Regulatory Mechanisms of Presenilin on Kainate Receptor Currents at CA3 Pyramidal Cells in Alzheimer's Disease

Abstract

A doença do Alzheimer (AD) é uma doença neurodegenerativa que afeta os circuito sinápticos do hipocampus. Esta neurodegeneração está associada com a deposição das placas amiloide-β (Aβ) que são formadas com a clivagem amiloidogénica da proteína percursor amiloide (APP) pela presinilina 1 (PS1), que é a componente catalítica da γ-secretase. Para além da APP, outras proteínas membranares, como a N-caderina (N-cad), podem ser clivadas pela PS1 na forma não-amiloidogénica. Na forma familiar da AD (FAD), PS1 pode estar mutada, comprometendo a clivagem da γ-secretase na N-cad nos locais γ, causando uma acumulação do fragmento C-terminal 1 (CTF1) na membrana. Esta acumulação da CTF1 pode interferir com o transporte de recetores e causar toxicidade celular.A N-cad é uma molécula adesiva presente quer na membrana pré e pós-sináptica, estabelecendo interações cis e trans através dos seus ectodomínios. Estas interações são importantes para formação de sinapses, modulando a transmissão e plasticidade sináptica. A N-cad está descrita em recrutar os recetores kainato (KARs) através do seu domínio C-terminal, sendo responsável pela expressão compartimentalizada dos KARs nas sinapses Mossy Fiber (Mf)/CA3.KARs são recetores ionotrópicos glutamatérgicos (iGluRs), demonstrando diferentes funções nas membranas pré e pós-sinápticas, regulando a excitabilidade e plasticidade sinápticas das células piramidais (PCs) CA3, modulando assim a formação de memórias, que por sua vez está relacionado com o comportamento.A patologia da AD é caracterizada por défices cognitivos, que podem estar relacionados com disfunção na transmissão sináptica no circuito neuronal do hipocampo. De acordo com esta hipótese, a nossa equipa de investigação demonstrou que o animal modelo para a AD (morganhos APP/PS1) não tem potenciação sináptica a longo-termo (LTP) nas sinapses associativas/comissurais (A/C) CA3 nas fases iniciais da doença. Além disso, quando PS1 é mutada e geneticamente apagado respectivamente em animais animal modelo para AD e PS-knock-out (KO), há uma redução seletiva nas correntes excitatórias pós-sinápticas mediadas pelos KARs (KAR-ESPCs) nas sinapses Mf/CA3. Curiosamente, respostas semelhantes nas correntes dos KARs foram obtidas em fatias organotípicas expressando N-cad truncada. De forma estudar a expressão e a função dos KARs nas Mf/CA3 em contexto patológico da AD, nós marcamos KARs em animais APP/PS1 e no modelo PS KO restrito a CA3; registamos as correntes dos KARs sinápticos e não sinápticos em animais APP/PS1 com 6 meses; medimos as KAR-ESPCs sob inibição da atividade catalítica da PS; e por último, as KAR-ESPCs foram registada antes do inicio da patologia da AD em animais P30 APP/PS1. Estas experiencias realizaram-se através de diferentes métodos: imunohistoquímica, microscopia confocal, electrofisiologia em fatias agudas e organotípicas e transferência de genes estereotaxica in vivo.No contexto da AD, a expressão da subunidade GluK2 é reduzida, corroborando com o declínio com a corrente sináptico dos KARs. Além disso, as correntes whole-cell dos KARs não diferiram em animais APP/PS1 com 6 meses, sugerindo que as diferenças na expressão e na função dos KARs é restrita aos KARs sinápticos das sinapses Mf/CA3. Isto indica uma disfuncionalidade no targeting e/ou na estabilização do KAR nas sinapses Mf/CA3 no contexto da AD. A inibição da atividade catalítica da PS reduz o rácio KAR/AMPAR, corroborando a hipótese de ocorrer uma acumulação dos substratos da γ-secretase (possivelmente CTF1 da N-cad) ser a causa da alteração na transmissão sináptica dos KARs no contexto da AD. KAR-ESPCs não são alteradas nos animais P30 APP/PS1, sugerindo que a transmissão sináptica dos KARs não é afetada antes do começo patológico da AD.Várias experiências de controlo são necessárias para complementar as experiências seguidamente descritas e para consolidar as conclusões mencionadas. No entanto, ainda podíamos afirmar que a perda da atividade catalítica da γ-secretase interfere a transmissão sináptica dos KARs nas sinapses Mf/CA3. Esta alteração pode estar relacionada com o défice na memória e nas funções cognitivas dependentes do circuito neuronal do hipocampo na AD.

