Плотность нейронов в коре головного мозга и гиппокампе мышей линии Clsnt2-KO – модели расстройств аутистического спектра

Расстройства аутистического спектра (РАС) – это группа состояний, возникающих в детском возрасте, для которых характерны трудности с социальным взаимодействием и общением, a также нетипичные модели поведения и склонность к стереотипии. Механизмы возникновения этой группы расстройств до сих пор не вполне понятны, и, следовательно, отсутствуют соответствующие методы профилактики. Целью исследования была оценка плотности нейронов в медиальной префронтальной коре и четырех областях гиппокампа, а именно СA1, СA2, СA3 и зубчатой извилины (DG) у мышей линии Clstn2-KO, которая может выступать в качестве генетической модели РАС. Кроме того, охарактеризовали уровень нейрогенеза в области DG гиппокампа. Данная линия получена путем нокаута гена кальсинтенина-2 (Clstn2) на основе мышей линии С57BL/6J; последняя была использована в настоящем исследовании в качестве контроля. Для определения плотности нейронов изготавливали серийные срезы соответствующих областей мозга на криотоме с последующим иммуногистохимическим окрашиванием и конфокальной микроскопией, для чего использовали нейрональный маркер (anti-NeuN) в качестве первичного антитела. Наряду с этим в области DG гиппокампа оценивали нейрогенез, для чего проводили иммуногистохимическое окрашивание с применением антитела против даблкортина (anti-DCX). В обоих случаях в качестве вторичного антитела был Goat anti-rabbit IgG. Плотность нейронов в области гиппокампа СА1 была снижена как у самцов, так и самок мышей Clstn2-KO по сравнению с контролем; у самцов обеих линий плотность нейронов была ниже в этой области по сравнению с самками. Помимо этого, были обнаружены различия между самцами и самками в двух других областях гиппокампа: в области CA2 – у мышей обеих исследованных линий, а в области CA3 лишь у мышей C57BL/6J плотность нейронов была меньше у самцов по сравнению с самками. Различий между исследованными группами в уровне нейрогенеза, а также в плотности нейронов в префронтальной коре и области DG гиппокампа не обнаружено. Полученные результаты показывают, что нокаут по гену Clstn2 приводит к избирательному снижению плотности нейронов в области CA1 гиппокампа, что может представлять собой клеточную мишень для ранней профилактики и возможной терапии РАС.

1. Bakkaloglu B., O’Roak B.J., Louvi A., Gupta A.R., Abelson J.F., Morgan T.M., Chawarska K., Klin A., Ercan-Sencicek A.G., Stillman A.A., Tanriover G., Abrahams B.S., Duvall J.A., Robbins E.M., Geschwind D.H., Biederer T., Gunel M., Lifton R.P., State M.W. Molecular cytogenetic analysis and resequencing of contactin associated protein-like 2 in autism spectrum disorders. Am. J. Hum. Genet. 2008;82:165-173. DOI 10.1016/j.ajhg.2007.09.017.

2. Bauman M.L., Kemper T.L. Neuroanatomic observations of the brain in autism: a review and future directions. Int. J. Dev. Neurosci. 2005; 23:183-187. DOI 10.1016/j.ijdevneu.2004.09.006.

3. Bourgeron T. From the genetic architecture to synaptic plasticity in autism spectrum disorder. Nat. Rev. Neurosci. 2015;16:551-563. DOI 10.1038/nrn3992.

4. Braden B.B., Smith C.J., Thompson A., Glaspy T.K., Wood E., Vatsa D., Abbott A.E., McGee S.C., Baxter L.C. Executive function and functional and structural brain differences in middle-age adults with autism spectrum disorder. Autism Res. 2017;10:1945-1959. DOI 10.1002/aur.1842.

5. Coras R., Pauli E., Li J., Schwarz M., Rossler K., Buchfelder M., Hamer H., Stefan H., Blumcke I. Differential influence of hippocampal subfields to memory formation: insights from patients with temporal lobe epilepsy. Brain. 2014;137:1945-1957. DOI 10.1093/brain/awu100.

6. Courchesne E., Mouton P.R., Calhoun M.E., Semendeferi K., AhrensBarbeau C., Hallet M.J., Barnes C.C., Pierce K. Neuron number and size in prefrontal cortex of children with autism. JAMA. 2011; 306(18):2001-2010. DOI 10.1001/jama.2011.1638.

7. Fombonne E. Epidemiological surveys of autism and other pervasive developmental disorders: an update. J. Autism Dev. Disord. 2003; 33(4):365-382. DOI 10.1023/a:1025054610557.

