Study of extracellular matrix and water channels in bovine spongiform encephalopathy

Abstract

La matriu extracel·lular (MEC) del sistema nerviós central (SNC) es troba dispersa al neuròpil o formant agregats al voltant de les neurones, anomenats xarxes perineuronals (PNN). La MEC conté proteoglicans de tipus condroitin sulfat (CSPG), àcid hialurònic (AH) i tenascina-R. També es poden trobar proteoglicans de tipus heparan sulfat (HSPG) secretats a la MEC o formant part de la membrana cel·lular. Les aquaporines (AQP) són una família de proteïnes transmembrana que actuen com a canals d'aigua. L'AQP1 i l'AQP4 s'expressen àmpliament al SNC on tenen diverses funcions. Malgrat la importància de totes aquestes molècules, la seva distribució al SNC del ratolí només s'ha descrit parcialment. <br/>La distribució histoquímica de les PNNs, l'agrecà, l'AH, els HSPG i l'AQP4 es van valorar semiquantitativament al SNC del ratolí. Els resultats van demostrar que l'agrecà, l'AH i els HSPG tenen una distribució perineuronal, mentre que l'AQP4 té una distribució heterogènia al neuròpil del SNC. Es va observar una correlació inversa entre l'AQP4 i els components de la MEC, suggerint que poden tenir un paper complementari en el manteniment de la homeòstasi de l'aigua. L'AQP4 i els HSPG van presentar una localització comú al neuròpil del SNC. <br/>La MEC i les AQPs es van estudiar a la encefalopatia espongiforme bovina (EEB) i a la tremolor ovina. Ambdues malalties pertanyen al grup de les encefalopaties espongiformes transmissibles (EET) o malalties priòniques, les quals es caracteritzen per l'acumulació de proteïna prió resistent (PrPres) al SNC, pèrdua neuronal, degeneració espongiforme i proliferació de cèl·lules glials. <br/>L'estudi de la MEC es va desenvolupar en la línia de ratolí transgènic boTg110 infectat intracranialment amb EEB; i en el ratolins C57Bl6 infectats amb RML (una soca de tremolor ovina). En tots dos casos es va observar una alteració molt marcada de la MEC a l'estadi final de les dues malalties. <br/>L'AQP1 i l'AQP4 es van estudiar al ratolí boTg110 per immunohistoquímica, i casos naturals d'EEB per immunohistoquímica i western blot. Les dues AQPs estaven sobreexpressades a la membrana dels astròcits a l'estadi terminal de la malaltia en el cas dels ratolins, i en vaques pre-clíniques. <br/>Els canvis de la MEC i la sobreexpressió de les AQPs es va correlacionar amb l'acumulació de PrPres, i l'activació de les cèl·lules glials. Per això es va concloure que les alteracions a la MEC, l'AQP1 i l'AQP4 eren conseqüència de l'activació de les cèl·lules glials induïda per la PrPres, i tots aquests canvis podrien produir desequilibris en els iòns i l'aigua al SNC i contribuir a l'aparició de les lesions típiques de les EETs.

The extracellular matrix (ECM) of the central nervous system (CNS) is found dispersed in the neuropil or forming aggregates around the neurons called perineuronal nets (PNNs). The ECM mainly contains chondroitin sulphate proteoglycans (CSPG), hyaluronic acid (HA) and tenascin-R. Heparan sulphate proteoglycans (HSPG) can also be secreted in the ECM or be part of the cell membrane. Aquaporins (AQP) are a family of transmembrane proteins that act as water selective channels. AQP1 and AQP4 are widely expressed in the CNS where they play several roles. Nevertheless the importance of these elements, their distribution in the CNS of mice is only partially known. <br/>The histochemical distribution of PNNs, aggrecan, HA, HSPGs and AQP4 were semiquantitatively evaluated in the whole CNS of mice. The results showed that aggrecan, HA and HSPGs have a perineuronal distribution, and AQP4 has an heterogeneous distribution throughout the neuropil of the CNS. An inverse correlation between AQP4 and ECM components was observed, suggesting a complementary role in the maintenance of water homeostasis. A common location for AQP4 and HSPGs was also observed in CNS neuropil. <br/>ECM and AQPs were studied in bovine spongiform encephalopathy (BSE) and Scrapie. Both diseases belong to the group of animal transmissible spongiform encephalopathies (TSE) or prion diseases. They are characterized by the accumulation of resistant prion protein (PrPres) in the CNS, neuronal loss, spongiform degeneration and glial cell proliferation.<br/>The ECM was studied by immunohistochemistry in the transgenic mice boTg110, overexpresing bovine PrPc, intracranially infected with cattle BSE; and in C57BL/6 mice intraperitoneally infected with RML scrapie strain. Both of them showed dramatical ECM disturbances at latest stage of both diseases. <br/>AQP1 and AQP4 were studied in boTg110 mice by immunohistochemistry, and in BSE field cases by immunohistochemistry and western blot. Both AQPs were overexpressed in the membrane of astrocytes at terminal stage of the disease in mice with evident clinical signs, and in pre-clinical cattle. <br/>The ECM changes and AQPs overexpression were correlated with PrPres accumulation, and activated glial cells. Therefore we conclude that alterations in the ECM, AQP1 and AQP4 are a consequence of glial cell activation induced by PrPres, and both changes could lead to ion and water imbalance in the CNS which could contribute to trigger the typical histopathological features of TSEs.