БИОХИМИЯ, 2022, том 87, вып. 10, с. 1514–1528

УДК 577.25

Влияние нокдауна Cc2d1a/Freud‑1 в гиппокампе у мышей линии BTBR на аутистически-подобное поведение, серотониновые 5‑НТ и дофаминовые D2‑рецепторы, и на внутриклеточные сигнальные пути CREB и NF‑κB

© 2022 И.И. Белокопытова, Е.М. Кондаурова, Е.А. Куликова, Т.В. Ильчибаева, В.С. Науменко *naumenko2002@mail.ru, Н.К. Попова

ФИЦ «Институт цитологии и генетики СО РАН», 630090 Новосибирск, Россия

Поступила в редакцию 24.06.2022
После доработки 29.07.2022
Принята к публикации 24.08.2022

DOI: 10.31857/S0320972522100165

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: нокдаун Cc2d1a/Freud‑1, 5‑HT1A серотониновый рецептор, D2 дофаминовый рецептор, CREB, NF‑κB, мыши BTBR, аутистически-подобное поведение.

Аннотация

Механизмы возникновения аутизма вызывают чрезвычайный интерес в связи с его высокой распространённостью в человеческой популяции. В этом контексте привлекает внимание транскрипционный фактор Freud‑1 (кодируется геном Cc2d1a), который регулирует множество внутриклеточных сигнальных путей, является сайленсером 5‑HT1A серотониновых и D2 дофаминовых рецепторов. Нарушение функции Freud‑1 приводит к развитию различных психопатологий. В данной работе мы обнаружили повышение экспрессии гена Cc2d1a/Freud‑1 в гиппокампе моделирующих аутистически-подобное поведение мышей линии BTBR по сравнению с мышами линии C57Bl/6J и исследовали как влияет нормализация экспрессии гена Cc2d1a/Freud‑1 в гиппокампе мышей BTBR на поведение, 5‑HT1A– и D2‑рецепторы и внутриклеточные сигнальные пути Creb и NF‑κB. Через 5 недель после введения мышам BTBR аденоассоциированного вирусного вектора (AAV), несущего плазмиду pAAV_H1-2_shRNA-Freud-1_Syn_EGFP, кодирующую малую, образующую шпильку РНК, подавляющую экспрессию гена Cc2d1a/Freud‑1 как на уровне мРНК, так и на уровне белка, было обнаружено усиление тревожности и увеличение времени нахождения платформы и времени, необходимого для преодоления расстояния до платформы, в водном лабиринте Морриса, что, вероятно, связано с усилением стратегии активного избегания стресса. Однако нокдаун Cc2d1a/Freud‑1 не повлиял на пространственную память и фосфорилирование транскрипционного фактора CREB, хотя такой эффект был обнаружен в нашей предыдущей работе на мышах линии C57Bl/6J. Эти результаты позволяют предположить, что у мышей линии BTBR нарушен CREB-зависимый эффекторный путь, что может играть важную роль в формировании аутистически-подобного фенотипа. Нокдаун Cc2d1a/Freud‑1 в гиппокампе мышей BTBR не повлиял ни на экспрессию 5‑HT1A– и D2‑рецепторов, ни на экспрессию ключевых генов NF‑κB сигнального пути (Nfkb1 и Rela). Полученные нами данные позволяют заключить, что транскрипционный фактор Freud‑1 играет существенную роль в патогенезе тревожности и активного избегания стресса при аутизме.

Сноски

* Адресат для корреспонденции.

Финансирование

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-15-00028). Содержание животных осуществлялось за счёт средств бюджетного проекта FWNR-2022-0023.

Благодарности

Исследование выполнено на базе Центра генетических ресурсов лабораторных животных ФНИЦ «Институт цитологии и генетики» СО РАН (RFMEFI62119X0023).

