Addressing cerebellum defects in a mouse model of schizophrenia harboring a human mutation in the CACNG2 gene encoding stargazin

Abstract

Nos últimos anos foi estabelecido que o cerebelo, para além de regular o comportamento motor, desempenha um papel crucial na função cognitiva e no comportamento social. Esta noção transformou a ideia pré-existente da função do cerebelo em distúrbios do neurodesenvolvimento, como transtornos do espetro do autismo, défice intelectual e esquizofrenia. Estudos recentes mostram que alterações na conectividade entre o cerebelo e áreas corticais estão presentes em doentes esquizofrénicos. Paralelamente, estas alterações correlacionam com défices sociais e psicose nestes doentes. Também foi demonstrado que alterações morfológicas no cerebelo, como a redução do número de células de Purkinje (PCs), que são os únicos neurónios que transmitem informação para fora do córtex cerebelar, são características robustas observadas em doentes neuropsiquiátricos. No entanto, apesar destas evidências, os defeitos cerebelares e alterações nos respetivos circuitos que resultam em défices cognitivos e anomalias no comportamento social não são totalmente compreendidos.Este projeto teve como objetivo estudar defeitos cerebelares num modelo de animal que possui uma mutação humana no gene CACNG2, identificada num doente diagnosticado com esquizofrenia. A stargazina, codificada pelo gene CACNG2, é uma proteína sináptica, altamente expressa no cerebelo, que desempenha funções não redundantes no tráfego de recetores α-amino-3-hidroxi-5-metil-4-isoxazolpropiónicos (AMPAR) para a sinapse. Variantes do gene CACNG2 foram descritas em doentes com epilepsia, défice intelectual e esquizofrenia. Adicionalmente, ratinhos com uma mutação na stargazin, associada a défice intelectual apresentam comportamento cognitivo e social alterado, bem como aprendizagem motora comprometida. Por este motivo, neste projeto propusemo-nos não só a analisar o comportamento social e o filtro sensório-motor em ratinhos “knock-in” que expressam a variante da stargazina associada a esquizofrenia (STGSN-KI), como também avaliar alterações na excitabilidade e morfologia neuronal do cerebelo.A caracterização do comportamento nestes animais revelou que os mesmos têm comportamentos depressivos, bem como um aumento da frequência do reflexo acústico e diminuição da inibição pré-pulso. Além disso, foi observado um aumento da agressividade e comportamentos repetitivos em ratinhos STGSN-KI. No geral, estes resultados indicam que o modelo STGSN-KI recapitula o fenótipo observado em pacientes esquizofrénicos e noutros modelos animais de esquizofrenia. A expressão de stargazina mutante leva também a alterações no padrão intrínseco de disparo das células de Purkinje na região Crus I do cerebelo de ratinhos STGSN-KI, comparativamente com animais controlo. Adicionalmente, as células de Purkinje destes animais revelaram maior excitabilidade neuronal. Em suma, este trabalho revelou traços comportamentais específicos alterados no modelo de animal STGSN-KI e desvendou alguns dos défices de excitabilidade neuronal em células de Purkinje na região Crus I do cerebelo, que talvez contribuam para as anomalias observadas no comportamento destes animais.

In recent years, it has been established that, besides controlling motor behaviour, the cerebellum plays a crucial role in cognitive function and social behaviour. This has transformed our understanding of its role in neurodevelopmental disorders such as autism spectrum disorders, intellectual disability, and schizophrenia. Recent studies show that connectivity alterations between cerebellar and cortical areas are present in schizophrenia patients. Moreover, these alterations correlate with social deficits and psychosis in these patients. Additionally, morphologic changes in the cerebellum, such as a reduction in the number of Purkinje cells (PCs), which are the only output neurons of the cerebellar cortex, have emerged as a robust trait observed in neuropsychiatric patients. However, despite these findings, the precise cerebellar defects and circuit alterations that result in cognitive impairment and social behaviour abnormalities remain poorly understood. This project aimed to study cerebellar defects in a mouse model harbouring a human mutation in the CACNG2 gene, which was identified in association with schizophrenia. Stargazin, the CACNG2-encoded protein, is a synaptic protein highly expressed in the cerebellum, where it plays non-redundant functions in targeting α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid receptors (AMPAR) to the synapse. Variants of the CACNG2 gene have been described in epilepsy, intellectual disability, and schizophrenia patients. Furthermore, knock-in mice harbouring a stargazin mutation associated with intellectual disability show abnormal cognitive and social behaviours, as well as impaired motor learning. Here, we aimed to assess social behaviour and sensorimotor gating in knock-in mice expressing a schizophrenia-associated variant of stargazin (STGSN-KI mice), as well as to evaluate cerebellar neuronal morphology and excitability. Behavioural characterization revealed that STGSN-KI mice show depressive-like behaviour, increased acoustic startle reflex and deficits in prepulse inhibition of the acoustic startle. Furthermore, an increase of aggressiveness and repetitive behaviour was found in STGSN-KI mice. Overall, despite the low sample size, these results indicate that STGSN-KI mice recapitulate phenotypes observed in schizophrenia patients and other animal models of schizophrenia. Expression of mutant stargazin led to changes in the intrinsic pattern of firing of Purkinje cells in the Crus I region of the cerebellum of STGSN-KI mice, compared to wild-type animals. In addition, Purkinje cells from STGSN-KI mice showed higher excitability. Altogether, this work unveiled specific behavioural features altered in STGSN-KI mice, and shed light into the excitability deficits in Crus I Purkinje cells that might contribute to the behavioural abnormalities in these animals.