Hippocampal dysfunction in animal models of neurodevelopmental disorders

Abstract

Mental disorders represent one of the greatest current medical and societal challenges, being the leading cause of chronic disability worldwide. Despite the copious amount of studies trying to understand the mechanisms underlying these disorders, there is still a lot to unmask. Neuropsychiatric disorders have long been suggested to elicit a myriad of severe morphologic and compositional changes in the hippocampus, leading to cognitive, memory and social deficits. Growing evidence points to synapse dysfunction as a common feature encompassing these disorders. In fact, genetic variants of several genes coding for synaptic proteins have been found to confer high susceptibility for developing psychiatric disorders. Among those is the CACNG2 gene, a risk gene for both schizophrenia (SCZ) and intellectual disability (ID). This gene encodes for the transmembrane AMPA receptor regulatory protein gamma-2 (TARP γ-2), commonly referred to as stargazin (STG), a protein known to play a major role in AMPA receptor (AMPAR) trafficking and synaptic stabilization, a crucial mechanism for synaptic plasticity. STG is highly expressed in the hippocampus, particularly in the CA2 region, an overlooked area that has been recently shown to play a critical role in social memory. Interestingly, postmortem studies, carried in neuropsychiatric associated diseased brains, point to area CA2 as being especially affected, showing not only changes in size and composition but also altered gene expression. Given the growing evidence pointing towards a crucial role of the area CA2 in social memory, spatial coding and contextual learning, features frequently disrupted in neuropsychiatric patients, CA2 dysfunction may be, in part, responsible for the social memory impairment phenotype. However, the role of the area CA2 in neuropsychiatric disorders is far from being clear. One promising strategy to unveil the role of CA2 region in social cognitive dysfunction is the study of rare, highly penetrant risk mutations in appropriate animal models. Therefore, this study aimed to use two mouse models carrying the diseased associated variants of STG, one found in a patient with ID (STGID) and the other found in a schizophrenic patient (STGSCZ), to better understand the impact of their expression in the hippocampal circuitry and animal behaviour. With this work we showed that the expression of STG within the hippocampus is fairly heterogeneous, being more expressed in the subiculum, the strata oriens and lacunosum moleculare of the CA2 and the distal portion of the CA1 regions and the stratum oriens of the CA3 region. STGSCZ animals displayed depressive-like behaviours as well as impairments in sociability and motor learning. Moreover, these animals also showed increased levels of hippocampal gephyrin and PSD-95 that could be contributing to an excitatory/inhibitory imbalance in the hippocampal circuitry, which may explain the behavioural phenotype here presented. As for the STGID animals, these animals presented an aversive response to social novelty in a modified three-chambered test confirmed to be CA2 dependent. Also, they showed a significant decrease in hippocampal PSD-95 expression that, again, can contribute to a E/I imbalance in the hippocampal circuitry. Moreover, STGID mice also showed a decreased density of PV+ interneurons in the hippocampus, namely in the CA2 region, further supporting a disruption in hippocampal energetics. Altogether, this work unveiled specific behavioural features altered in the STGSCZ mouse model, and further explored the ones previously reported in the STGID mice, contributing for a better understanding of the pathophysiology of both disorders. Furthermore, it characterized alterations in the hippocampal molecular composition and in the population of PV+ interneurons in the hippocampus of STGID mice, which suggests that altered excitatory/inhibitory balance may be a relevant in disease.

Os distúrbios mentais representam um dos maiores desafios médicos e sociais da atualidade, sendo das principais causas mundiais de deficiências crónicas. Apesar do número elevado de estudos com o intuito de compreender os mecanismos inerentes a estes distúrbios, ainda existe muito por descobrir. Há muito que se sugere que os transtornos neuropsiquiátricos provocam uma coletânea de mudanças morfológicas e composicionais graves no hipocampo, levando a défices de memoria bem como défices cognitivos e sociais. Um crescente conjunto de evidências aponta para a disfunção sináptica como uma característica comum a todos estes transtornos. Na verdade, verificou-se que variantes genéticas de vários genes que codificam para proteínas sinápticas conferem alta suscetibilidade para o desenvolvimento de transtornos psiquiátricos. Um desses genes é o gene CACNG2, um gene de risco tanto no caso da esquizofrenia (SCZ) como no caso da deficiência intelectual (ID). Este gene codifica para a proteína transmembranar reguladora dos recetores AMPA gama-2 (TARP γ-2), normalmente denominada de stargazina (STG). Esta proteína tem um papel fundamental no tráfego e estabilização sináptica dos recetores AMPA (AMPAR), um mecanismo crucial para a plasticidade sináptica. A STG é altamente expressa no hipocampo, particularmente na região do CA2, uma área que tem ignorada, mas que recentemente tem mostrado ter bastante impacto nos processos de memoria social. Curiosamente, estudos desenvolvidos em tecidos postmortem de doentes neuropsiquiátricos apontam para a área do CA2 como sendo das mais afetadas de entre todas, mostrando não só que esta sofre mudanças a nível do tamanho e composição mas também que a expressão génica nesta área se encontra alterada. Tendo em conta que um conjunto crescente de evidencias apontam que a área do CA2 tem um papel preponderante em vários aspetos acometidos em paciente neuropsiquiátricos, como a memória social, espacial e a aprendizagem contextual, a disfunção desta área pode estar, em parte, responsável pelo fenótipo demostrado por esses mesmos pacientes. No entanto, o papel da área CA2 nas doenças neuropsiquiátricas está longe de estar completamente percebido. Uma estratégia promissora para desvendar o papel da região CA2 na disfunção cognitiva social é o estudo de mutações de risco raras e altamente penetrantes em modelos animais. Assim, este estudo teve como objetivo usar dois modelos animais portadores de variantes da STG associadas a doenças neuropsiquiátricas, uma descoberta num paciente com ID (STGID) e a outra descoberta num paciente esquizofrénico (STGSCZ), para compreender o impacto da expressão destas, nos circuitos do hipocampo e no comportamento animal. Com este trabalho mostrámos que a expressão da STG dentro do hipocampo é bastante heterogénea, sendo mais expressa no subículo, nos stratum oriens e lacunosum moleculare de CA2 e na porção distal das regiões CA1 e no stratum oriens da região CA3. Os animais STGSCZ exibiram comportamentos depressivos, bem como deficiências na sociabilidade e dificuldade na aprendizagem motora. Para além disso, estes animais também apresentaram níveis aumentados de gefirina e PSD-95 no hipocampo, que podem estar a desencadear um desequilíbrio E/I no hipocampo, o que pode estar na base do fenótipo comportamental apresentado pelos animais. Quanto aos animais STGID, estes apresentaram uma resposta aversiva à novidade social num teste que foi recentemente comprovado como dependente da área do CA2. Além disso, mostraram também uma diminuição significativa na expressão do PSD-95 no hipocampo que, novamente, pode contribuir para um desequilíbrio E/I no hipocampo. Mais ainda, estes animais também mostraram uma densidade diminuída de interneurónios PV+ no hipocampo, particularmente na região do CA2, apoiando a teoria de que o circuito no hipocampo poderá apresentar um desequilíbrio energético.Em suma, este trabalho desvendou alterações comportamentais específicas do modelo de animal de SCZ, e explorou com maior detalhe aquelas observadas anteriormente no modelo animal de ID, contribuindo para um melhor entendimento da fisiopatologia de ambas as doenças. Além disso, desvendou também alterações na composição molecular do hipocampo e na população de interneurónios PV+ no hipocampo do moledo animal de ID, o que sugere que a alteração do equilíbrio excitatório/inibitório pode ser relevante nestas doenças.