Secretory and synaptic proteins in brain and cerebrospinal fluid in normal and Alzheimer’s disease animal models

Abstract

[eng] The central nervous system represents a huge network architecture where intercellular communication governs and coordinates the proper function of the brain. Regulated secretion of neuropeptides and growth factors from dense-core vesicles (DCV) exert key roles in neural circuit development, function, and plasticity. However, these organelles have received significantly less attention than synaptic vesicles. Here, we investigated different aspects of DCV in the healthy and pathological brain by analyzing their molecular components. First, we studied the developmental acquisition of peptidergic regulated secretion in cortical neurons in situ and in vitro. We found that the competence for regulated secretion is determined sequentially for different DCV subsets. Importantly, the association between acquisition of regulated competence and levels and location of synaptotagmin-IV pointed out this vesicular component as a key mechanism in the developmental maturation of DCV secretion. Second, due to the significance of astrocytes in the neural circuitry physiology, we developed new adeno-associated vectors to express neuropeptides tagged with fluorescent proteins specifically in neurons, but also in astrocytes to evaluate glial peptidergic secretion into neuronal networks. Neuronal stimulation triggered a robust astrocyte DCV secretion in a calcium-dependent manner, presumably by NMDA glutamate receptors, although in a lesser extent than classical neuronal secretion. Last, alterations in synaptic function underlie early pathogenic events in Alzheimer’s disease (AD) which precedes symptoms onset but initiate a remarkably impairment of cognitive function. In line with recent research directed toward the identification of early biomarkers of synaptic degeneration, we studied age- and sex- dependent protein changes in the brain and cerebrospinal fluid (CSF) of TgF344-AD rats, evidencing alterations in DCV and other synaptic components even prior to Aβ deposition, markedly in males. The CSF proteome revealed that this transgenic model undergoes alterations in biological pathways involved in glia-neuron communication, neuronal assembly, memory or neuroinflammation. Hence, we consider TgF344-AD rats as a suitable model for the search of early fluid biomarkers that sustain the development of new therapeutic strategies for pre-clinical AD trials. Altogether, this dissertation shows new evidence of neuronal and glial communication in the physiology and neuropathology of the cerebral cortex.

[spa] El sistema nervioso central está formado por una enorme red altamente organizada en la que una adecuada comunicación intercelular es responsable del procesamiento de información y del correcto funcionamiento del cerebro. La secreción regulada de neuropéptidos y factores de crecimiento, almacenados en vesículas de núcleo denso (VCD), desempeña un papel crucial en el desarrollo, la función y la plasticidad de los circuitos neuronales. Sin embargo, estos orgánulos han sido menos estudiados que las vesículas sinápticas. En este estudio hemos investigado el papel de las VCD en el cerebro sano y patológico analizando sus componentes moleculares. En primer lugar, hemos estudiado la adquisición de la secreción regulada peptidérgica durante el desarrollo de neuronas corticales tanto in situ como in vitro. Hemos encontrado que la competencia para la secreción regulada se determina secuencialmente para diferentes subpoblaciones de VCD. Es importante destacar que la asociación entre la adquisición de la capacidad de secretarse de forma regulada y los niveles y la localización de la sinaptotagmina-IV señaló a este componente vesicular como un mecanismo clave en el proceso de maduración de las VCD. En segundo lugar, por las funciones tan relevantes que desempeñan los astrocitos en la fisiología de los circuitos neuronales, hemos desarrollado nuevos vectores adeno-asociados para expresar neuropéptidos marcados con proteínas fluorescentes específicamente en neuronas, pero también en astrocitos, para así evaluar la secreción peptídica glial en las redes neuronales. Como consecuencia de la estimulación neuronal, se observó una robusta secreción de VCD por parte de los astrocitos de forma dependiente de calcio, presumiblemente a partir de los receptores de glutamato NMDA, aunque en un grado menor que la secreción regulada clásica de neuronas. Por último, las alteraciones de la función sináptica son la base de los primeros acontecimientos patogénicos desencadenados en la enfermedad de Alzheimer (EA), precediendo a la aparición de los síntomas, pero que acaba desencadenando un notable deterioro de la función cognitiva. En línea con las recientes investigaciones dirigidas a la identificación de biomarcadores tempranos de la degeneración sináptica, hemos estudiado los cambios proteicos dependientes de la edad y del sexo en el cerebro y el líquido cefalorraquídeo (LCR) de ratas TgF344-AD, evidenciando alteraciones en las VCD y otros componentes sinápticos incluso antes de la aparición de placas de Aβ, particularmente en los machos. Además, el proteoma del LCR reveló que este modelo transgénico sufre alteraciones en vías biológicas implicadas en la comunicación glía-neurona, el ensamblaje neuronal, la memoria o la neuroinflamación. Por lo tanto, consideramos a las ratas TgF344-AD como un modelo adecuado para la búsqueda de biomarcadores tempranos en fluidos que respalden el desarrollo de nuevas estrategias terapéuticas para ensayos preclínicos de la EA. En conjunto, esta tesis muestra diferentes evidencias nuevas sobre la comunicación neuronal y glial en la fisiología y neuropatología de la corteza cerebral.