Alzheimer’s Disease (AD) is a neurodegenerative disease which affects hippocampus synaptic networks. This neurodegeneration is associated with amyloid-β (Aβ) plaque deposition which are formed by the amyloidogenic cleavage of amyloid precursor protein (APP) molecules by presenilin-1 (PS1), which is the catalytic component of γ-secretase. Beyond APP, other transmembrane proteins, such as N-cadherin (N-cad), can be cleaved by PS1 in a non-amyloidogenic manner. In familiar AD (FAD), PS1 can be mutated, impairing γ-secretase cleavage on N-cad at γ-sites, causing an accumulation of C-terminal fragment 1 (CTF1) on the membrane. This CTF1 accumulation might interfere with receptor trafficking and cause cellular toxicity.N-cad is an adhesive molecule present at both pre- and postsynaptic membranes, stablishing cis- and trans-interactions through their ectodomains. These interactions are important for synapse formation, modulating synaptic transmission and plasticity. N-cad is described to recruit kainate receptors (KARs) through its C-terminal domain, being responsible of compartmentalized expression of KARs at Mossy Fiber (Mf)/CA3 synapses. KARs are ionotropic glutamate receptors (iGluRs), displaying different roles on pre- and postsynaptic membranes, regulating excitability and synaptic plasticity on CA3 pyramidal cells (PCs) and modulating memory encoding which in turn is related to behavioral tasks. AD pathology is characterized by cognitive deficits, which might be related with an impairment of synaptic transmission within the hippocampal network. In accordance with this hypothesis, our research team has demonstrated that animal model for AD (APP/PS1 mice) has absent long-term potentiation (LTP) in associative/commissural (A/C) CA3 synapses on early stage of disease. Additionally, when PS1 is mutated and genetically deleted on AD animal model and PS-knock-out (KO) mice respectively, there is a selective reduction on KAR-mediated excitatory postsynaptic currents (KAR-ESPCs) at Mf/CA3 synapses. Curiously, similar responses on KARs currents were obtained on organotypic slices expressing a truncated form of N-cad.In order to study KARs expression and function at Mf/CA3 in AD pathologic context, we labelled KARs in APP/PS1 mice and in a PS KO model restricted to CA3; we have investigated synaptic and non-synaptic KARs currents in 6 months old APP/PS1 mice; we measured KAR-EPSCs under condition of inhibition of catalytic activity of PS; and lastly, KAR-ESPCs were recorded before AD pathology onset in P30 APP/PS1. These experiments were performed through different methods: immunohistochemistry, confocal imaging, electrophysiology on acute and organotypic slices and in vivo stereotaxic gene transfer.In AD pathologic context, the synaptic expression of GluK2 subunit at Mf/CA3 synapse is reduced corroborating the decline in synaptic KAR current. Moreover, the whole-cell KAR currents do not differ in 6 months old APP/PS1 animals indicating that the differences in KAR expression and function is restricted to Mf/CA3 synaptic KARs. This suggests an impairment of the targeting and or synaptic stabilization of KAR at Mf/CA3 synapse in a context of AD. The inhibition of PS catalytic activity reduces KAR/AMPAR ratio, corroborating the hypothesis that accumulated γ-secretase substrates (possibly N-cad CTF1) are the cause of alterations on KAR synaptic transmission in AD context. KAR-ESPCs are not altered in P30 APP/PS1 animals, suggesting that KAR synaptic transmission is not affected before AD pathologic onset.Several control experiments are necessary to complement the experiments henceforward described and also to consolidate the mentioned conclusions. However, we might affirm that impaired catalytic activity of γ-secretase disrupts KAR synaptic transmission at Mf/CA3 synapses. This alteration might be related to the impairment of memory and cognitive tasks dependent from hippocampus neuron network in AD.