8. Gilbert J., Man H.-Y. Fundamental elements in autism: from neurogenesis and neurite growth to synaptic plasticity. Front. Cell. Neurosci. 2017;11:359. DOI 10.3389/fncel.2017.00359.

9. Greco C.M., Navarro C.S., Hunsaker M.R., Maezawa I., Shuler J.F., Tassone F., Delany M., Au J.W., Berman R.F., Jin L.W., Schumann C., Hagerman P.J., Hagerman R.J. Neuropathologic features in the hippocampus and cerebellum of three older men with fragile X syndrome. Mol. Autism. 2011;2(1):2. DOI 10.1186/2040-2392-2-2.

10. Guo Y.P., Commons K.G. Serotonin neuron abnormalities in the BTBR mouse model of autism. Autism Res. 2017;10(1):66-77. DOI 10.1002/aur.1665.

11. Hintsch G., Zurlinden A., Meskenaite V., Steuble M., Fink-Widmer K., Kinter J., Sonderegger P. The calsyntenins – a family of postsynaptic membrane proteins with distinct neuronal expression patterns. Mol. Cell. Neurosci. 2002;21:393-409. DOI 10.1006/mcne.2002.1181.

12. Hitti F.L., Siegelbaum S.A. The hippocampal CA2 region is essential for social memory. Nature. 2014;508:88-92. DOI 10.1038/nature13028.

13. Kennedy A.J., Rahn E.J., Paulukaitis B.S., Savell K.S., Kordasiewicz H.B., Wang J., Lewis J.W., Posey J., Strange S.K., GuzmanKarlsson M.C., Phillips S.E., Decker K., Motley S.T., Swayze E.E., Ecker D.J., Michael T.P., Day J.J., Sweatt J.D. Tcf4 regulates synaptic plasticity, DNA methylation, and memory function. Cell Rep. 2016;16:2666-2685. DOI 10.1016/j.celrep.2016.08.004.

14. Kim G.H., Lee J.H., Seo S.W., Kim J.H., Seong J.K., Ye B.S., Cho H., Noh Y., Kim H.J., Yoon C.W., Oh S.J., Kim J.S., Choe Y.S., Lee K.H., Kim S.T., Hwang J.W., Jeong J.H., Na D.L. Hippocampal volume and shape in pure subcortical vascular dementia. Neurobiol. Aging. 2015;36:485-491. DOI 10.1016/j.neurobiolaging.2014.08.009.

15. Klenova A.V., Volodin I.A., Volodina E.V., Ranneva S.V., Amstislavskaya T.G., Lipina T.V. Vocal and physical phenotypes of calsyntenin2 knockout mouse pups model early-life symptoms of the autism spectrum disorder. Behav. Brain Res. 2021;412:113430. DOI 10.1016/j.bbr.2021.113430.

16. Lawrence Y.A., Kemper T.L., Bauman M.L., Blatt G.J. Parvalbumin-, calbindin-, and calretinin-immunoreactive hippocampal interneuron density in autism. Acta Neurol. Scand. 2010;121(2):99-108. DOI 10.1111/j.1600-0404.2009.01234.x.

17. Lipina T.V., Prasad T., Yokomaku D., Luo L., Connor S.A., Kawabe H., Wang Y.T., Brose N., Roder J.C., Craig A.M. Cognitive deficits in calsyntenin-2-deficient mice associated with reduced GABAergic transmission. Neuropsychopharmacology. 2016;41:802-810. DOI 10.1038/npp.2015.206.

18. McTighe S.M., Neal S.J., Lin Q., Hughes Z.A., Smith D.G. The BTBR mouse model of autism spectrum disorders has learning and attentional impairments and alterations in acetylcholine and kynurenic acid in prefrontal cortex. PLoS One. 2013;8(4):e62189. DOI 10.1371/journal.pone.0062189.

19. Moessner R., Marshall C.R., Sutcliffe J.S., Skaug J., Pinto D., Vincent J., Zwaigenbaum L., Fernandez B., Roberts W., Szatmari P., Scherer S.W. Contribution of SHANK3 mutations to autism spectrum disorder. Am. J. Hum. Genet. 2007;81:1289-1297. DOI 10.1086/522590.

20. Morrow E.M., Yoo S.Y., Flavell S.W., Kim T.K., Lin Y., Hill R.S., Mukaddes N.M., Balkhy S., Gascon G., Hashmi A., Al-Saad S., Ware J., Joseph R.M., Greenblatt R., Gleason D., Ertelt J.A., Apse K.A., Bodell A., Partlow J.N., Barry B., Yao H., Markianos K., Ferland R.J., Greenberg M.E., Walsh C.A. Identifying autism loci andgenes by tracing recent shared ancestry. Science. 2008;321:218-223. DOI 10.1126/science.1157657.

