Age-dependent upregulation of mechanosensitive channel Piezo1 impairs hippocampal synaptic plasticity

Abstract

Aging gives rise to widespread cellular and molecular changes in the central nervous system. Agedependent or inflammation-induced accumulation of the extracellular matrix molecules coincides with increased tissue stiffness, which may result in dysregulated Ca2+ homeostasis via the activation of mechanosensitive channels. Therefore, this study aimed to investigate the expression and function of mechanosensitive channels in the aging mouse brain. First, I compared the expression of the main mechanosensitive channels in the hippocampus of young 2- to 4-months-old (2-4 m) and over 30-months-old (>30 m) C57BL6/J male mice. Using qPCR, I found an aging-associated increase in the expression of the Piezo mechanosensitive channels, Piezo1 and Piezo2, and some members of the TRP channel family including TRPV1, TRPV4, and TRPA1. Further analysis of 6-month-old (6 m) 5xFAD mice as a model of familial Alzheimer’s disease revealed the same pattern of overexpression of hippocampal Piezo1 and Piezo2 when compared to control mice. Next, I focused on Piezo1 because it is expressed at a much higher level than Piezo2 in the hippocampus and is a pure mechanosensitive channel, unlike the mentioned TRP channels which have additional important functions. The immunocytochemical analysis confirmed overexpression of Piezo1 in neurons of aged mice. To study the effects of Piezo1 hyperactivity separately from other abnormalities accompanying aging, we treated hippocampal acute slices from young mice with Yoda1, a chemical activator of Piezo1. We observed that Piezo1 activation increased the resting intracellular calcium level. Using extracellular recordings of field postsynaptic potentials in the CA1 region, I demonstrated that theta-burst stimulation of CA3 axons resulted in impaired long-term potentiation (LTP) in slices treated with Yoda1 compared to a vehicle. Subsequent immunohistochemistry, qPCR, and western blot analyses suggested that mechanisms underlying this impairment may involve the activation of p38 MAPK, calpain protease, and transcriptional regulators YAP/TAZ. Inhibitors of p38 MAPK and calpain abrogated the effects of Yoda1 on CA1 LTP. Inspired by these findings, I attempted to rescue the impaired CA1 LTP and hippocampus-dependent cognitive function in aged mice by knock-down of Piezo1 expression via delivery of Piezo1 shRNA encoding adeno-associated virus. Our behavioral and LTP analyses showed a partial rescue of synaptic and cognitive functions in aged mice following the Piezo1 knockdown. Similar effects were observed after the degradation of the neural extracellular matrix by an overexpression of ADAMTS5 proteinase. Taken together, the results of this thesis provide the first evidence that mechanosignaling through mechanosensitive ion channels is upregulated in aged mice and suggest that inhibiting mechanosignaling in neurons could be a potential target to rescue the impaired cognitive phenotype during aging.

Das Altern führt zu weit verbreiteten zellulären und molekularen Veränderungen im zentralen Nervensystem. Die altersabhängige oder entzündungsbedingte Akkumulation der extrazellulären Matrixmoleküle geht mit einer erhöhten Gewebesteifigkeit einher, die über die Aktivierung mechanosensitiver Kanäle zu einer fehlregulierten Ca2+-Homöostase führen kann. Daher zielte diese Studie darauf ab, die Expression und Funktion von mechanosensitiven Kanälen im alternden Mausgehirn zu untersuchen. Zuerst habe ich die Expression der wichtigsten mechanosensitiven Kanäle im Hippocampus von jungen 2-4 Monate alten (2-4 M) und über 30 Monate alten (>30 M) männlichen C57BL6/J-Mäusen verglichen. Mittels qPCR fand ich eine altersbedingte Zunahme der Expression der mechanosensitiven Piezo-Kanäle Piezo1 und Piezo2 und einiger Mitglieder der TRP-Kanalfamilie, einschließlich TRPV1, TRPV4 und TRPA1. Eine weitere Analyse von 6 Monate alten (6 M) 5xFAD-Mäusen als Modell der familiären Alzheimer-Krankheit ergab das gleiche Muster der Überexpression für hippocampales Piezo1 und Piezo2 im Vergleich zu den Kontrollmäusen. Als nächstes habe ich mich auf Piezo1 konzentriert, weil es im Hippocampus sehr viel stärker exprimiert wird als Piezo2 und ein rein mechanosensitiver Kanal ist, im Gegensatz zu den erwähnten TRP-Kanälen, die zusätzliche wichtige Funktionen haben. Die immunzytochemische Analyse bestätigte die Überexpression von Piezo1 sowohl in Neuronen als alter Mäuse. Um die Auswirkungen der Piezo1-Hyperaktivität getrennt von anderen mit dem Altern einhergehenden Anomalien zu untersuchen, behandelten wir akute Hippocampus-Schnitte von jungen Mäusen mit Yoda1, einem chemischen Aktivator von Piezo1. Wir haben beobachtet, dass die Piezo1-Aktivierung den intrazellulären Kalziumspiegel im Ruhezustand erhöht. Anhand extrazellulärer Aufzeichnungen von postsynaptischen Feldpotenzialen in der CA1-Region habe ich gezeigt, dass die Theta-Burst-Stimulation von CA3-Axonen zu einer beeinträchtigten Langzeitpotenzierung (LTP) in mit Yoda1 behandelten Schnitten im Vergleich zu einem Träger führte. Nachfolgende immunhistochemische, qPCR- und Western-Blot-Analysen deuteten darauf hin, dass die Mechanismen, die dieser Beeinträchtigung zugrunde liegen, mit der Aktivierung von p38 MAPK, Calpain-Protease und der Transkriptionsregulatoren YAP/TAZ zusammenhängen könnten. Tatsächlich hoben Inhibitoren für p38 MAPK und Calpain die Wirkung von Yoda1 auf CA1-LTP auf. Inspiriert von diesen Erkenntnissen versuchte ich, die beeinträchtigte CA1-LTP und Hippocampus-abhängige kognitive Funktion in gealterten Mäusen zu retten, indem ich die Piezo1-Expression durch die Abgabe von Piezo1-shRNA, die ein Adeno-assoziiertes Virus kodiert, ausschaltete. Unsere Verhaltens- und LTP-Analysen zeigten eine teilweise Wiederherstellung synaptischer und kognitiver Funktionen bei gealterten Mäusen nach dem Piezo1-Knockdown. Ähnliche Effekte wurden nach dem Abbau der neuralen extrazellulären Matrix durch Überexpression der ADAMTS5-Proteinase beobachtet. Zusammengenommen liefern die Ergebnisse dieser Dissertation den ersten Beweis dafür, dass die Mechanosignalübertragung durch mechanosensitive Ionenkanäle in gealterten Mäusen hochreguliert ist und legen nahe, dass die Hemmung der Mechanosignalübertragung in Neuronen ein potenzielles Ziel sein könnte, um den beeinträchtigten kognitiven Phänotyp während des Alterns zu retten.