Contribution of perforant path synaptic markers and GSK-3 to cognitive impairment and Alzheimer´s disease

Abstract

La frecuencia de la enfermedad de Alzheimer (EA) y otras demencias está aumentando en todo el mundo debido al progresivo envejecimiento de la población. A pesar de que hay marcardores patológicos específicos para determinadas patologías, p.e. placas seniles y ovillos neurofibrilares en la EA, todavía se desconoce cuál es la patología subyacente al deterioro cognitivo en sí. Para identificar nuevas dianas terapéuticas es preciso determinar qué factores pueden estar asociados al deterioro cognitivo y posteriormente, desarrollar nuevos modelos experimentales que nos permitan profundizar en su estudio y analizar su posible contribución. En esta tesis, se estudiaron las correlaciones entre marcadores sinápticos (sinaptofisina, proteína sináptica vesicular-2 (SV2) y glutamato vesicular transportador-1 (VGLUT1)) y otros cambios patológicos como la fase de Thal, estadio Braak, enfermedad cerebrovascular, esclerosis hipocampal, y la proteína de respuesta transactiva de unión a ADN de 43kDa (TDP-43) patológica, con el estado cognitivo y la función cognitiva global en individuos mayores de 90 años. Observamos que ninguna de las variables diferenciaba a individuos control de pacientes con deterioro cognitivo-no-demencia, pero todas ellas diferenciaban a controles de pacientes con demencia. Además, sinaptofisina y SV2 estaban aumentadas, mientras que Braak, TDP-43 y esclerosis hipocámpica estaban reducidos en el grupo de individuos con deterioro cognitivo-no-demencia comparado con el grupo demencia; sin embargo, la fase Thal y VGLUT1 no diferenciaban a estos dos grupos. Todas las variables analizadas se asociaban con los tests cognitivos. Finalmente, el análisis simultáneo de todas las variables mostró que sinaptofisina, el estadio Braak, TDP-43 y esclerosis hipocámpica se asociaban con la función cognitiva global. Concluímos que aunque la patología amiloide y los cambios en las sinasis glutamatérgicas podían ser eventos iniciales, en nuestro estudio los cerebros del grupo de deterioro cognitivo no-demencia eran indistinguibles de los cerebros del grupo control; además, la patología neurofibrilar, esclerosis hipocampal, TDP-43 y la pérdida sináptica de la via perforante fueron los mayores contribuidores del deterioro cognitivo en los más mayores. En la segunda parte de esta tesis, tratamos de dilucidar la contribución de la glucógeno sintasa quinasa 3 (GSK-3) en el deterioro cognitivo y patología amiloide en un modelo murino de EA (PDAPP). GSK-3 ha sido ampliamente estudiada en esta enfermedad, pero la contribución individual de cada una de sus dos isoformas, α y β, sobretodo α es desconocida. En este estudio generamos líneas de ratones GSK-3α y GSK-3β knockout condicionados con el sistema CRE-loxP, sin afectación de GSK-3β y GSK-3α respectivamente, pero no logramos generar GSK-3αβ doble knockouts. También generamos triples transgénicos con ratones PDAPP, y observamos que la reducción de GSK-3α reducía significativamente la carga amiloide, los déficits de aprendizaje e hiperactividad de los ratones trasngénicos. Sin embargo, no logramos obtener ratones triples transgénicos con GSK-3β knockout que sobrevivieran más allá de los 6 meses. Concluímos que aquellas estrategias terapéuticas que reduzcan selectivamente una de las dos isoformas posiblemente sean más seguras y bien toleradas que aquellas que inhiban ambas; que un exceso de APP o derivados pueden tener efectos perjudiciales en los ratones GSK-3β knockout condicionados; y que los inhibidores selectivos de GSK-3α pueden ser una buena estrategia terapéutica para la EA. En resumen, los trastornos cognitivos son entidades complejas en las que múltiples factores pueden interactuar y contribuir al deterioro cognitivo. En esta tesis hemos observado que, en humanos, la patología neurofibrilar, esclerosis hipocámpica, la patología TDP-43 y la pérdida sináptica de la vía perforante puede contribuir al deterioro cognitivo en mayores de 90 años. Además, en ratones, la reducción de GSK-3α redujo la carga amiloide y los déficits cognitivos y conductuales, destacando GSK-3α como un posible contriuyente al deterioro cognitivo, y como una posible diana terapéutica en la EA.