Вклад авторов

В.С. Науменко, Н.К. Попова, Е.М. Кондаурова – концепция и руководство работой; Е.А. Куликова, Т.В. Ильчибаева, В.С. Науменко, И.И. Белокопытова – проведение экспериментов; В.С. Науменко, Е.М. Кондаурова – обсуждение результатов исследования; И.И. Белокопытова, В.С. Науменко – написание текста; В.С. Науменко, Н.К. Попова, Е.М. Кондаурова – редактирование текста статьи.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Соблюдение этических норм

Все процедуры с экспериментальными животными выполнялись в соответствии с международными правилами обращения с животными (Directive 2010/63/EU ЕС) и Приказом Министерства здравоохранения Российской Федерации от 01.04.2016 № 199н «Об утверждении Правил надлежащей лабораторной практики» (зарегистрирован 15.08.2016 № 43232).

Список литературы

1. Christensen, D. L., Baio, J., Van Naarden Braun, K., Bilder, D., Charles, J., et al. (2016) Prevalence and characteristics of autism spectrum disorder among children aged 8 years – autism and developmental disabilities monitoring network, 11 Sites, United States, 2012, Morbid. Mortal. Weekly Rep. Surveill. Summaries, 65, 1-23, doi: 10.15585/mmwr.ss6503a1.

2. Alexander, A. L., Lee, J. E., Lazar, M., Boudos, R., DuBray, M. B., et al. (2007) Diffusion tensor imaging of the corpus callosum in autism, NeuroImage, 34, 61-73, doi: 10.1016/j.neuroimage.2006.08.032.

3. Ecker, C., Suckling, J., Deoni, S. C., Lombardo, M. V., Bullmore, E. T., et al. (2012) Brain anatomy and its relationship to behavior in adults with autism spectrum disorder: a multicenter magnetic resonance imaging study, Arch. Gen. Psychiatry, 69, 195-209, doi: 10.1001/archgenpsychiatry.2011.1251.

4. Hoischen, A., Krumm, N., and Eichler, E. E. (2014) Prioritization of neurodevelopmental disease genes by discovery of new mutations, Nat. Neurosci., 17, 764-772, doi: 10.1038/nn.3703.

5. Lainhart, J. E. (2006) Advances in autism neuroimaging research for the clinician and geneticist, Am. J. Med. Genet. C Semin. Med. Genet., 142C, 33-39, doi: 10.1002/ajmg.c.30080.

6. Basel-Vanagaite, L., Attia, R., Yahav, M., Ferland, R. J., Anteki, L., et al. (2006) The CC2D1A, a member of a new gene family with C2 domains, is involved in autosomal recessive non-syndromic mental retardation, J. Med. Genet., 43, 203-210, doi: 10.1136/jmg.2005.035709.

7. Nakamura, A., Naito, M., Tsuruo, T., and Fujita, N. (2008) Freud-1/Aki1, a novel PDK1-interacting protein, functions as a scaffold to activate the PDK1/Akt pathway in epidermal growth factor signaling, Mol. Cell. Biol., 28, 5996-6009, doi: 10.1128/MCB.00114-08.

8. Zamarbide, M., Mossa, A., Munoz-Llancao, P., Wilkinson, M. K., Pond, H. L., et al. (2019) Male-specific cAMP signaling in the hippocampus controls spatial memory deficits in a mouse model of autism and intellectual disability, Biol. Psychiatry, 85, 760-768, doi: 10.1016/j.biopsych.2018.12.013.

9. Oeckinghaus, A., and Ghosh, S. (2009) The NF-kappaB family of transcription factors and its regulation, Cold Spring Harb. Perspect. Biol., 1, a000034, doi: 10.1101/cshperspect.a000034.

10. Liao, X., and Li, Y. (2020) Nuclear factor kappa B in autism spectrum disorder: a systematic review, Pharmacol. Res., 159, 104918, doi: 10.1016/j.phrs.2020.104918.

11. El-Ansary, A., and Al-Ayadhi, L. (2012) Neuroinflammation in autism spectrum disorders, J. Neuroinflamm., 9, 265, doi: 10.1186/1742-2094-9-265.

