CREB-dependent transcription in astrocytes: signalling pathways, gene profiles and neuroprotective role in brain injury

Abstract

El estudio de los astrocitos se ha vuelto muy relevante en el ámbito de las neurociencias desde el descubrimiento, a principios de los años 90, de que aquellas “células de soporte” podían responder a la actividad sináptica. Actualmente, está aceptado que los astrocitos poseen la capacidad de modular la transmisión sináptica a través de la liberación de moléculas que actúan tanto en el terminal pre-sináptico como en el post-sináptico, los llamados gliotransmisores. Sin embargo, todavía quedan muchas cuestiones por resolver sobre el papel que juega esta población de células gliales en la fisiología cerebral. En el presente trabajo, hemos estudiado un campo ampliamente explorado en neuronas pero poco conocido en astrocitos: la transcripción dependiente de CREB. Este factor de transcripción expresado en todos los tipos celulares integra respuestas de todo tipo de estímulos y, por tanto, regula numerosos procesos tanto fisiológicos como patológicos. En neuronas, CREB es un factor clave en los mecanismos de plasticidad sináptica, que son la base para la adquisición de nuevas memorias, y también participa en los procesos neuroprotectores desencadenados por numerosas patologías cerebrales. Dado que los astrocitos participan tanto en procesos de regulación de la actividad sináptica como en neuroprotección, nuestro estudio pretende determinar en qué medida estas funciones están reguladas por CREB. Para ello hemos caracterizado, en cultivos primarios de astrocitos, los mecanismos moleculares de la activación de CREB tras la estimulación con los transmisores ATP y NE, y hemos estudiado los programas genéticos inducidos por la activación de CREB a través de diferentes vías de señalización. Finalmente, hemos determinado el papel protector del CREB astrocitario en un modelo murino de daño cerebral agudo. Los principales hallazgos de esta tesis son: (i) una nueva vía de señalización que activa CREB en astrocitos, (ii) la asociación de los programas transcripcionales de CREB con el metabolismo oxidativo, la homeostasis y la comunicación celular, (iii) el papel neuroprotector del CREB astrocitario en un modelo de daño cerebral a través de un incremento de la supervivencia neuronal y regeneración axonal, un descenso de la inflamación y un rescate energético a través de la estimulación de vías metabólicas mitocondriales.

The study of astrocytes has become highly relevant in the realm of neurosciences since the discovery in the early 90’s that those “supportive cells” can respond to synaptic activity. Nowadays, it is accepted that astrocytes have the ability to modulate synaptic transmission through the release of molecules that act at both pre-synaptic and post-synaptic sites, the so-called gliotransmitters. However, there are still many questions to be solved about the role of this glial cell population in brain physiology. In the present work, we studied a field that has been largely explored in neurons, but that is poorly known in astrocytes: the CREB-dependent transcription. This widely-expressed transcription factor integrates the cellular responses of multiple stimuli, thus regulating numerous physiological and pathological functions. In neurons, CREB is a key player in the mechanisms that underlie synaptic plasticity, which is the molecular basis of memory acquisition, and it is involved in neuroprotective processes triggered by several brain disorders. Given the fact that astrocytes also play a role in synaptic activity and neuroprotection, we ought to know whether those functions are regulated by astrocytic CREB. Thus, we studied the molecular mechanisms of CREB activation in cell cultures upon stimulation with the transmitters ATP and NE and characterized the transcriptional programs triggered by CREB activation through different signalling pathways. Finally, we determine the protective roles of astrocytic CREB in a mouse model of traumatic brain injury. The main findings of this thesis are: (i) a novel signalling pathway for CREB activation in astrocytes, (ii) the functional association of CREB-dependent transcriptional programs with oxidative metabolism, homeostasis and intercellular communication, and (iii) the neuroprotective roles of astrocytic CREB in a model of traumatic brain injury, through an increase in neuronal survival and axonal regeneration, a decrease in inflammation and a rescue of bioenergetic failure by increasing the mitochondrial metabolic pathways.