Searching for the role of lipocalin-2 in the central nervous system

Abstract

Lipocalin-2 (LCN2), a well described secreted protein, has a denotable function as part of the innate immune response. With a remarkable broad expression and rapid induction upon stimulus and in tissues more prone to infection, LCN2 is able to limit bacterial growth through iron-depletion strategies, since it binds iron-loaded siderophores secreted by bacteria during infection. On the other hand, the evidence for the existence of an endogenous mammalian siderophore, along with the capacity for LCN2 to interact with specific cell surface receptors, has brought into light its significance in mediating cellular processes through iron mechanisms, even in basal conditions. In fact, an iron delivery pathway mediated by LCN2 has been proposed with ultimate roles in cell proliferation and survival, tissue development and protection and cellular apoptosis. However, studies addressing LCN2 involvement in such processes are limited to the periphery, being its role in the central nervous system (CNS) context less explored. In fact, most of the reports show LCN2 importance in an inflammatory context, as an autocrine mediator of reactive astrocytosis or even in the apoptosis and deramification of activated microglia. Additionally, its behavior as an acute-phase protein at the brain barriers adds the involvement of LCN2 in the mechanism of immune defense in brain contexts. However, concerning the role of LCN2 in the physiological brain, there is still a gap that remains unfilled. Therefore, and considering the extensively described functions in the periphery of LCN2 as an iron-traffic protein, we sought to investigate the role of LCN2 in normal brain development and function. Taking advantage of a mouse strain with a target deletion of the Lcn2 gene (LCN2-null mice), we analyzed the impact of LCN2 in the CNS through behavioral, morphological and cellular approaches. Our findings propose for a putative participation of LCN2 in the development and maturation of specific brain regions related to spatial perception and coordination, whereas in adulthood, LCN2 was observed to trigger altered emotional states, as LCN2- null mice displayed both anxious and depressive-like behaviors. Concomitantly, morphological and cellular approaches evidenced the contribution of LCN2 in the regulation of emotional-related structures, namely the bed nucleus of the stria terminalis (BNST) and in the subgranular zone (SGZ) of the hippocampus. Respectively, LCN2- null mice presented an increased spine density in the BNST and a decreased cell proliferation at the SGZ. Therefore, LCN2 can be assumed to be involved in the modulation of both morphological and cellular mechanisms that, in turn, can culminate with the altered behaviors, namely anxious and depressive-like ones.

A lipocalina-2 (LCN2), descrita como uma proteína secretada, tem uma importante função na resposta imunitária inata. Com uma notável e rápida indução aquando de um estímulo e em tecidos expostos a infeção, a LCN2 é capaz de limitar o crescimento bacteriano através de estratégias de depleção de ferro, uma vez que se liga a sideróforos bacterianos carregados com ferro durante uma infeção. Por outro lado, a existência de sideróforos mamíferos endógenos, juntamente com a capacidade da LCN2 de interagir com recetores na superfície celular, tem revelado a sua importância em mediar processos celulares através do transporte de ferro, mesmo em condições fisiológicas. De facto, uma via do metabolismo do ferro mediada pela LCN2 foi proposta, e consequentemente funções na proliferação celular, no desenvolvimento e proteção de tecidos, assim como na apoptose têm sido mostradas. Contudo, a maioria dos estudos que demonstram o envolvimento da LCN2 na mediação de tais processos celulares são limitados à periferia, sendo que o seu papel no contexto do sistema nervoso central (SNC) é menos explorado. Aqui, a função da LCN2 tem sido mais demonstrada no contexto da inflamação, como um mediador autócrino da proliferação de astrócitos, e ainda na apoptose e desramificação da microglia ativada. Adicionalmente, o seu comportamento como uma proteína aguda nas barreiras do cérebro acrescenta a sua relevância em mecanismos de defesa do sistema imunitário também no SNC. No entanto, e no que diz respeito à função da LCN2 no cérebro em condições fisiológicas, muito ainda está por descobrir. Tendo em conta a extensa caracterização na periferia da LCN2 como uma proteína transportadora de ferro, com o presente estudo procurou-se investigar qual o seu papel no normal desenvolvimento e funcionamento do cérebro. Usando como modelo animal um ratinho no qual o gene que codifica para a LCN2 foi removido, analisamos a importância da LCN2 no SNC através de uma análise comportamental, morfológica e celular. Os resultados demonstram o envolvimento da LCN2 na maturação de regiões específicas do cérebro envolvidas na aquisição da perceção espacial e na coordenação, enquanto numa fase adulta, a LCN2 está envolvida no desencadeamento de comportamentos emotivos, nomeadamente ansiosos e depressivos. Simultaneamente, a análise morfológica e celular evidenciam a contribuição da LCN2 na modulação destes processos em estruturas relacionadas com processos emotivos, nomeadamente no núcleo da estria terminal e na zona subgranular do hipocampo. Nestas regiões foi verificado que os animais nos quais o gene Lcn2 foi removido apresentam um aumento significativo de densidade de espinhas nos neurónios do núcleo da estria terminal e uma diminuição no total da proliferação celular no hipocampo. Consequentemente, podemos assumir que a LCN2 está envolvida na modulação de ambos processos morfológicos e celulares, os quais, por sua vez, culminam nas alterações comportamentais verificadas, nomeadamente na ansiedade e depressão.