Neural extracellular matrix remodelling as a potential target for cognitive enhancement in the aging brain

Abstract

Age-dependent accumulation of extracellular matrix (ECM) molecules is implicated in the age-associated decline in synaptic and cognitive functions, which is the common phenotype of both normal and pathological aging. Therefore, understanding age-associated changes in the expression of genes involved in regulating various ECM components can provide an insight into the role of ECM in aging and identify targets to potentially rejuvenate the aging brain and rescue synaptic plasticity and cognition. Hence, in this study, we investigated the cell-type-specific expression of major ECM-degrading and modifying enzymes in the hippocampus of three groups of C57BL6/J male mice: 2- to 3-month-old (2-3M), 22- to 24-month-old (22-24M), and more than 30-month-old (>30M). Using qPCR, we discovered a downregulation of the majority of ECM-related genes in the hippocampus of >30M mice, which was not the case in 22-24M mice, although genes related to neuroinflammation were highly upregulated in both aged groups. Interestingly, we found a consistent for both 22-24M and >30M old mice downregulation of two genes known to regulate proteolysis of ECM proteoglycans, the carbohydrate sulfotransferase 3 (CHST3) responsible for 6-sulfation of chondroitin sulfates and a disintegrin and metalloproteinase with thrombospondin motifs 5 (ADAMTS-5). Therefore, I tried to rejuvenate the aged hippocampus of 22-24M mice by overexpressing ADAMTS-5 using an adeno-associated virus (AAV) delivery, which indeed improved the hippocampus-dependent synaptic and cognitive functions. Immunohistochemical studies of ADAMTS-5 overexpressing 22-24M mice revealed a loss of ECM chondroitin sulfate proteoglycans, in particular of aggrecan as the major component of perineuronal nets around parvalbumin-expressing (PV+) interneurons and readjustment of both excitatory and inhibitory synaptic inputs to PV+ cells to the levels matching those in 2-3M mice. Degradation of ECM was accompanied by changes in astroglia, microglia, and oligodendrocytes, which may improve clearance and long-range interactions in the aged brains. I also found enhanced long-term potentiation (LTP) and CREB signaling in the CA1 region, presumably due to inhibition of signaling through the extrasynaptic GluN2B-NMDA receptors, which activation has been previously shown to impair synaptic plasticity in aged brains. Moreover, overexpression of ADAMTS-5 rescued behavioral performance of 22-24M mice in the novel object location test and finding a reward in a dry maze test. Altogether, I demonstrated that age-dependent dysregulation of the ECM proteolytic remodeling culminates in the accumulation of neural ECM, while its partial degradation by overexpression of ADAMTS-5 abrogates multiple aging-associated cellular alterations and restores cognitive functions.

Altersabhängige Ansammlungen von extrazellulare Matrix (EZM)-Molekülen werden mit der altersbedingten Abnahme der synaptischen und kognitiven Funktionen in Verbindung gebracht, die ein gemeinsamer Phänotyp sowohl des normalen als auch des pathologischen Alterns sind. Daher kann das Verständnis altersbedingter Veränderungen in der Expression von Genen, die an der Regulierung verschiedener EZM-Komponenten beteiligt sind, einen Einblick in die Rolle der EZM beim Altern geben und Ziele identifizieren, die das alternde Gehirn verjüngen und die synaptische Plastizität und Kognition retten könnten. In dieser Studie untersuchten wir daher die zelltypspezifische Expression der wichtigsten EZM-abbauenden und -modifizierenden Enzyme im Hippocampus von drei Gruppen männlicher C57BL6/J-Mäuse: 2- bis 3 Monate alt (2-3M), 22- bis 24 Monate alt (22-24M) und älter als 30 Monate (>30M). Mithilfe von qPCR entdeckten wir eine Herunterregulierung der meisten EZM-bezogenen Gene im Hippocampus der >30M-Mäuse, was bei 22-24M-Mäusen nicht der Fall war, obwohl Gene, die mit der Neuroinflammation zusammenhängen, in beiden Altersgruppen stark hochreguliert waren. Interessanterweise fanden wir sowohl bei 22-24M-Mäusen als auch bei >30M-Mäusen eine konsistente Herunterregulierung von zwei Genen, die bekanntermaßen die Proteolyse von EZM-Proteoglykanen regulieren: die Kohlenhydrat-Sulfotransferase 3 (CHST3), die für die 6-Sulfatierung von Chondroitinsulfaten verantwortlich ist, und eine Desintegrin- und Metalloproteinase mit Thrombospondin-Motif-5 (ADAMTS-5). Deshalb habe ich versucht, den gealterten Hippocampus von 22-24M-Mäusen zu verjüngen, indem ich ADAMTS-5 mit Hilfe eines adeno-assoziierten (AAV)-Virus überexprimiert habe, was tatsächlich die vom Hippocampus abhängigen synaptischen und kognitiven Funktionen verbesserte. Immunhistochemische Untersuchungen an ADAMTS-5-überexprimierenden 22-24M-Mäusen ergaben einen Verlust von EZM-Chondroitinsulfat-Proteoglykanen, insbesondere von Aggrecan, dem Hauptbestandteil perineuronaler Netze um Parvalbumin-exprimierende (PV+)-Interneurone, und eine Anpassung sowohl der exzitatorischen als auch der inhibitorischen synaptischen Eingänge zu PV+-Zellen auf ein Niveau, das dem von 2-3M-Mäusen entspricht. Der Abbau der EZM ging mit Veränderungen der Astroglia, Mikroglia und Oligodendrozyten einher, was die Clearance und die weitreichenden Wechselwirkungen im gealterten Gehirn verbessern könnte. Ich fand auch eine verstärkte Langzeitpotenzierung (LTP) und CREB- Signalübertragung in der CA1-Region, vermutlich aufgrund der Hemmung der Signalübertragung durch die extrasynaptischen GluN2B-NMDA-Rezeptoren, deren Aktivierung nachweislich die synaptische Plastizität in gealterten Gehirnen beeinträchtigt. Darüber hinaus rettete die Überexpression von ADAMTS-5 die Verhaltensleistung von 22-24M-Mäusen im Novel-Object-Location-Test (Test zur Lokalisierung neuartiger Objekte) und bei der Suche nach einer Belohnung im Trockenlabyrinthtest. Insgesamt konnte ich zeigen, dass eine altersabhängige Regulationsstörung des proteolytischen Umbaus der EZM zu einer Anhäufung neuronaler EZM führt, während ihr teilweiser Abbau durch Überexpression von ADAMTS-5 mehrere altersbedingte zelluläre Veränderungen aufhebt und die kognitiven Funktionen wiederherstellt.