12. Matta, S. M., Hill-Yardin, E. L., and Crack, P. J. (2019) The influence of neuroinflammation in autism spectrum disorder, Brain Behav. Immun., 79, 75-90, doi: 10.1016/j.bbi.2019.04.037.

13. Theoharides, T. C., Asadi, S., and Patel, A. B. (2013) Focal brain inflammation and autism, J. Neuroinflamm., 10, 815, doi: 10.1186/1742-2094-10-46.

14. Young, A. M., Chakrabarti, B., Roberts, D., Lai, M. C., Suckling, J., et al. (2016) From molecules to neural morphology: understanding neuroinflammation in autism spectrum condition, Mol. Autism, 7, 9, doi: 10.1186/s13229-016-0068-x.

15. Impey, S., McCorkle, S. R., Cha-Molstad, H., Dwyer, J. M., Yochum, G. S., et al. (2004) Defining the CREB regulon: a genome-wide analysis of transcription factor regulatory regions, Cell, 119, 1041-1054, doi: 10.1016/j.cell.2004.10.032.

16. Zamarbide, M., Oaks, A. W., Pond, H. L., Adelman, J. S., and Manzini, M. C. (2018) Loss of the intellectual disability and autism gene Cc2d1a and its homolog Cc2d1b differentially affect spatial memory, anxiety, and hyperactivity, Front. Genet., 9, 65, doi: 10.3389/fgene.2018.00065.

17. Ou, X. M., Lemonde, S., Jafar-Nejad, H., Bown, C. D., Goto, A., et al. (2003) Freud-1: A neuronal calcium-regulated repressor of the 5-HT1A receptor gene, J. Neurosci., 23, 7415-7425, doi: 10.1523/JNEUROSCI.23-19-07415.2003.

18. Al-Tawashi, A., Jung, S. Y., Liu, D., Su, B., and Qin, J. (2012) Protein implicated in nonsyndromic mental retardation regulates protein kinase A (PKA) activity, J. Biol. Chem., 287, 14644-14658, doi: 10.1074/jbc.M111.261875.

19. Zhao, M., Raingo, J., Chen, Z. J., and Kavalali, E. T. (2011) Cc2d1a, a C2 domain containing protein linked to nonsyndromic mental retardation, controls functional maturation of central synapses, J. Neurophysiol., 105, 1506-1515, doi: 10.1152/jn.00950.2010.

20. Chen, K. R., Chang, C. H., Huang, C. Y., Lin, C. Y., Lin, W. Y., et al. (2012) TBK1-associated protein in endolysosomes (TAPE)/CC2D1A is a key regulator linking RIG-I-like receptors to antiviral immunity, J. Biol. Chem., 287, 32216-32221, doi: 10.1074/jbc.C112.394346.

21. Vahid-Ansari, F., Daigle, M., Manzini, M. C., Tanaka, K. F., Hen, R., et al. (2017) Abrogated Freud-1/Cc2d1a repression of 5-HT1A autoreceptors induces fluoxetine-resistant anxiety/depression-like behavior, J. Neurosci., 37, 11967-11978, doi: 10.1523/JNEUROSCI.1668-17.2017.

22. Kondaurova, E. M., Plyusnina, A. V., Ilchibaeva, T. V., Eremin, D. V., Rodnyy, A. Y., et al. (2021) Effects of a Cc2d1a/Freud-1 knockdown in the hippocampus on behavior, the serotonin system, and BDNF, Int. J. Mol. Sci., 22, 13319, doi: 10.3390/ijms222413319.

23. Farook, M. F., DeCuypere, M., Hyland, K., Takumi, T., LeDoux, M. S., et al. (2012) Altered serotonin, dopamine and norepinepherine levels in 15q duplication and Angelman syndrome mouse models, PLoS One, 7, e43030, doi: 10.1371/journal.pone.0043030.

24. Faraji, J., Karimi, M., Lawrence, C., Mohajerani, M. H., and Metz, G. A. S. (2018) Non-diagnostic symptoms in a mouse model of autism in relation to neuroanatomy: the BTBR strain reinvestigated, Translat. Psychiatry, 8, 234, doi: 10.1038/s41398-018-0280-x.

