Role of CREB/CRTC1-regulated gene transcription during hippocampal-dependent memory in Alzheimer’s disease mouse models

Abstract

Cambios en la transcripción de genes en el cerebro están asociados a alteraciones sinápticas y deterioro cognitivo tanto durante el envejecimiento normal como en trastornos cognitivos relacionados a la edad. Sin embargo, poco se sabe acerca de los mecanismos moleculares que subyacen alteraciones de la expresión génica durante la enfermedad de Alzheimer. El factor de transcripción CREB regula la expresión de genes esenciales para los mecanismos de plasticidad sináptica a largo plazo y consolidación de la memoria. La transcripción de genes dependientes de CREB está regulada por coactivadores transcripcionales como CBP, p300 y la familia de coactivadores CRTC. CRTC1 es la isoforma más abundante en neuronas y se ha implicado en la regulación del crecimiento dendrítico, la plasticidad sináptica a largo plazo y la memoria. Las funciones específicas de CRTC1 sobre las alteraciones transcripcionales, disfunción sináptica y pérdida de memoria durante la enfermedad de Alzheimer son desconocidas. En esta tesis doctoral se ha investigado el papel de la transcripción regulada por CREB/CRTC1 durante procesos de memoria dependiente del hipocampo en dos modelos murinos bien establecidos de patología amiloide y neurodegeneración: 1) el modelo de ratón transgénico APPsw,Ind que expresa el gen APP humano con las mutaciones sueca e Indiana asociadas a la enfermedad de Alzheimer de tipo hereditario, y 2) un ratón doble knockout condicional (PS cDKO) que carece de los genes de la presenilina (PS1 y PS2) en neuronas excitatorias del cerebro adulto. Hemos observado que la inducción de actividad neuronal así como el entrenamiento en paradigmas de memoria espacial y asociativa induce la defosforilación de CRTC1 en Ser151, lo que promueve la translocación de CRTC1 al núcleo de neuronas hipocampales de ratones adultos. Curiosamente, durante estadíos patológicos iniciales ambos modelos muestran una disminución significativa en la expresión de genes diana de CREB/CRTC1 durante tareas de memoria dependiente de hipocampo. Cabe destacar que la desfosforilación en Ser151 y la translocación nuclear de CRTC1 se ven alteradas en las neuronas del hipocampo en ambos modelos, coincidiendo con déficits iniciales de memoria dependiente de hipocampo. Estos resultados indican que la función de CRTC1 se ve comprometida en ambos modelos de ratones, lo que sugiere que la transcripción dependiente de CRTC1 puede verse afectada por diferentes vías patogénicas. Es importante destacar que también hemos observado alteración en la expresión génica regulada por CRTC1 en muestras de hipocampo humano con patología de enfermedad de Alzheimer. Además, hemos determinado que la sobreexpresión de CRTC1 en el hipocampo mejora los déficits de transcripción y de memoria en etapas patológicas tempranas en ambos modelos experimentales, lo que sugiere que CRTC1 puede ser una valiosa diana terapéutica para la enfermedad de Alzheimer y otras demencias neurodegenerativas. En resumen, estos resultados apoyan un modelo en el que distintos mecanismos patogénicos comprometen la transcripción regulada por CRTC1 necesaria para la plasticidad sináptica y la memoria, lo que contribuyendo a la neurodegeneración y demencia durante la enfermedad de Alzheimer. Estos resultados revelan un papel crítico de la señalización de CRTC1 en el hipocampo durante memoria espacial y asociativa, y sugieren que la modulación de CRTC1 puede ser una importante estrategia terapéutica para la enfermedad de Alzheimer y trastornos neurodegenerativos relacionados.

Altered gene transcription in the brain is associated with impaired synaptic function and cognitive decline during normal aging and age-related cognitive disorders. However, the molecular mechanisms underlying deregulation of gene expression during Alzheimer’s disease remain largely unknown. Activity-dependent gene expression regulated by the transcription factor cAMP-response element binding protein (CREB) is essential for long-term synaptic plasticity and memory consolidation. CREB-dependent transcription is regulated by transcriptional coactivators including CREB binding protein (CBP), p300 and the CREB-regulated transcription coactivators (CRTCs). CRTC1 is the most abundant isoform in neurons and has been implicated in the regulation of dendritic growth, long-term synaptic plasticity and memory. Importantly, the specific roles of CRTC1 on transcriptional changes, synaptic dysfunction and memory loss during Alzheimer´s disease-related pathology are unknown. In this doctoral thesis I have investigated the role of CREB/CRTC1-regulated transcription during hippocampal-dependent memory in two well-established mouse models of amyloid pathology and neurodegeneration: 1) the APPSw,Ind transgenic mouse model of amyloidosis expressing the human APP gene harboring the familial-AD linked Swedish and Indiana mutations, and 2) a Presenilin conditional double knockout (PS cDKO) mouse model lacking the presenilin genes (PS1 and PS2) in forebrain neurons of the adult brain. We found that induction of neuronal activity as well as spatial and associative memory training induce CRTC1 dephosphorylation at Ser151, which leads to a time-dependent CRTC1 translocation to the nucleus in hippocampal neurons of the adult mouse brain. Interestingly, during early pathological stages both APPSw,Ind and PS cDKO mice show significant decreased expression of CRTC1-dependent CREB target genes induced by hippocampal-dependent memory tasks. Notably, CRTC1 dephosphorylation at Ser151 and nuclear translocation are altered in hippocampal neurons of both mouse models coinciding with early hippocampal-dependent memory deficits. These results indicate that CRTC1 function is compromised in both mouse models, suggesting that CRTC1-dependent transcription may be affected by different pathogenic pathways. Importantly, we provide evidence that CRTC1-regulated transcription is also altered in the human hippocampus during Alzheimer’s disease pathology. Furthermore, we show that increasing CRTC1 function in the hippocampus ameliorates transcriptional and memory deficits at early pathological stages in both mouse models, suggesting that targeting CRTC1 signaling may be a valuable therapeutic strategy for Alzheimer’s disease and related neurodegenerative dementias. Taken together, our results support a model in which distinct pathogenic mechanisms compromise CREB/CRTC1-dependent transcription required for synaptic plasticity and memory, which contributes to neurodegeneration and dementia during Alzheimer’s disease-related pathology. These findings reveal a critical role of CRTC1 signaling in the hippocampus during spatial and contextual associative memory, and provide evidence that targeting CRTC1 signaling may be a valuable therapeutic strategy for Alzheimer’s disease and related neurodegenerative disorders.