Evaluation of the gene expression related to neurodevelopmental processes and neuron-microglia communication in APPNL-F/NL-F genetically engineered mice

Choroba Alzheimera (AD) stanowi wyzwanie zarówno dla starzejącego się społeczeństwa jak też współczesnej medycyny. Zaburzenia behawioralne postępujące wraz z rozwojem choroby są wynikiem utraty neuronów i synaps, głównie na skutek agregacji nieprawidłowo sfałdowanych białek β amyloidu (Aβ). Wraz z odkryciem mutacji genetycznych związanych z chorobą AD, zaczęto tworzyć modele zwierzęce pozwalające jak najwierniej odtworzyć patologię choroby. Myszy transgeniczne APPNL-F/NL-F stanowią unikalny model LOAD (ang. late-onset AD), w którym wykorzystano wprowadzenie dwóch ludzkich mutacji genu App (ang. amyloid precursor protein). Prowadzi to do zwiększonego poziomu Aβ już od wczesnych miesięcy życia zwierząt, natomiast patologiczne złogi Aβ i deficyty behawioralne pojawiają się z opóźnieniem. Stwarza to możliwość na badanie molekularnego podłoża choroby na bardzo wczesnym etapie. W patogenezie AD obserwuje się znaczącą rolę mikrogleju, którego aktywacja wiąże się między innymi z usuwaniem toksycznych złogów Aβ. Jednak nadmierna stymulacja może być przyczyną przedłużonego stanu zapalnego, prowadzącego w konsekwencji do przyspieszenia procesu neurodegeneracyjnego. Do utrzymania homeostazy w układzie nerwowym, w tym kontrolowania aktywności mikrogleju, niezbędna jest odpowiednia komunikacja pomiędzy mikroglejem a neuronami. Odpowiadają, za nią wyspecjalizowane układy białkowe ligand-receptor, wśród nich zwłaszcza CD200-CD200R oraz CX3CL1-CX3CR1. Obie osie mają udział w utrzymaniu homeostazy w mózgu, regulacji procesów neurorozwojowych a także odpowiadają za prawidłową odpowiedź zapalną, natomiast ich dysfunkcja może prowadzić do zaburzenia funkcjonowania układu nerwowego. Dotychczas nie badano biologicznego znaczenia tych układów w patogenezie AD. Dlatego celem niniejszej pracy licencjackiej była zależna od wieku, porównawcza ocena ekspresję genów Cd200-Cd200r oraz Cx3cl1-Cx3cr1 w korze czołowej i hipokampie myszy kontrolnych oraz w modelu APPNL-F/NL-F. Analizę tą przeprowadzono z użyciem techniki łańcuchowej reakcji polimerazy w czasie rzeczywistym. Wykazano istotny wpływ mutacji na profil ekspresji genów zaangażowanych w komunikację neuronalno-mikroglejową w zależności od badanej struktury mózgu i wieku zwierząt. Zmiany w ekspresji mogą mieć istotne znaczenie w patologii AD ze względu na występowanie na wczesnym etapie rozwoju zwierząt, w okresie nasilonej aktywacji mikrogleju, a przed wystąpieniem objawów klinicznych. Wydaje się zatem, że badanie mechanizmów dysfunkcji tych układów regulacyjnych w fazie przedklinicznej, może być istotnym elementem w opracowywaniu terapii i/lub prewencji AD.

Alzheimer's disease (AD) is a challenge for both the aging population and modern medicine. The behavioral disorders that progress with the disease result from the loss of neurons and synapses, mainly due to the aggregation of abnormally folded β amyloid (Aβ) proteins. With the discovery of genetic mutations associated with AD, animal models began to be created to replicate the disease pathology as closely as possible. APPNL-F/NL-F transgenic mice represent a unique late-onset AD (LOAD) model, which takes advantage of the introduction of two human mutations in the App (amyloid precursor protein) gene. This leads to increased Aβ levels from the early months of the animals' lives, while pathological Aβ deposits and behavioral deficits appear late. This provides an opportunity to study the molecular basis of the disease at a very early stage. In the pathogenesis of AD, a significant role is observed for microglia, whose activation is associated, among other things, with the removal of toxic Aβ deposits. However, over-stimulation can cause prolonged inflammation, consequently leading to the acceleration of the neurodegenerative process. In order to maintain homeostasis in the nervous system, including control of microglia activity, proper communication between microglia and neurons is essential. Responsible for it, are specialized ligand-receptor protein systems, among them especially CD200-CD200R and CX3CL1-CX3CR1. Both axes are involved in maintaining homeostasis in the brain, regulating neurodevelopmental processes and are also responsible for the normal inflammatory response, while their dysfunction can lead to nervous system disruption. To date, the biological significance of these systems in the pathogenesis of AD has not been studied. Therefore, the aim of this study was an age-dependent, comparative evaluation of Cd200-Cd200r and Cx3cl1-Cx3cr1 gene expression in the frontal cortex and hippocampus of control mice and in the APPNL-F/NL-F model. This analysis was performed using the real-time polymerase chain reaction technique. Significant effects of mutations on the expression profile of genes involved in neuronal-microglia communication were demonstrated, depending on the brain structure studied and the age of the animals. Changes in expression may be important in AD pathology due to their occurrence early in animal development, during a period of increased microglia activation, and before the onset of clinical symptoms. Thus, it seems that studying the dysfunction of mechanism of these regulatory systems in the preclinical phase, may be an important element in developing AD therapy and/or prevention.