25. Lemonde, S., Turecki, G., Bakish, D., Du, L., Hrdina, P. D., et al. (2003) Impaired repression at a 5-hydroxytryptamine 1A receptor gene polymorphism associated with major depression and suicide, J. Neurosci., 23, 8788-8799, doi: 10.1523/JNEUROSCI.23-25-08788.2003.

26. Rogaeva, A., Ou, X. M., Jafar-Nejad, H., Lemonde, S., and Albert, P. R. (2007) Differential repression by freud-1/CC2D1A at a polymorphic site in the dopamine-D2 receptor gene, J. Biol. Chem., 282, 20897-20905, doi: 10.1074/jbc.M610038200.

27. Ford, C. P. (2014) The role of D2-autoreceptors in regulating dopamine neuron activity and transmission, Neuroscience, 282, 13-22, doi: 10.1016/j.neuroscience.2014.01.025.

28. Missale, C., Nash, S. R., Robinson, S. W., Jaber, M., and Caron, M. G. (1998) Dopamine receptors: from structure to function, Physiol. Rev., 78, 189-225, doi: 10.1152/physrev.1998.78.1.189.

29. Stephenson, D. T., O’Neill, S. M., Narayan, S., Tiwari, A., Arnold, E., et al. (2011) Histopathologic characterization of the BTBR mouse model of autistic-like behavior reveals selective changes in neurodevelopmental proteins and adult hippocampal neurogenesis, Mol. Autism, 2, 7, doi: 10.1186/2040-2392-2-7.

30. Gould, G. G., Burke, T. F., Osorio, M. D., Smolik, C. M., Zhang, W. Q., et al. (2014) Enhanced novelty-induced corticosterone spike and upregulated serotonin 5-HT1A and cannabinoid CB1 receptors in adolescent BTBR mice, Psychoneuroendocrinology, 39, 158-169, doi: 10.1016/j.psyneuen.2013.09.003.

31. Gould, G. G., Hensler, J. G., Burke, T. F., Benno, R. H., Onaivi, E. S., et al. (2011) Density and function of central serotonin (5-HT) transporters, 5-HT1A and 5-HT2A receptors, and effects of their targeting on BTBR T+tf/J mouse social behavior, J. Neurochem., 116, 291-303, doi: 10.1111/j.1471-4159.2010.07104.x.

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

33. Wirth, A., Chen-Wacker, C., Wu, Y. W., Gorinski, N., Filippov, M. A., et al. (2013) Dual lipidation of the brain-specific Cdc42 isoform regulates its functional properties, Biochem. J., 456, 311-322, doi: 10.1042/BJ20130788.

34. Grimm, D., Kay, M. A., and Kleinschmidt, J. A. (2003) Helper virus-free, optically controllable, and two-plasmid-based production of adeno-associated virus vectors of serotypes 1 to 6, Mol. Ther., 7, 839-850, doi: 10.1016/s1525-0016(03)00095-9.

35. Slotnick, B. M., and Leonard, C. M. (1975) A Stereotaxic Atlas of the Albino Mouse Forebrain, U.S. Dept. of Health, Education and Welfare, Rockville, Maryland.

36. Khotskin, N. V., Plyusnina, A. V., Kulikova, E. A., Bazhenova, E. Y., Fursenko, D. V., et al. (2019) On association of the lethal yellow (A(Y)) mutation in the agouti gene with the alterations in mouse brain and behavior, Behav. Brain Res., 359, 446-456, doi: 10.1016/j.bbr.2018.11.013.

37. Kulikov, A. V., Fursenko, D. V., Khotskin, N. V., Bazovkina, D. V., Kulikov, V. A., et al. (2014) Spatial learning in the Morris water maze in mice genetically different in the predisposition to catalepsy: the effect of intraventricular treatment with brain-derived neurotrophic factor, Pharmacol. Biochem. Behav., 122, 266-272, doi: 10.1016/j.pbb.2014.04.009.

