Neuron-type molecular pathways underlying hippocampal-dependent memory deficits in Alzheimer's disease transgenic mice

Abstract

La pèrdua de memòria és un dels primers símptomes clínics de la malaltia d'Alzheimer (MA), la malaltia neurodegenerativa més comuna, que està influenciada per nombrosos factors biològics, incloent-hi l'edat i el sexe. Patològicament, la MA es caracteritza per l'acumulació de pèptids β-amiloide (Aβ) en plaques i agregats intracel·lulars de proteïna tau hiperfosforilada en cabdells neurofibril·lars (NFTs). Ambdues patologies van acompanyades de pèrdua sinàptica, inflamació i disrupcions funcionals primerenques en neurones excitatòries i inhibitòries dels circuits de memòria de l'hipocamp. Com Aβ i tau afecten de manera diferent les neurones excitatòries i inhibitòries de l'hipocamp causant dèficits de memòria durant l'envelliment, i depenent o no del sexe, segueix sent en gran part desconegut. En aquesta tesi doctoral, vaig estudiar els efectes inicials de les patologies d'Aβ i tau en les neurones excitatòries (CaMKIIα) i inhibitòries Parvalbúmina (PV) de l'hipocamp en un nou model murí de MA que expressa tant els gens humans APP com MAPT/Tau mutats (APP/Tau). Els resultats mostren que els dèficits d'aprenentatge espacial i memòria dependents de l'hipocamp en ratolins Tau i APP/Tau de 6 mesos, tant mascles com femelles, coincideixen amb l'acumulació sinàptica de tau a l'hipocamp, la pèrdua d'integritat sinàptica excitadora i l'acumulació d'Aβ i tau en les neurones glutamatèrgiques de l'hipocamp, però no en les interneurones PV. Les anàlisis de seqüenciació d’ARN van revelar una regulació a la baixa específica dels gens sinàptics a l'hipocamp de ratolins Tau i APP/Tau, tant mascles com femelles, així com canvis en l'expressió gènica dependents del genotip i del sexe que afecten vies relacionades amb la inflamació, l'autofàgia, la mielinització i la excitabilitat neuronal. L'anàlisi de seqüenciació d’ARN específic de tipus cel·lular en ratolins APP/Tau;RiboTag va mostrar alteracions transcripcionals en gens metabòlics i sinàptics a les neurones CaMKIIα+ de l'hipocamp dels ratolins APP/Tau. Curiosament, les neurones inhibitòries de l'hipocamp que expressen PV mostren una reducció en la densitat, alteracions morfològiques i canvis transcripcionals específics del sexe (incloent-hi gens relacionats amb el manteniment sinàptic i axonal) en els ratolins APP/Tau, malgrat l'absència d'acumulació d'Aβ i tau en aquestes cèl·lules. Això suggereix que Aβ i tau, expressats en neurones excitadores, exerceixen efectes no autònoms en les neurones PV. Finalment, l'anàlisi de seqüenciació de RNA específic de tipus cel·lular ens va permetre identificar els diferents programes gènics induïts per l'aprenentatge i la memòria en les neurones glutamatèrgiques (tal com processament de mRNA i transmissió sinàptica) i les neurones inhibidores PV (tal com metabolisme d'ATP, activitat de canals iònics i transmissió sinàptica) en el nostre model. En conclusió, aquesta tesi doctoral ha estudiat els translatomes de les neurones excitadores i inhibidores de l'hipocamp en animals mascles i femelles d'un nou model de MA que recapitula les patologies d'Aβ i tau, revelant, per primera vegada, no només els efectes específics de cada patologia, sinó també la influència del sexe en aquestes alteracions específiques de cada tipus cel·lular.

