Role of Astrocytic Serine in Learning and Memory and its Implications in Alzheimer's Disease.

La perte de mémoire est un des premiers symptômes caractéristiques de la maladie d’Alzheimer (MA). Dans les cerveaux des patients, on retrouve des dépôts extracellulaires de plaques amyloïdes ainsi que des agrégats intracellulaires de la protéine tau. Les patients présentent également des déficits du métabolisme cérébral du glucose, une quinzaine d’années avant les premiers défauts cognitifs, suggérant que le métabolisme pourrait contribuer à la physiopathologie de la MA. Pour mieux comprendre les mécanismes qui relient le métabolisme énergétique et l’activité synaptique, nous nous sommes intéressés à la production de L-serine, une molécule dont la synthèse de novo dérive d’un intermédiaire de la glycolyse. La L-serine est le précurseur de la D-sérine, un acide aminé en conformation D présent en grande quantité dans le cerveau. La D-sérine est un co-agoniste des récepteurs au N-méthyl-D-aspartate (NMDA-R) nécessaire à la potentialisation à long terme (LTP) de l’activité synaptique dans l’hippocampe. La voie de biosynthèse de la L-serine est ainsi à l’interface entre métabolisme énergétique et activité synaptique. Afin d’étudier le rôle de cette voie, nous avons mis au point un modèle de délétion conditionnelle de la Phgdh, la première enzyme de la voie de biosynthèse de la L-serine. Nous avons injecté par stéréotaxie des vecteurs adéno-associés permettant l’expression de la Cre recombinase dans l’hippocampe de souris Phgdh(flox/flox), une lignée de souris qui possède des sites LoxP autour des exons 4 et 5 du gène de la Phgdh. Nous avons validé ce modèle en montrant que l’expression de Phgdh ainsi que les taux de D-serine diminuent d’environ 60% dans l’hippocampe des souris injectées. Nous avons ensuite réalisé des enregistrements électrophysiologiques sur tranches et nous avons mis en évidence une diminution de la LTP dans l’hippocampe des souris injectées avec la Cre recombinase. Ces souris présentent également un déficit de mémoire à long terme mis en évidence avec le test de la piscine de Morris. Ces déficits sont restaurés lorsque les souris reçoivent chroniquement un régime enrichi en L-serine. Ces résultats montrent que la biosynthèse de sérine est nécessaire et suffisante pour la plasticité synaptique et la mémoire à long terme.Afin d’étudier le rôle de cette voie dans la MA, nous avons mesuré l’expression de différentes enzymes dans des extraits d’hippocampes de patients atteints de MA et nous avons mis en évidence des changements significatifs dès les stades intermédiaires. Finalement, nous avons étudié un modèle murin de MA, les souris 3xTg, qui présentent des déficits métaboliques, synaptiques et comportementaux. Les déficits de LTP sont restaurés en ajoutant de la L- ou de la D-sérine de façon aigue sur les tranches d’hippocampe. Nous montrons que le déficit de mémoire spatiale à long terme peut être restauré par une supplémentation chronique en D-sérine, suggérant l’importance de cette voie dans le contexte de la MA.Memory loss is among the first symptoms reported by patients suffering from Alzheimer’s disease (AD). AD is characterized by extracellular amyloid plaques and intracellular aggregations of tau. A decrease of brain glucose metabolism has also been described in the brain of AD patients. Since this decrease appears decades before memory loss, we hypothesize that metabolic deficits could directly contribute to AD physiopathology. To understand the mechanisms linking brain metabolism and synaptic activity, we proposed to study the production of L-serine, a signaling molecule whose de novo synthesis diverts part of the glycolytic flux. L-serine is the precursor of D-serine, a co-agonist of N-methyl-D-aspartate receptors (NMDA-R) that is required to maintain long term potentiation (LTP) of synaptic activity in the hippocampus. Since both L- and D-serine are formed through the activity of the Phosphorylated Pathway that diverts part of the glycolytic flux, any metabolic deficits may impact synaptic activity.We developed a model of conditional Phgdh deletion, the first enzyme of the phosphorylated pathway, by stereotaxically injecting Adeno-Associated Vectors allowing the expression of Cre recombinase in the hippocampus of Phgdh(flox/flox) mice, a mice strain with loxP sites flanking exons 4 and 5 of Phgdh gene. We validated this model showing that Phgdh expression and D-serine level are decreased by 60% in the hippocampus of injected mice. We performed electrophysiological recordings and showed that LTP is significantly reduced in mice injected with Cre recombinase. Those mice also show long term memory deficits in the Morris Water Maze test. Those deficits are restored by chronically feeding Cre injected mice with a diet enriched in L-serine indicating that serine biosynthesis is necessary and sufficient for synaptic plasticity and long term memory.To assess whether this pathway may be involved in AD pathogenesis, we quantified the expression of several enzymes of the serine biosynthesis pathway in human brain samples and found major changes in AD patients even at intermediate stages. To further investigate this hypothesis, we used 3xTg-AD mice, a mouse model for AD showing deficits in brain metabolism, synaptic activity and cognition. LTP deficits in 3xTg mice are restored by acute supplementation of L- or D-serine on hippocampal slices. We show that chronic administration of D-serine restores long term spatial memory. It suggests that serine biosynthesis is an important pathway in AD