21. Navratilova Z., Battaglia F.P. CA2: it’s about time – and episodes. Neuron. 2015;85:8-10. DOI 10.1016/j.neuron.2014.12.044.

22. Newmark R.E., Schon K., Ross R.S., Stern C.E. Contributions of the hippocampal subfields and entorhinal cortex to disambiguation during working memory. Hippocampus. 2013;23:467-475. DOI 10.1002/hipo.22106.

23. Ranneva S.V., Maksimov V.F., Korostyshevskaja I.M., Lipina T.V. Lack of synaptic protein, calsyntenin-2, impairs morphology of synaptic complexes in mice. Synapse. 2020;74:e22132. DOI 10.1002/syn.22132.

24. Ranneva S.V., Pavlov K.S., Gromova A.V., Amstislavskaya T.G., Lipina T.V. Features of emotional and social behavioral phenotypes of calsyntenin2 knockout mice. Behav. Brain Res. 2017;332:343-354. DOI 10.1016/j.bbr.2017.06.029.

25. Sawicka K., Hale C.R., Park C.Y., Fak J.J., Gresack J.E. FMRP has a cell-type-specific role in CA1 pyramidal neurons to regulate autismrelated transcripts and circadian memory. Elife. 2019;8:e46919. DOI 10.7554/eLife.46919.

26. Schoenfeld T.J., Cameron H.A. Adult neurogenesis and mental illness. Neuropsychopharmacology. 2015;40:113-128. DOI 10.1038/npp.2014.230.

27. Stephenson D.T., O’Neill S.M., Narayan S., Tiwari A., Arnold E., Samaroo H.D., Du F., Ring R.H., Campbell B., Pletcher M., Vaidya V.A., Morton D. Histopathologic characterization of the BTBR mouse model of autistic-like behavior reveals selective changes in neurodevelopmental proteins and adult hippocampal neurogenesis. Mol. Autism. 2011;2(1):7. DOI 10.1186/2040-2392-2-7.

28. Sussman D., Leung R.C., Vogan V.M., Lee W., Trelle S., Lin S., Cassel D.B., Chakravarty M.M., Lerch J.P., Anagnostou E., Taylor M.J. The autism puzzle: Diffuse but not pervasive neuroanatomical abnormalities in children with ASD. Neuroimage Clin. 2015;8:170- 179. DOI 10.1016/j.nicl.2015.04.008.

29. Thompson P.M., Hayashi K.M., De Zubicaray G.I., Janke A.L., Rose S.E., Semple J., Hong M.S., Herman D.H., Gravano D., Doddrell D.M., Toga A.W. Mapping hippocampal and ventricular change in Alzheimer disease. Neuroimage. 2004;22(4):1754-1766. DOI 10.1016/j.neuroimage.2004.03.040.

30. Uppal N., Puri R., Yuk F., Janssen W.G.M., Bozdagi-Gunal O., HaronyNicolas H., Dickstein D.L., Buxbaum J.D., Hof P.R. Ultrastructural analyses in the hippocampus CA1 field in Shank3-deficient mice. Mol. Autism. 2015;6:41. DOI 10.1186/s13229-015-0036-x.

31. Varghese M., Keshav N., Jacot-Descombes S., Warda T., Wicinski B., Dickstein D.L., Harony-Nicolas H., De Rubeis S., Drapeau E., Buxbaum J.D., Hof P.R. Autism spectrum disorder: neuropathology and animal models. Acta Neuropathol. 2017;134(4):537-566. DOI 10.1007/s00401-017-1736-4.

32. Waye M.M.Y., Cheng H.Y. Genetics and epigenetics of autism: a review. Psych. Clinic. Neurosci. 2017;72:228-244. DOI 10.1111/pcn.12606.

33. Yip J., Soghomonian J.J., Blatt G.J. Decreased GAD65 mRNA levels in select subpopulations of neurons in the cerebellar dentate nuclei in autism: an in situ hybridization study. Autism Res. 2009;2:50-59. DOI 10.1002/aur.62.

34. Zhang Q., Wu H., Zou M., Li L., Li Q., Sun C., Xia W., Cao Y., Wu L. Folic acid improves abnormal behavior via mitigation of oxidative stress, inflammation, and ferroptosis in the BTBR T+ tf/J mouse model of autism. J. Nutr. Biochem. 2019;71:98-109. DOI 10.1016/j.jnutbio.2019.05.002.