Synaptic and circuitry mechanisms of basal ganglia dysfunction in compulsive and repetitive behavior

Abstract

As doenças neuropsiquiátricas abrangem um largo espectro de distúrbios comportamentais, incluindo auto-flagelação, défices cognitivos, problemas de interacção social e emocional, entre outros. Dada a ausência de biomarcadores concretos e a sobreposição de sintomas comportamentais, o diagnóstico das doenças neuropsiquiátricas é por vezes efectuado por exclusão relativamente a outras causas subjacentes. Estudos genómicos em larga escala revelaram uma sobreposição de genes e vias de sinalização envolvidas em diferentes transtornos neuropsiquiátricos. Proteínas relacionadas com a sinaptogénese ou com a transmissão sináptica excitatória/inibitória, parecem estar implicadas, assim como os circuitos córtico-estriado-tálamo-corticais (CETC). Hipóteses recentes sugerem que uma disfunção estriatal possa estar na génese de padrões repetitivos e estereotipados de comportamento associados a doenças neuropsiquiátricas, tais como a Perturbação Obsessiva-Compulsiva (POC) e as Perturbações do Espectro Autista (PEA). As PEA afectam uma em cada 68 crianças nos Estados Unidos e são caracterizadas clinicamente por dificuldades ao nível da socialização e a pela existência de interesses repetitivos/estereótipados. A Perturbação Obsessiva-Compulsiva (POC) afecta 2-3% da população mundial e é caracterizada pela manifestação de preocupações excessivas (obsessões) associadas a rituais específicos (compulsões). Aproximadamente 30-40% dos doentes com PEA apresentam comorbidade com POC, sugerindo alguma sobreposição ao nível dos circuitos neuronais envolvidos. O gene Shank3, um dos principais candidatos em PEA que contribui possivelmente para ~1% de todos os casos, encontra-se enriquecido em sinapses cortico-estriatais glutamatérgicas e interage directamente com proteínas da família SAPAP. Ao nível das sinapses glutamatérgicas cortico-estriatais, as proteínas SAPAP3 e SHANK3 apresentam um padrão de expressão único, sendo os únicos membros das respectivas famílias proteicas enriquecidos nesta localização. A delecção do gene Sapap3 em murganhos resulta em comportamentos semelhantes a POC e a delecção do gene Shank3 resulta em lesões devido a grooming repetitivo e problemas de interacção social, assemelhando-se aos comportamentos observados em PEA. O trabalho experimental descrito nesta tese aprofunda o conhecimento relacionado com as bases neurais (e genéticas) do comportamento compulsivo e da ansiedade, utilizando murganhos Sapap3 e Shank3-KO como modelos de comportamento animal semelhante a POC e PEA. Os resultados sugerem que uma insuficiência de inibição estriatal pode causar uma hiperactividade do estriado nos murganhos Sapap3-KO, conduzindo a grooming excessivo. Demonstra-se que os interneurónios do estriado que expressam parvalbumina são necessários para o estabelecimento de hábitos nos murganhos WT, indicando-os como elementos-chave do perfil comportamental determinado pelo estriado. No trabalho descrito nesta tese foram também utilizados murganhos Shank3-cKI para demonstrar que o grooming patológico e problemas de interacção social, mas não a ansiedade, podem ser revertidos no estado adulto. Isto corrobora a hipótese de que diferentes dimensões sintomatológicas podem não só estar associadas com substratos neuronais distintos, como também ser independentes entre si. O trabalho realizado permitiu também observar que duas linhas distintas de murganhos transgénicos, contendo mutações associadas a PEA e esquizofrenia no exão 21 do gene Shank3, apresentam défices distintos e outros partilhados entre elas. Este estudo ilustra ao nível molecular, sináptico, bem como ao nível de circuitos neuronais e comportamental, como diferentes mutações no gene Shank3 podem contribuir para sintomas distintos e perturbações associadas. Embora os murganhos Sapap3- e Shank3-KO apresentem um fenótipo de lesões devido a grooming repetitivo com origem biológica distinta, ambos os genes partilham um padrão de expressão elevado ao nível cortico-estriatal. Relativamente à patologia humana, propomos que um comportamento patológico em comum possa na verdade emergir de diferentes perturbações afectando os mesmo circuitos neuronais. Estes resultados ilustram também a forma como uma disrupção de proteínas com uma função sináptica pode afectar os circuitos neuronais e ao mesmo tempo promover a descoberta de elos importantes na compreensão de doenças neuropsiquiátricas.

