Tau (mal)function in brain plasticity and pathology – a gateway beyond Alzheimer’s Disease

Abstract

Despite that research efforts have been increasingly focused on Alzheimer’s disease (AD) over the last decades, it was only recently that Tau protein was suggested as an essential regulator of neuronal plasticity as well as pathology triggered by different intrinsic and extrinsic factors. Consistent with suggestions that lifetime stress may be a clinically-relevant precipitant of AD pathology, previous experimental studies showed that Tau is at the core of chronic stress-induced pathological brain aging, raising Tau malfunction as a critical mechanism through which stress and glucocorticoids (GC) exert their neuro-remodeling and neurodegenerative effects upon the substrates of cognition and emotion. While experimental evidence, including some previous work from our group, showed that chronic stress and GC trigger Tau hyperphosphorylation, accumulation and aggregation, the molecular mechanisms by which Tau contributes to stress-driven brain malfunction and pathology are poorly understood. In this thesis, we investigated the cellular mechanisms through which chronic stress and/or GC trigger Tau malfunction and pathology leading to cognitive and mood deficits. Our findings demonstrate that prolonged exposure to high GC levels triggers two different Tau-related cellular cascades in dendrites and dendritic spines, respectively: a) Tau hyperphosphorylation and somatodendritic accumulation of different phosphorylated Tau isoforms accompanied by reduced microtubule stability and dendritic remodeling and, b) synaptic missorting of specific hyperphosphorylated epitopes of Tau and overactivation of GluN2B receptor leading to synaptic atrophy/loss. Furthermore, this thesis aimed to clarify the molecular mechanisms of stress/GCdriven neurotoxic accumulation and aggregation of Tau. We showed, using both in vitro and in vivo studies, that chronic stress and GC evoke an mTOR-dependent blockage of autophagic clearance machinery with parallel induction of histone deacetylase 6 (HDAC6) and formation of stress granules (SGs). These findings implicate induction of HDAC6 and SGs as well as the inhibition of autophagy in stress-driven Tau aggregation identifying novel mechanisms through which chronic stress precipitates brain pathology, which may contribute for future improved therapeutic strategies. While abnormal hyperphosphorylation and aggregation of Tau are well-established key events in AD neuropathology, the impact of the loss of normal Tau in neuronal function in adult brain is still under intense debate; e.g. while in vitro evidence supports an essential role of Tau for microtubule stabilization, axonal maintenance and transport, adult animals with constitutive deletion of MAPT (and thus, Tau protein) fail to display obvious behavioral, neurostructural or functional deficits highlighting a significance gap of knowledge about the actual role of Tau in neuronal function. In order to avoid the developmental compensation mechanisms suggested to be present in the currently available (constitutive) Tau knock-out (KO) mouse lines, these studies present and analyze a novel mouse model of conditional deletion of Tau in adult brain, based on a tamoxifen-inducible LoxP/Cre system, that offers temporal and brain-area specificity in knocking-out MAPT gene. After confirming that the generation of this new mouse model didn’t affect the developmental, neurological and behavioral profile of the animal, we show for the first time that CaMKII-driven conditional Tau deletion in the adult forebrain doesn’t affect cognitive performance, but it triggers the induction of anxious and depressive behavior in adult mice. Importantly, these behavioral deficits were accompanied by neuronal atrophy and synaptic alterations in prefrontal cortex and amygdala, two essential brain areas for the manifestation of mood deficits. These findings provide novel evidence about the essential role of Tau on neuronal and brain homeostasis. Overall, the findings of this thesis provide novel evidence about the involvement of Tau in different parameters of brain plasticity as well as brain pathology.

