O impacto da sinalização de cálcio nos astrócitos na função cortico-límbica e no comportamento

Tese de doutoramento em Ciências da SaúdeOs astrócitos desempenham múltiplas funções desde a homeostasia cerebral ao controlo e processamento da atividade sináptica. Eles integram sinais neuronais por elevações complexas de cálcio (Ca2+) com impacto na comunicação neurónio-astrócito. As elevações de Ca2+ nos astrócitos podem ser divididas em dois tipos: globais (presentes no soma e principais processos) e/ou focais (presentes nos microdomínios). Apesar de estar descrito que as elevações globais de Ca2+ nos astrócitos podem modular a comunicação sináptica, continuam por esclarecer quais os mecanismos moleculares envolvidos. Desta forma, urge uma caracterização comportamental, estrutural e molecular detalhada para compreender esses mecanismos. Nesta tese, utilizámos o modelo de murganho que apresenta a deleção constitutiva do receptor 2 do inositol 1,4,5-trifosfato (IP3R2 KO), no qual as elevações globais de Ca2+ nos astrócitos estão ausentes. Na primeira parte deste trabalho (Capítulo 2) demonstramos que os murganhos IP3R2 KO têm um desenvolvimento somático e neurológico normal. Em seguida, a caracterização comportamental deste modelo transgénico (Capítulo 3) revelou que os murganhos IP3R2 KO apresentam uma melhoria do desempenho cognitivo em tarefas dependentes do hipocampo. Identificámos o factor de transcrição Foxo1 como modulador da expressão de genes específicos de astrócitos, responsáveis pela regulação do citoesqueleto e de espinhas dendríticas. A sobre-expressão do FOXO1 em astrócitos do hipocampo de murganho C57BL/6J foi suficiente para mimetizar a melhoria cognitiva verificada no modelo IP3R2 KO. Este resultado levou-nos a avaliar o papel da sinalização global de Ca2+ no contexto da depressão, uma doença que afeta comportamento dependente das regiões cortico-límbicas (Capítulo 4). Os murganhos IP3R2 KO apresentam uma surpreendente resiliência ao efeito ansiogénico do stress crónico. Por fim, explorámos o papel da sinalização de Ca2+ nos astrócitos no envelhecimento cognitivo (Capítulo 5). Os nossos resultados demonstram uma preservação do desempenho cognitivo em murganhos IP3R2 KO envelhecidos, caracterizado por alteração do rácio neurónio/astrócito e por refinamento dendrítico dos neurónios da camada V do córtex pré-frontal. Em suma, este trabalho contribuiu para uma melhor compreensão do papel da sinalização global de Ca2+ nos astrócitos desde o desenvolvimento até ao envelhecimento, num contexto de saúde e doença. Os resultados revelaram um alvo terapêutico específico em astrócitos com potencial aplicação em contextos de depressão e envelhecimento cognitivo.Astrocytes are responsible for distinct functions ranging from brain homeostasis to the modulation of synaptic functioning. They integrate neuronal signals by complex calcium (Ca2+) elevations that control intracellular mechanisms that in turn drive the neuron-astrocyte dialogue, modulating the activity of cells and networks. It is now recognized that Ca2+ elevations in astrocytes appear spatially distributed in global (soma and main processes) and/or focal regions (microdomains). Although it is observed that global astrocytic Ca2+ signaling contributes to synaptic communication, its role in circuit computation and behavioral performance is still poorly understood. A detailed behavioral, structural and molecular characterization should provide us with putative mechanisms underlying the roles of astrocytic Ca2+. In this thesis, we took advantage of the inositol 1,4,5-trisphosphate receptor type 2 knockout (IP3R2 KO) mouse model, which lacks global Ca2+ signaling in astrocytes. In the first part of this work (Chapter 2), we demonstrate that IP3R2 KO mice retain a normal developmental maturation, as compared with WT littermates. Next, a detailed behavioral characterization of this mouse model (Chapter 3) showed that IP3R2 KO mice display enhanced cognitive performance in hippocampal-dependent tasks. We found Foxo1 as the most active transcription factor controlling the increased expression of astrocyte-specific genes related with fine cytoskeleton modulation and spinogenesis, which could underlie the cognitive enhancement observed. Moreover, specific overexpression of FOXO1 in hippocampal astrocytes of C57BL/6J mice was enough to recapitulate the enhanced fear memory observed in IP3R2 KO mice. This striking observation prompted us to test the role of global Ca2+ signaling in the context of depression, which affects cortico-limbic regions (Chapter 4). IP3R2 KO mice present an unexpected resilience to the installation of stress effects, namely translated into an increased self-care and a reduced anxious-like phenotype. Finally, we explored the role of astrocytic Ca2+ signaling in cortico-limbic performance in aged mice that display cognitive decline (Chapter 5). We observed a preserved cognitive performance in aged IP3R2 KO mice, an altered neuron/astrocyte ratio and a dendritic refinement of mPFC neurons. Overall, this work contributed to a better understanding on the role of global astrocytic Ca2+ signaling from development to aging, both in a health and disease context. We found a putative astrocyte-specific therapeutic target that could be used to prevent depression- and aging-related deficits.The work presented in this thesis was performed in the Life and Health Sciences Research Institute (ICVS), at the School of Medicine, University of Minho. Financial support was provided by a PhD grant (SFRH/BD/101298/2014 to SGG), FCT Investigator grants (IF/00328/2015 to JO, IF/01079/2014 to LP) and PTDC/MED-NEU/31417/2017 from the FCT – Foundation for Science and Technology, by BIAL Foundation grants (207/14 to JO and 427/14 to LP), by Northern Portugal Regional Operational Programme (NORTE 2020), under the Portugal 2020 Partnership Agreement, through the European Regional Development Fund (FEDER) (NORTE-01-0145-FEDER-000013); FEDER Funds, through the Competitiveness Factors Operational Programme (COMPETE), and The National Fund, through the FCT (POCI-01-0145-FEDER-007038)