Caracterización de las alteraciones estructurales y funcionales de la corteza cerebral de ratones mutantes de pérdida y ganancia de función de DYRK1A

Abstract

DYRK1A es un gen del cromosoma 21 humano que codifica para una proteína quinasa constitutivamente activa que fosforila a sustratos que son clave en el desarrollo del cerebro. La proteína DYRK1A regula el crecimiento del cerebro del ratón de forma dosis- dependiente y región-específica. Múltiples evidencias sugieren que la sobre-expresión de DYRK1A contribuye a las alteraciones neuro-anatómicas y cognitivas asociadas al síndrome de Down. Por otro lado, estudios genéticos han mostrado que mutaciones de novo en DYRK1A causan un síndrome de discapacidad intelectual y autismo (MRD7; OMIM # 614104) que se caracteriza por la presencia de microcefalia y actividad epiléptica. Este trabajo de tesis se realizó con el objetivo de definir el efecto de cambios patogénicos en los niveles de la proteína DYRK1A en la citoarquitectura y funcionalidad cerebral. Para ello utilizamos los modelos de ganancia y pérdida de función de Dyrk1a (los ratones mBACTgDyrk1a y Dyrk1a+/- respectivamente) y el modelo de síndrome de Down mejor caracterizado, el ratón trisómico Ts65Dn.

La caracterización neuro-morfológica del ratón mBACTgDyrk1a mostró que la sobre- expresión de DYRK1A provoca un déficit de neuronas excitadoras (glutamatérgicas) en la neocorteza, la región del cerebro responsable del raciocinio, y altera la proporción de los dos subtipos de neuronas inhibidoras (GABAérgicas) mayoritarias en esta estructura: las neuronas que expresan parvalbúmina (PV+) y las que expresan somatostatina (SST+). En la subplaca, una estructura transitoria de la corteza que participa en el establecimiento de las conexiones corticales y cortico-talámicas, se observó también un déficit de neuronas tanto en los ratones mBACTgDyrk1a como en los ratones Ts65Dn. Estudios de rescate genético demostraron que la trisomía de Dyrk1a es la responsable de la hipo-celularidad de la subplaca en el modelo Ts65Dn. Esto hallazgo junto con otros resultados sugieren que la sobre-expresión de DYRK1A podría alterar la generación de neuronas de la subplaca en el síndrome de Down. Durante la sinaptogénesis, la neocorteza de los ratones Dyrk1a+/- presenta una mayor densidad neuronal y alteraciones en la proporción de neuronas excitadoras que expresan marcadores específicos de capa. En estos ratones también se observó mayor celularidad en la subplaca. El exceso de neuronas excitadoras en la neocorteza Dyrk1a+/- se mantiene hasta el adulto y correlaciona con un aumento en la densidad de sinapsis excitadoras. En esta estructura, no se observaron cambios en el contenido de neuronas PV+, SST+ u otros subtipos de neuronas inhibidoras examinadas. Sin embargo, si que se detectaron cambios cuantitativos en estos subtipos neuronales en el hipocampo. El recuento

de sinapsis en el stratum radiatum de la región CA1 no reveló cambios significativos en el número o distribución de las sinapsis inhibidoras pero si en la distribución de sinapsis excitadoras. Las anomalías estructurales observadas en la corteza Dyrk1a+/- podrían resultar en un exceso de estímulos excitadores que explicarían, tanto el aumento de células c-Fos+ en el hipocampo como la actividad epiléptica, con crisis tónico-clónicas generalizadas, que presentan los ratones Dyrk1a+/- adultos. Finalmente, los estudios conductuales mostraron que los ratones Dyrk1a haploinsuficientes presentan déficits en el comportamiento social y movimientos estereotipados indicativos de un comportamiento autista. Estos resultados confirman que el ratón Dyrk1a+/- es un buen modelo para estudiar las bases patogénicas de la haploinsuficiencia de DYRK1A en humanos.

Los resultados de este trabajo en su conjunto muestran que variaciones patológicas en los niveles de la proteína quinasa DYRK1A alteran la proporción de neuronas excitadoras e inhibidoras de la corteza cerebral y, por tanto, su conectividad estructural. Este desequilibrio podría contribuir a los déficits cognitivos y otras alteraciones neurológicas asociados al síndrome de Down y al síndrome de discapacidad intelectual causado por mutaciones en el gen DYRK1A.

The gene product of DYRK1A, located on chromosome 21, is a constitutive protein kinase that regulates key neurodevelopmental processes. DYRK1A controls brain growth in a dosage-specific manner. There is evidence that the overexpression of DYRK1A contributes to the neuroanatomical and cognitive alterations associated to Down syndrome (DS). Moreover, it has been shown that heterozygous mutations in DYRK1A cause an intellectual disability (ID) syndrome (OMIM #614104) that is characterized by the presence of microcephaly, autism and epileptic activity. To provide insights into the effect of DYRK1A gene-dosage variations on brain cytoarchitecture and function, we have used gain- and loss-of-function Dyrk1a mutant mice (the mBACTgDyrk1a mouse and the Dyrk1a+/- mouse, respectively) and a trisomic model for DS, the Ts65Dn mouse. Studies in the mBACTgDyrk1a model showed that overexpression of DYRK1A leads to a significant deficit of excitatory neurons and to an altered number of specific subtypes of inhibitory neurons in the adult neocortex. The subplate in this mouse model and in the Ts65Dn model also presents a deficit of neurons. Moreover, we showed that the normalization of Dyrk1a gene-dosage in the Ts65Dn trisomic mouse rescued the phenotype, suggesting that DYRK1A overexpression in DS may affect the production of subplate cells. During synaptogenesis, the neocortex of Dyrk1a+/- mice showed increased neuronal density and altered proportions of excitatory neurons expressing layer-specific markers. The excess of excitatory neurons in this mouse persisted until the adult and correlated with an increased density of excitatory synapses. Numbers of the main interneuron subtypes and densities of inhibitory synapses were not significantly altered in the adult Dyrk1a+/- neocortex. By contrast, we did observed variations in all the interneuron subtypes examined in the hippocampus of these animals. The alterations in the cytoarchitecture and synaptic connectivity observed in the Dyrk1a+/- mouse may lead to an over-activation of the cerebral cortex circuits. This is in accordance with both, the increased numbers of hippocampal cFos-expressing cells and the epileptic activity shown by this mutant. Finally, Dyrk1a+/- mice presented deficits in social behaviour and stereotypies that are common in mouse models of autism.

Together, the results of this work show that pathological variations in the levels of DYRK1A protein alter the ratio of excitatory/inhibitory neurons, thereby affecting the synaptic connectivity of cortical circuits. This may contribute to the cognitive deficits and other neurological alterations associated to DS and to the ID syndrome caused by mutations in DYRK1A.