38. Kulikov, A. V., Tikhonova, M. A., and Kulikov, V. A. (2008) Automated measurement of spatial preference in the open field test with transmitted lighting, J. Neurosci. Methods, 170, 345-351, doi: 10.1016/j.jneumeth.2008.01.024.

39. Kulikov, A. V., Naumenko, V. S., Voronova, I. P., Tikhonova, M. A., and Popova, N. K. (2005) Quantitative RT-PCR assay of 5-HT1A and 5-HT2A serotonin receptor mRNAs using genomic DNA as an external standard, J. Neurosci. Methods, 141, 97-101, doi: 10.1016/j.jneumeth.2004.06.005.

40. Naumenko, V. S., and Kulikov, A. V. (2006) Quantitative assay of 5-HT(1A) serotonin receptor gene expression in the brain, Mol. Biol. (Mosk), 40, 37-44.

41. Naumenko, V. S., Osipova, D. V., Kostina, E. V., and Kulikov, A. V. (2008) Utilization of a two-standard system in real-time PCR for quantification of gene expression in the brain, J. Neurosci. Methods, 170, 197-203, doi: 10.1016/j.jneumeth.2008.01.008.

42. Grove, J., Ripke, S., Als, T. D., Mattheisen, M., Walters, R. K., et al. (2019) Identification of common genetic risk variants for autism spectrum disorder, Nat. Genet., 51, 431-444, doi: 10.1038/s41588-019-0344-8.

43. Manzini, M. C., Xiong, L., Shaheen, R., Tambunan, D. E., Di Costanzo, S., et al. (2014) CC2D1A regulates human intellectual and social function as well as NF-kappaB signaling homeostasis, Cell Rep., 8, 647-655, doi: 10.1016/j.celrep.2014.06.039.

44. Oaks, A. W., Zamarbide, M., Tambunan, D. E., Santini, E., Di Costanzo, S., et al. (2017) Cc2d1a loss of function disrupts functional and morphological development in forebrain neurons leading to cognitive and social deficits, Cereb. Cortex, 27, 1670-1685, doi: 10.1093/cercor/bhw009.

45. Sener, E. F., Uytun, M. C., Bayramov, K. K., Zararsiz, G., Oztop, D. B., et al. (2016) The roles of CC2D1A and HTR1A gene expressions in autism spectrum disorders, Metab. Brain Dis., 31, 613-619, doi: 10.1007/s11011-016-9795-0.

46. White, S. W., Oswald, D., Ollendick, T., and Scahill, L. (2009) Anxiety in children and adolescents with autism spectrum disorders, Clin. Psychol. Rev., 29, 216-229, doi: 10.1016/j.cpr.2009.01.003.

47. Defensor, E. B., Pearson, B. L., Pobbe, R. L., Bolivar, V. J., Blanchard, D. C., et al. (2011) A novel social proximity test suggests patterns of social avoidance and gaze aversion-like behavior in BTBR T+ tf/J mice, Behav. Brain Res., 217, 302-308, doi: 10.1016/j.bbr.2010.10.033.

48. Kida, S., Josselyn, S. A., Pena de Ortiz, S., Kogan, J. H., Chevere, I., et al. (2002) CREB required for the stability of new and reactivated fear memories, Nat. Neurosci., 5, 348-355, doi: 10.1038/nn819.

49. Sun, S. C. (2011) Non-canonical NF-kappaB signaling pathway, Cell Res., 21, 71-85, doi: 10.1038/cr.2010.177.

50. Gavalda, N., Gutierrez, H., and Davies, A. M. (2009) Developmental switch in NF-kappaB signalling required for neurite growth, Development, 136, 3405-3412, doi: 10.1242/dev.035295.

51. Gutierrez, H., O’Keeffe, G. W., Gavalda, N., Gallagher, D., and Davies, A. M. (2008) Nuclear factor kappa B signaling either stimulates or inhibits neurite growth depending on the phosphorylation status of p65/RelA, J. Neurosci., 28, 8246-8256, doi: 10.1523/JNEUROSCI.1941-08.2008.