La pérdida de memoria es uno de los primeros síntomas clínicos de la enfermedad de Alzheimer (EA), la enfermedad neurodegenerativa más común, influenciada por numerosos factores biológicos, como la edad y el sexo. Patológicamente, la EA se caracteriza por la acumulación de péptidos β-amiloide (Aβ) en forma de placas y por agregados intracelulares de proteína tau hiperfosforilada formando los ovillos neurofibrilares (NFTs). Ambas patologías van acompañadas de pérdida sináptica, inflamación y alteraciones funcionales tempranas en las neuronas excitatorias e inhibitorias de los circuitos de memoria del hipocampo. Sin embargo, cómo las patologías Aβ y tau afectan de manera diferencial a las neuronas excitatorias e inhibitorias del hipocampo de manera dependiente del sexo, provocando déficits de memoria durante el envejecimiento, sigue siendo en gran medida desconocido. En esta tesis doctoral, estudié los efectos iniciales de las patologías Aβ y tau en las neuronas excitatorias (CaMKIIα) e inhibitorias de Parvalbúmina (PV) del hipocampo en un nuevo modelo murino de EA que expresa los genes humanos APP y MAPT/Tau mutados (ratones APP/Tau). Los resultados muestran que los déficits tempranos en el aprendizaje espacial y la memoria dependientes del hipocampo en ratones Tau y APP/Tau de 6 meses, tanto machos como hembras, coinciden con la acumulación sináptica de tau en el hipocampo, la pérdida de integridad sináptica excitatoria y la acumulación de Aβ y tau en las neuronas glutamatérgicas del hipocampo, pero no en las interneuronas PV. Los análisis de secuenciación de ARN revelaron una regulación a la baja específica de genes sinápticos en el hipocampo de ratones Tau y APP/Tau machos y hembras, así como cambios en la expresión génica dependientes del genotipo y del sexo, que afectan a vías relacionadas con la inflamación, la autofagia, la mielinización y la excitabilidad neuronal. El análisis de secuenciación de RNA específico de tipo celular en ratones APP/Tau;RiboTag mostró alteraciones transcripcionales en genes metabólicos y sinápticos en las neuronas CaMKIIα+ del hipocampo de los ratones APP/Tau. De manera importante, las neuronas inhibitorias del hipocampo que expresan PV presentan una reducción en la densidad, alteraciones morfológicas y cambios transcripcionales específicos del sexo (incluyendo genes relacionados con el mantenimiento sináptico y axonal) en los ratones APP/Tau, a pesar de la ausencia de acumulación de Aβ y tau en estas células, lo que sugiere que Aβ y tau, expresados en neuronas excitatorias, ejercen efectos no autónomos en las neuronas PV. Finalmente, el análisis de secuenciación de RNA específico de tipo celular nos permitió identificar los distintos programas génicos inducidos por el aprendizaje y la memoria en las neuronas glutamatérgicas (tales como procesamiento de mRNA y transmisión sináptica) e inhibitorias PV (tales como metabolismo de ATP, actividad de canales iónicos y transmisión sináptica) en nuestro modelo. En conclusión, esta tesis doctoral ha estudiado los translatomas de las neuronas excitatorias e inhibitorias del hipocampo en animales machos y hembras en un nuevo modelo de EA que recapitula las patologías de Aβ y tau, revelando, por primera vez, no solo los efectos específicos de cada patología, sino también la influencia del sexo en estas alteraciones específicas de cada tipo celular.

Memory loss is one of the earliest clinical symptoms of Alzheimer's disease (AD), the most common neurodegenerative disease, which is influenced by numerous biological factors, including aging and sex. Pathologically, AD is characterized by the accumulation of β-amyloid (Aβ) peptides into plaques, and intracellular aggregates of hyperphosphorylated tau protein in neurofibrillary tangles (NFTs). Both pathologies are accompanied by synaptic loss, inflammation, and early functional disruptions in excitatory and inhibitory neurons in hippocampal memory circuits. How Aβ and tau differentially affect excitatory and inhibitory hippocampal neurons causing memory deficits during aging and depending or not on sex remains largely unknown. In this doctoral thesis, I studied the effect of early Aβ and tau pathologies on excitatory (CaMKIIα) and inhibitory Parvalbumin (PV) hippocampal neurons in a novel AD mouse model that expresses both mutant human APP and MAPT/Tau genes (APP/Tau mice). The results show that early hippocampal-dependent spatial learning and memory deficits in 6-month-old male and female Tau and APP/Tau mice coincide with hippocampal synaptic tau accumulation, loss of excitatory synaptic integrity, and accumulation of Aβ and tau in hippocampal glutamatergic neurons, but not PV interneurons. Bulk RNA-seq analyses revealed specific downregulation of synaptic genes in the hippocampus of male and female Tau and APP/Tau mice, as well as genotype and sex-dependent changes in gene expression affecting inflammation, autophagy, myelination and neuronal excitability pathways. Cell type-specific mRNA-seq in APP/Tau;RiboTag mice showed transcriptional alterations of metabolic and synaptic genes in hippocampal CaMKIIα+ neurons of APP/Tau mice. Interestingly, hippocampal PV expressing inhibitory neurons undergo sex-specific reduced density, disrupted morphology and transcriptional alterations (including synaptic and axon maintenance related genes) in APP/Tau mice, despite absence of Aβ and tau accumulation in these cells, suggesting that excitatory-expressed Aβ and tau exert cell non-autonomous effects in PV neurons. Finally, cell-type specific RNA-seq allowed us to identify the distinct gene programs induced by learning and memory in glutamatergic (mRNA processing and synaptic transmission) and PV inhibitory (ATP metabolism, ion channel activity synaptic transmission) neurons in our model. In conclusion, this doctoral thesis has studied the translatomes of hippocampal excitatory and inhibitory neurons in male and female animals of a novel AD model that recapitulates Aβ and tau pathologies, unveiling, for the first time, not only the specific effects of each pathology but also the influence of sex on these cell type-specific alterations.