Ao longo das últimas décadas a investigação tem-se focado com mais intensidade na Doença de Alzheimer, mas apenas recentemente foi sugerido a proteína Tau como um regulador essencial da plasticidade neuronal e da patologia, despoletada por diferentes fatores intrínsecos e extrínsecos (ex.: beta-amilóide, excitotoxicidade, epilepsia). De acordo com a hipótese de que o stress crónico pode ser um fator clinicamente relevante na patologia da Doença de Alzheimer, estudos experimentais sugerem que a proteína Tau pode ter um papel nuclear no envelhecimento patológico induzido pelo stress crónico, relevando o mau funcionamento desta proteína como um mecanismo crítico através do qual o stress e os glucocorticoides (GC) exercem efeitos neuroremodeladores e degenerativos, levando a alterações na cognição e emoção. Apesar das provas experimentais, incluindo alguns trabalhos anteriores do nosso grupo, mostrarem que o stress crónico e os GC despoletam a hiperfosforilação, acumulação e agregação da Tau, os mecanismos precisos através dos quais esta proteína contribui para um mau funcionamento do cérebro e patologia induzidos pelo stress são pouco claros. Nesta tese foram monitorizados os mecanismos celulares através dos quais o stress crónico e/ou os GC despoletam o mau funcionamento e patologia da Tau que resultam em défices cognitivos e de humor. Os dados atuais demonstram que uma exposição prolongada a níveis altos de GC ativam duas cascatas celulares que estão relacionadas com a localização da proteína Tau nas dendrites e espinhas dendríticas: a) hiperfosforilação e acumulação somatodendrítica de diferentes epítopos fosforilados da Tau, acompanhadas de uma redução na estabilidade dos microtúbulos e remodelação das dendrites e, b) localização anormal nas sinapses de isoformas hiperfosforiladas da Tau e sobreativação do recetor GluN2B, que leva a atrofia/perda sináptica. Para além disto, esta tese teve como objetivo esclarecer os mecanismos moleculares induzidos pelo stress/GC envolvidos na agregação e acumulação neurotóxica da Tau. Os estudos in vitro e in vivo realizados demonstraram que o stress crónico e os GC conduzem a um bloqueio da maquinaria de limpeza autofágica, dependente da ativação da cascata de sinalização do mTOR, paralelamente, com a indução da histona desacetilase 6 (HDAC6) e formação de grânulos de stress; os últimos estando causalmente relacionados com a agregação da tau. Estas descobertas implicam a indução da HDAC6 e dos SGs assim como a inibição da autofagia numa agregação da Tau induzida pelo stress, identificando assim novos mecanismos através dos quais o stress crónico precipita a patologia cerebral, podendo no futuro contribuir para o desenvolvimento de estratégias terapêuticas mais eficientes. Apesar da hiperfosporilação e agregação anormais da Tau serem mecanismos-chave da neuropatologia da Doença de Alzheimer, o impacto da perda da função normal da Tau no funcionamento/mau-funcionamento neuronal no cérebro adulto está ainda debaixo de um intenso debate: por exemplo, enquanto provas in vitro suportam o papel essencial da Tau na estabilização dos microtúbulos, transporte e manutenção dos axónios, a deleção constitutiva da proteína não leva a nenhuma alteração comportamental, neuronal ou funcional no animal adulto, demonstrando que existe uma falha significativa no nosso conhecimento sobre o papel da Tau na função neuronal. Desta forma, evitando mecanismos de compensação que estão descritos nos animais com deleção constitutiva da Tau (KO), nestes estudos de doutoramento foi desenvolvido um novo modelo de ratinho com uma deleção condicional da Tau no cérebro adulto, baseado no sistema LoxP-Cre (indutível por tamoxifeno), que oferece flexibilidade temporal e de área cerebral na deleção do gene mapt. Após se ter observado que esta nova linha de ratinhos não apresentava o perfil de desenvolvimento neurológico e comportamental alterado, demostramos pela primeira vez que a deleção condicional da Tau, induzida pelo promotor CaMKII no cérebro adulto, não afeta a performance cognitiva dos animais, mas despoleta a indução de comportamento ansioso e depressivo em ratinhos adultos. É de notar que estes défices comportamentais foram acompanhados por atrofia neuronal e alterações sinápticas no córtex pré-frontal e na amígdala, duas áreas do cérebro essenciais na manifestação de défices de humor. Estas descobertas providenciam novas provas acerca do papel essencial da Tau na homeostasia neuronal e cerebral. Em suma, as descobertas desta tese de doutoramento fornecem novas provas acerca do envolvimento da Tau em diferentes parâmetros da plasticidade cerebral e também na patologia do cérebro, com a monitorização das cascatas envolvidas na função, disfunção e patologia da proteína Tau.