfunção sináptica.

Psychiatric disorders are one of the leading causes of disease worldwide, representing a heavy burden not only for patients and caregivers, but also for socioeconomic systems. Despite their often unidentified cause, mental disorders have been consistently associated with mutations in genes encoding proteins with functions in glutamatergic synapses. Thus, these ailments have a partially shared aetiology resulting in excitatory synaptic dysfunction.In the central nervous system (CNS), excitatory neurotransmission occurs mainly in specialized dendritic compartments termed dendritic spines, which harbour a large electron-dense protein cluster known as postsynaptic density (PSD). This structure is mainly composed of scaffolding proteins, namely the MAGUK protein family member PSD-95, and glutamate receptors. Of the latter, the ionotropic α-amino-3-hidroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPAR) are responsible for mediating fast excitatory transmission in the CNS.AMPAR have been widely implicated in synaptic plasticity mechanisms, modulating the strength of neuronal connections. In fact, the activity-dependent mobility of these receptors constitutes the basis for long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD) mechanisms of Hebbian plasticity. Since synaptic plasticity is thought to be the basis for memory and learning, the regulation of AMPAR properties is crucial for these processes. The transmembrane AMPAR regulatory proteins (TARPs) are among the modulators of AMPAR properties.TARP γ-2, also known as Stargazin (STG), is a well characterized interactor of AMPAR, modulating their gating kinetics and their trafficking and synaptic targeting and anchoring at PSD-95 in a phosphorylation-dependent manner. Thus, STG is also implicated in synaptic plasticity mechanisms and, consequently, in memory and learning.Recently, a de novo mutation in the CACNG2 gene, which encodes for STG, has been described in an individual suffering from moderate non-syndromic Intellectual Disability (ID). This mutation, which is translated into the substitution of valine 143 by a leucine residue in STG (StgV143L), is known to affect the binding of STG to AMPAR subunits GluA1 and GluA2 in a heterologous system. Furthermore, in transfected hippocampal neurons, the expression of StgV143L leads to a decrease in glutamatergic transmission.In order to determine the mechanisms by which this mutation leads to an ID phenotype, a mouse strain expressing StgV143L, either in hetero- or homozygosity, was developed in our laboratory. The present study aimed at determining the impact of StgV143L expression on the molecular composition of synapses in the cortex and the cerebellum of mice carrying this mutation, and to further characterize this animal model in terms of behaviour. Additionally, we also sought to shed light on putative therapeutic strategies for ID.As so, in this work we have revealed that StgV143L mutant mice have decreased synaptic levels of STG and GluA2 in the cerebral cortex and cerebellum. In the cortex, the phosphorylation levels of STG are decreased. Moreover, by employing a proteomics strategy, we have identified synaptic pathways that are altered in mice expressing the mutant variant of STG. Additionally, Cerebellar Purkinje cell (PC) count is reduced in these animals. The behavioural characterization of STG mutant animals revealed impairments in social interaction, spatial memory and associative learning, consistent with the changes observed in the cortex and in the cerebellum. An anti-depressant drug known to increase AMPAR synaptic levels, Tianeptine, was tested in the rescue of STG phosphorylation and associative learning. However, these results remain inconclusive due to their preliminary nature.Taken together, results this study unveil that StgV143L is able to modulate several functional aspects of diverse brain regions, establishing a role for the cerebral cortex and the cerebellum in the pathophysiology of ID. Furthermore, the study supports the role of the cerebrocerebellar circuit in cognition, although further investigation of this circuit in this animal model is still warrented. Finally, we consider that the search for a suitable therapeutic strategy for ID is imperative, since it can open the door for the discovery of treatments for other psychiatric disorders, especially those in which synaptic function is implicated.