Neuropsychiatric disorders encompass a wide range of diseases that manifest as one or many altered behaviors, including but not limited to self-injurious behavior, impaired social-emotional communication and cognitive deficits. Due to the lack of biomarkers and overlapping behavioral symptoms, diagnosis of neuropsychiatric disorders sometimes relies on exclusion of other underlying conditions. Current data from large scale genomic studies, suggests overlapping genes and pathways for different neuropsychiatric disorders. Proteins that play a role in synaptogenesis or excitatory/inhibitory synaptic transmission are implicated as well as cortico-striato-thalamocortical circuits (CSTC). In recent years striatal dysfunction has been hypothesized in repetitive and stereotyped behaviors associated with neuropsychiatric disorders, such as obsessive compulsive disorder (OCD) and autism spectrum disorders (ASD). Autism spectrum disorders (ASD) are clinically defined by the symptoms of social impairment and repetitive behavior/restricted interests, affecting 1 in 68 children in the United States. OCD (Obsessive Compulsive Disorder) affects 2-3% of the worldwide population and is characterized by excessive preoccupations (obsessions) associated to specific rituals (compulsions). Approximately 30-40% ASD patients have comorbidity with OCD, suggesting some degree of overlapping circuitry. Shank3, one of the most prominent ASD genes that is estimated to contribute to ~1% of all ASD cases, is enriched at corticostriatal glutamatergic synapses and directly interacts with SAPAP protein-family. At corticostriatal glutamatergic synapses SAPAP3 and SHANK3 proteins show a unique expression pattern, being the only members of their protein-family highly enriched at this location. Deletion of the Sapap3 gene in mice leads to striking OCD-like behavior and mice with Shank3 deletion exhibit self-injurious repetitive grooming and social interaction deficits, reminiscent of autistic-like behaviors. Experimental work described on this thesis deepens our knowledge on the neural (and genetic) basis of compulsive behavior and anxiety, using Sapap3 and Shank3-KO mice as animal models of OCD and ASD-like behaviors. Results suggest that insufficient striatal inhibition might be causing striatum hyperactivity in the Sapap3-KO mice and leading to repetitive overgrooming. Parvalbumin interneurons within the striatum are shown to be required for proper habit formation in WT mice, implicating them as key players in determining striatum behavioral output. Experimental work described on this thesis also takes advantage of a Shank3 cKI mouse to show that pathological grooming and social interaction deficits can be reversed in adulthood, but not anxiety. This supports the idea that different symptom dimensions might be associated with distinct neural substrates and might be independent of one another. Further experimental work shows that two mutant mice lines carrying exon 21 Shank3 mutations linked to ASD and schizophrenia, display both shared and distinct defects. This study provides an explanation at the molecular, synaptic, circuit and behavioral level, on how different mutations in the Shank3 gene may contribute to different symptoms and hence disorders. Although Sapap3- and Shank3-KO mice have self-injurious grooming phenotypes that are unique in their biological origins, both genes share an enriched corticostriatal expression. In regards to human pathology, we suggest that a commonly shared pathological behavior, compulsivity, may arise from different causal insults that impact the same brain circuits. Moreover these results illustrate how disruption of scaffolding proteins can affect brain circuitry and are able to provide insightful links to neuropsychiatric disorders.