Pathological and functional characterization of emotion-related neural circuits in novel Alzheimer’s disease transgenic mice

Abstract

La malaltia d’Alzheimer (MA) progesa amb la pèrdua de memòria i símptomes neuropsiquiàtrics associats amb la vulnerabilitat cel·lular específica en circuits neurals relacionats amb la memòria i l’emoció. Es creu que la connectivitat anormal dins de l’hipocamp i l’amígdala, que governen l’adquisició i expressió de memòries episòdiques i emocionals, subjeu a la pèrdua de memòria i les alteracions emocionals en la MA. L’acumulació de plaques amiloides i cabdells neurofibril·lars que contenen pèptids amiloideo (Aβ) i proteïna tau hiperfosforilada són factors crucials que influeixen en la progressió clínica de la demència. No obstant això, els mecanismes d’interacció pels quals Aβ i tau causen disfunció sináptica i vulnerabilitat diferencial dels circuits neurals de memòria i emoció continuen sent en gran part desconeguts. La hipòtesi d’aquesta tesi doctoral és que els mecanismes patològics d’interacció Aβ i tau contribueixen a canvis transcripcionals en neurones excitatories que condueixen a la interrupció dels circuits neuronals relacionats amb la memòria i l’emoció en la MA. L’objectiu d’aquest estudi és investigar i modular funcionalment els mecanismes cel·lulars i moleculars involucrats en els símptomes cognitius i emocionals en un nou model de ratolí transgènic de MA que expressa APP i Tau en neurones. Per a abordar aquest objectiu, vaig realitzar diferents enfocaments patològics, bioquímics, conductuals i de transcriptòmica a nivell de teixit i cèl·lula específica en ratolins control, APP, Tau i/o APP/Tau. Els nostres resultats demostren que els ratolins Tau i APP/Tau desenvolupen patologia tau dependent de l’edat i dèficits de memòria espacial associats amb l’acumulació sinàptica de tau. En canvi, els ratolins APP i APP/Tau de tots dos sexes exhibeixen un comportament ansiós innat i una extinció de la memòria de por alterada relacionada amb la patologia Aβ, en absència de tau sináptica, en la amígdala basolateral (ABL). Notablement, la inactivació quimio-genètica de la engrama excitatoria en la ABL millora la memòria associativa anormal relacionada amb la por en els ratolins APP. És important destacar que la seqüenciació d’ARN a nivell de teixit i cèl·lula específica revela canvis transcripcionals comuns i específics de la regió relacionats, entre altres, amb la transmissió sinàptica i la plasticitat en resposta a la patologia Aβ/tau. De manera significativa, els perfils transcripcionals de teixit mostren 63 ortòlegs dels gens de risc de MA humans identificats en GWAS amb expressió diferencial en l’hipocamp i/o la ABL dels ratolins APP/Tau. En conseqüència, mitjançant una puntuació genètica generada a partir del conjunt de dades d’ARN de teixit de BLA de ratolins APP / Tau es correlaciona amb la patologia de la malaltia d’Alzheimer i els trets emocionals i de personalitat de la cohort ROSMAP, la qual cosa suggereix que el nostre model de ratolí exhibeix canvis transcripcionals connectats als determinants moleculars establerts del desenvolupament de la malaltia d’Alzheimer. En conclusió, aquests descobriments desentranyen els efectes patogènics específics de la regió de Aβ i tau en les xarxes neurals excitatories que governen el processament emocional i de la memòria, la qual cosa indica que els factors patològics i les seves cascades moleculars han de considerar-se en futures iniciatives preventives i de tractament de la malaltia d’Alzheimer.