The frequency of Alzheimer´s disease (AD) and other dementias is increasing worldwide due to the progressive ageing of the population. Although distinct pathology is related to specific entities and dementia, such as senile plaques and neurofibrillary tangles in AD, there is still uncertainty about the pathology underlying cognitive impairment itself. To identify new therapeutic targets, we need to determine which factors can be associated to cognitive impairment, and then, develop experimental models to confirm their contribution. In this dissertation, we first studied the correlations between synaptic markers (synaptophysin, synaptic vesicle protein 2 (SV2) and vesicular glutamate transporter 1 (VGLUT1), and other pathological changes such as Thal phase, Braak stage, cerebrovascular disease, hippocampal sclerosis, and pathological 43-kDa transactive response sequence DNA-binding protein (TDP-43), with cognitive status and global cognitive function in the oldest-old. We first observed that neither measure differentiated control from cognitive impairment but no dementia group. Secondly, we found that all measures distinguished dementia from control groups. Third, synaptophysin and SV2 were increased, whereas Braak stage, TDP-43 and hippocampal sclerosis were reduced in the cognitive impairment but no dementia group compared to the dementia group, while Thal phase and VGLUT1 did not distinguish between these two groups. Fourth, all markers were associated with cognitive test scores. And fifth, when all measures were analyzed simultaneously, a reduction in synaptophysin, a high Braak stage and the presence of pathological TDP-43 and hippocampal sclerosis were associated with a worse global cognitive function. We concluded that although changes in plaque pathology and glutamatergic synapses may be early events, in our study and with our measures, cognitive impairment but no dementia group brains were indistinguishable from control brains; and moreover, that tangle pathology, hippocampal sclerosis, TDP-43 pathology and perforant pathway synaptic loss were the major contributors to global cognitive function in the oldest-old. In the second part of this dissertation, we sought to elucidate the contribution of Glycogen synhase kinase 3 (GSK-3) in cognitive impairment and AD pathology in a mouse model of AD (PDAPP). GSK-3 has been widely studied in AD, and it has two isoforms, α and β, but the individual contribution of each isoform, mainly GSK-3α, remain poorly understood. In this study, we generated GSK-3 α and β conditional knockout lines using CRE-loxP system, without targeting GSK-3β and GSK-3α respectively, but failed to generate the double GSK-3αβ knockout. We generated triple transgenic lines with PDAPP mice, and we found that GSK-3α knockdown showed a significant effect on reducing senile plaques, learning deficits and hyperactivity in transgenic mice. Interestingly, we were unable to obtain triple conditional GSK-3β knockout that survived beyond 6 months. We concluded that strategies selectively reducing one isoform of GSK-3 may be safer and well tolerated than GSK-3 inhibitors targeting both; that an excess of APP or derivatives have deleterious effects in GSK-3β conditional knockout mice; and that developing isoform specific GSK-3α inhibitors can be a good therapeutic strategy for AD. In summary, cognitive disorders are complex entities in which multiple factors may interact and contribute to the cognitive impairment. In this dissertation we observed that, in humans, tangle pathology, hippocampal sclerosis, TDP-43 pathology and perforant pathway synaptic loss may contribute to cognitive impairment in the oldest-old. Additionally, in mice, GSK-3α knockout reduced plaque load, and behavioral and cognitive impairment, highlighting GSK-3α as a possible contributor to cognitive impairment, and as a potential therapeutic target in Alzheimer´s disease.