Role of miRNAs and BDNF in the modulation of hippocampal neurons morphology by antidepressants

Abstract

A depressão é uma desordem psiquiátrica que representa uma das maiores causas de incapacidade em todo o Mundo, sendo que é caracterizada pelo enfraquecimento da plasticidade neuronal, anormal rede neuronal e, somente em alguns casos, perda celular. No entanto, o mecanismo pelo qual surgem estas alterações neuronais é ainda desconhecido. Os antidepressivos, largamente usados no tratamento de depressão têm como alvo os sistemas de transmissão de monoaminas, inibindo o reuptake destes neurotransmissores restabelecendo a transmissão monoamínica. Apesar de ser verificado um rápido aumento dos níveis de monoaminas com a administração de antidepressivos, o seu efeito terapêutico apenas se torna visível após um longo período. Estudos recentes demonstraram que os antidepressivos podem aumentar os níveis da neurotrofina BDNF antes de ser verificado um aumento do BDNF mRNA, o que sugere um efeito modulador mediado pelos antideprressivos na tradução de BDNF. Tais resultados originaram a hipótese de trabalho que se assenta na possibilidade de uma acção reguladora dos miRNAs na tradução do BDNF. Posto isto, teve-se como objectivo a avaliação do efeito de miRNAs modulados previamente por medicamentos antidepressivos na morfologia e sobrevivência neuronal, e igualmente na tradução de BDNF. Os nossos resultados sugerem que os mir-302b, mir-214 e mir-136 não levam a alterações da morfologia e sobrevivência de neurónios do hipocampo com a sobre- ou subregulação destes miRNAs. A quantificação dos níveis de expressão de BDNF após modulação com os miRNAs mostrou-se de difícil execução; porém, tendo em conta que um número significativo de miRNAs é validado ou previsto para interagir com o gene de BDNF, principalmente na 3’ UTR, foi avaliado o significado funcional do 3’ UTR nas células neuronais. O truncamento da porção longa da 3’ UTR (long 3’ UTR) resultou numa diminuição do comprimento dendrítico total a 6 e 12 DIV embora nenhuma alteração tenha sido verificada no número de dendrites primárias e secundárias. Para além disso, foi visível uma diminuição do número de espículas “mushroom” em regiões distais de neurónios maduros e uma menor percentagem de colocalização entre PSD-95 e SynI a 6, 9 e 12 DIV. Finalmente, os resultados obtidos mostram que a ausência de transcriptos BDNF com o “long 3’UTR” não têm um pronunciado efeito na forma dos neurónios mas são sim os responsáveis por um défice no comprimento dendrítico total, assim como na maturação sináptica e conectividade. Estas evidências podem ser importantes para entender o papel dos miRNAs na recuperação da depressão. Tendo em conta que não foram observadas alterações morfológicas com um único miRNA pode ser possível que a regulação da tradução de BDNF requira a acção de múltiplos miRNAs na regulação dos dois tipos de transcriptos de BDNF (short 3’ UTR e long 3’ UTR). Esta regulação diferencial pode ser analisada por um controlo detalhado da maturação sináptica e sua actividade em condições fisiológicas e patológicas.

Depression is a mood disorder, which represents one of the major causes of disability of people worldwide. The major features of this disorder are the neuronal plasticity impairment, abnormal neuronal network and in some case a cell loss but the mechanism whereby they occur is still not fully understood. Antidepressant drugs, a common choice for depression treatment, target monoamine neurotransmitters systems decreasing serotonin and norepinephrine reuptake and consequently, promoting the restoring of the monoamine neurotransmission. Although a fast increase in monoamine levels with antidepressant administration, the therapeutic effects takes longer to be visible. Recent studies found that antidepressant drugs can increase the neurotrophin BDNF expression even before the rise of BDNF mRNA transcription, suggesting that they can potentiate postregulation of BDNF. These results have raised the working hypothesis of a role of miRNAs modulated by antidepressants in the BDNF gene regulation. With this purpose, we have evaluated the effect of miRNAs modulated by antidepressant treatment in the neuronal morphology and survival as well as their effect on BDNF expression. Our results suggest that mir-302b, mir-214 and mir-136 do not cause morphological changes in neuronal morphology and survival since the up- or downregulation do not represented a differential morphological behavior. Measurements of BDNF expression levels modulating miRNAs were challenging; however, as many miRNAs are putative or validated targets for BDNF gene, mostly in the 3’UTR, it was evaluated the meaning of the 3’ UTR long for neuronal cells. Truncation of the long 3’ UTR BDNF led to a decrease of the total dendritic length at 6 and 12 DIV although the number of primary and dendrites remained unaltered. Moreover, it was visible a lower number of mushroom spines at distal fields of matured neurons and a lower percentage of colocalization with PDS-95 and Syn I at 6, 9 and 12 DIV. Taken together, the results shows that the absence of BDNF transcripts with the long 3’UTR (BDNFlox mice) do not have major impact on neuronal shape but rather a deficit in the total dendritic length and impairment of the synaptic maturation and connectivity. These evidences may be important to understand the role of the miRNAs on depression´s recovery. Since was not observed a neuronal morphological change acting on single miRNAs it may be possible that the BDNF translational regulation requires multiple miRNAs and translation factors acting in a cooperative but specific manner on the two populations of BDNF (BDNF 3’UTR short, BDNF 3’UTR long). This differential regulation can be underlined by detailed control of the synaptic maturation and activity in physiological and pathological conditions.