La enfermedad de Alzheimer (EA) avanza con la pérdida de memoria y síntomas neuropsiquiátricos asociados con la vulnerabilidad celular específica en circuitos neurales relacionados con la memoria y la emoción. Se cree que la conectividad anormal dentro del hipocampo y la amígdala, que gobiernan la adquisición y expresión de memorias episódicas y emocionales, subyace a la pérdida de memoria y las alteraciones emocionales en la EA. La acumulación de placas amiloides y ovillos neurofibrilares (NFT) que contienen péptidos amiloides (Aβ) y proteína tau hiperfosforilada son factores cruciales que influyen en la progresión clínica a la demencia. Sin embargo, los mecanismos de interacción por los cuales Aβ y tau causan disfunción sináptica y vulnerabilidad diferencial de los circuitos neurales de memoria y emoción siguen siendo en gran parte desconocidos. La hipótesis de esta tesis doctoral es que los mecanismos patológicos de interacción Aβ y tau contribuyen a cambios transcripcionales en neuronas excitatorias que conducen a la interrupción de los circuitos neuronales relacionados con la memoria y la emoción en la EA. El objetivo de este estudio es investigar y modular funcionalmente los mecanismos celulares y moleculares involucrados en los síntomas cognitivos y emocionales en un nuevo modelo de ratón transgénico de EA que expresa APP y Tau en neuronas. Para abordar este objetivo, empleé técnicas de patología, bioquímica, conductuales y de transcriptómica a nivel de tejido y célula específica en ratones control, APP, Tau y/o APP/Tau. Nuestros resultados demuestran que los ratones Tau y APP/Tau desarrollan patología tau dependiente de la edad y déficits de memoria espacial asociados con la acumulación sináptica de tau. En cambio, los ratones APP y APP/Tau de ambos sexos exhiben un comportamiento ansioso innato y una extinción de la memoria de miedo alterada relacionada con la patología Aβ, en ausencia de tau sináptica, en la amígdala basolateral (ABL). Notablemente, la inactivación quimio-genética de las neuronas de engrama excitatorias en la ABL mejora la memoria asociativa anormal relacionada con el miedo en los ratones APP. Es importante destacar que la secuenciación de ARN a nivel de tejido y célula específica revela cambios transcripcionales comunes y específicos de cada región relacionados, entre otros, con la transmisión sináptica y la plasticidad en respuesta a la patología Aβ/tau. De manera significativa, los perfiles transcripcionales muestran 63 ortólogos de los genes de riesgo de EA humanos identificados en GWAS con expresión diferencial en el hipocampo y/o la ABL de los ratones APP/Tau. En consecuencia, una puntuación genética generada a partir del conjunto de datos de secuenciación de ARN de la BLA de ratones APP / Tau se correlaciona con la patología de la enfermedad de Alzheimer y los rasgos emocionales y de personalidad de la cohorte ROSMAP, lo que sugiere que nuestro modelo de ratón exhibe cambios transcripcionales conectados a los determinantes moleculares establecidos del desarrollo de la enfermedad de Alzheimer. En conclusión, estos hallazgos desentrañan los efectos patogénicos específicos de la región de Aβ y tau en las redes neurales excitatorias que gobiernan el procesamiento emocional y de la memoria, lo que indica que los factores patológicos y sus cascadas moleculares deben considerarse en futuras iniciativas preventivas y de tratamiento de la enfermedad de Alzheimer.

Alzheimer’s disease (AD) progresses with memory loss and neuropsychiatric symptoms associated with cell-specific vulnerability in memory- and emotion-related neural circuits. The abnormal connectivity within the hippocampus and amygdala, which govern the acquisition and expression of episodic and emotional memories, are thought to underlie memory loss and emotional disturbances in AD. Accumulation of amyloid plaques and neurofibrillary tangles (NFT) containing amyloid-β (Aβ) peptides and hyperphosphorylated tau protein are crucial factors influencing clinical progression to dementia. However, the crosstalk mechanisms by which Aβ and tau cause synaptic dysfunction and differential vulnerability of memory and emotional neural circuits remain largely unclear. The hypothesis of this doctoral thesis is that crosstalk Aβ and tau pathological mechanisms contribute to transcriptional changes in excitatory neurons leading to disruption of memory- and emotion-related neuronal circuits in AD. The aim of this study is to investigate and functionally modulate the cellular and molecular mechanisms involved in cognitive and emotional symptoms in a novel transgenic AD mouse model expressing APP and Tau in neurons. To address this objective, I performed extensive pathological, biochemical, behavioral, and tissue-level and cell-specific transcriptomics approaches in control, APP, Tau, and/or APP/Tau mice. Our results demonstrate that Tau and APP/Tau mice develop age-dependent tau pathology and spatial memory deficits associated with hippocampal accumulation of synaptic tau. By contrast, APP and APP/Tau mice of both sexes exhibit innate anxious behavior and impaired fear memory extinction linked to Aβ pathology, in the absence of synaptic tau, in the basolateral amygdala (BLA). Remarkably, chemogenetic inactivation of excitatory engram neurons in the BLA ameliorates aberrant fear-related associative memory in APP mice. Importantly, tissue-level and cell-specific RNA sequencing reveal region-specific but common transcriptional changes related, among others, to synapse transmission and plasticity in response to Aβ/tau pathology. Notably, bulk transcriptional profiles show 63 orthologs of human AD risk genes identified in GWAS differentially expressed in the hippocampus and/or BLA of APP/Tau mice. Accordingly, a genetic score generated from the BLA bulk-RNA dataset of APP/Tau mice is correlated to AD pathology and emotional affect and personality traits from the ROSMAP cohort, suggesting that our mouse model exhibits transcriptional changes connected to established molecular determinants of AD development. In conclusion, these findings disentangle the region-specific pathogenic effects of Aβ and tau in excitatory neural networks governing emotional and memory processing, indicating that pathological factors and their molecular cascades should be considered in future AD preventive and treatment initiatives.