Distribution and behavioral effects of WFS1 protein in the central nervous system

Abstract

Identification of environmental information critical for survival and procreation is crucial for forming appropriate behavioral responses. An important psychological aspect of this process is emotion perception. Impaired or distorted perception of emotions is characteristic of almost all psychiatric disorders and is accompanied by reduced coping with everyday life. In the present study we screened for genes involved in the regulation of emotional behavior and observed that cat odor-induced fear response in rats coincides with the induction of Wfs1 mRNA in the amygdaloid area. Additionally, a number genes involved directly or indirectly in the synthesis of neurotransmitters (e.g. carboxypeptidase E, tyrosine 3-monooxygenase/ tryptophan 5-mono-oxygenase activation protein) and in signal transduction (Rho GTPase, neurochondrin, Ca/calmodulin-dependent protein kinase) were activated. Next, we determined the expression pattern of Wfs1 protein in the central nervous system of the mouse. Wfs1 expression is enriched in brain structures related to (1) behavioral adaptation – amygdaloid complex, bed nucleus of stria terminalis, the core and shell fields of nucleus accumbens, the prefrontal cortex and the CA1 field of hippocampus; (2) hearing – inferior colliculus, lateral lemniscus, primary auditory cortex; (3) the regulation of endocrine function – supraoptic and paraventricular hypothalamic nuclei, the arcuate nucleus; (4) cortical regions related to hippocampal function – perirhinal, postrhinal and entorhinal cortices, parasubiculum. Two functional-anatomical macrosystems – the central extended amygdala (central nucleus of amygdala, interstitial nucleus of posterior limb of anterior commissure and lateral bed nucleus of stria terminalis) and ventral striatum (nucleus accumbens and olfactory tubercle) form a continuous field of Wfs1-enriched neurons spanning the basal forebrain. Finally, we created a Wfs1-deficient mouse strain in order to uncover the behavioral effects of Wfs1. Wfs1-deficiency resulted in higher anxiety response in stressful situations as indicated by increased eating latency in hyponeophagia test, lower exploration in brightly lit motility box, anxiety-like behavior in dark-light box test after short-term social isolation, a nearly three-fold higher plasma corticosterone concentration after handling and injection stress, and higher sensitivity to a moderate dose of diazepam in the plus-maze test. Additionally, a subset of Wfs1-deficient mice produced spontaneous audible vocalizations which increased in loudness under stressful conditions and were suppressed by the administration of diazepam. Wfs1-deficient mice display altered pharmacological responsiveness of the mesolimbic dopamine pathway as evidenced by differential sensitivity to amphetamine and apomorphine. The stimulatory effect of amphetamine at intermediate and high doses was significantly weaker in Wfs1-deficient mice, probably indicating lower presynaptic release potential for dopamine in the mesolimbic pathway. Conversely postsynaptic dopamine receptor agonist apomorphine induced significantly higher locomotor activation in Wfs1-deficient mice reflecting most likely postsynaptic upregulation of dopamine receptors in the mesolimbic area. Conclusions: (1) Wfs1 expression pattern in the mouse brain correlates with hearing loss, diabetes insipidus and psychiatric symptoms found in Wolfram Syndrome patients. (2) In mice, Wfs1-deficiency results in increased anxiety-like behavior which is apparent in stressful situations. Nii inimesel kui paljudel teistel liikidel on emotsioonide tajumine oluliseks kohanemiskäitumise osaks. Emotsioonid annavad meist väljaspool toimuvatele sündmustele hinnangu, mille tulemusena tekib organismi valmisolek nendele reageerimiseks. Emotsionaalse käitumise geneetiliste tegurite uurimine on viimastel aastakümnetel muutunud suureks uurimisvaldkonnaks, mis peamiselt loomkatsete abil püüab tuvastada geene, mida saaks rakendada psühhiaatriliste häirete ravimsihtmärkideks. Osaliselt tänu käesoleva töö tulemustele on üheks uueks kandidaadiks Wfs1 (Wolfram syndrome locus 1) geen, mis on oma nime saanud seoses haruldase päriliku haigusega, mis kannab nime Wolfram'i sündroom. Varasemad uuringud on näidanud, et veerandil Wolfram'i sündroomiga patsientidest esineb raskeid psühhiaatrilisi sümptomeid. Käesolevas töös leiti, et Wfs1 geeni ekspressioon roti mandelkehas suurenes pärast kassi lõhna poolt tekitatud hirmureaktsiooni. Lisaks oli suurenenud mitmete närviülekandega ja rakusisese signaaliülekandega seotud geenide ekspressioon (kaarboksüpeptidaas E, türosiin 3-monooksügenaasi aktiveeriv valk, Rho GTPaas, Ca-kalmoduliin-sõltuv kinaas jt.). Seejärel tuvastati Wfs1 valgu levik hiire kesknärvisüsteemis ja leiti, et Wfs1 ekspressioon on eriti tugev (1) kohanemiskäitumise regulatsiooniga seotud struktuurides - mandelkeha kompleks, sängituum, naalduv tuum, prefrontaalkoor, hipokampuse CA1 piirkond; (2) kuulmisega seotud struktuurides – alumine nelikküngastik, lateraalne lemniskus, primaarne kuulmiskoor; (3) endokriinfunktsiooni regulatsiooniga seotud struktuurides – supraoptiline tuum, paraventrikulaartuum, nucleus arcuatus; (4) hipokampuse talitlusega seotud ajukoore osad – peririnaalkoor, postrinaalkoor, entorinaalkoor, parasubiikulum. Seejärel loodi Wfs1 geeni puudulikkusega hiir, et uurida Wfs1 valgu puudumise mõju käitumisele. Wfs1-puudulikkus põhjustas hiirtel suurenenud ärevuse stressitekitavas keskkonnas, mis väljendus pikenenud söömislatentsina hüponeofaagia testis, väiksema uudistamisaktiivsusena intensiivse valgusega liikumisaktiivsuse testis, ärevuslaadse käitumisena hele-tume puuris pärast lühiajalist sotsiaalset isolatsiooni, kolm korda suurenenud kortikosterooni vastusena pärast süstimist ja käsitsemist, ja diasepaami suurenenud anksiolüütilise toimena plusspuuris. Kuni neljandik Wfs1-puudulikkusega hiirtest tõi kuuldavale spontaanseid häälitsusi, mis vaibusid pärast diasepaami manustamist. Wfs1-puudulikel hiirtel oli muutunud mesolimbilise dopamiinisüsteemi tundlikkus. Amfetamiini motoorikat stimuleeriv toime oli keskmises ja suures doosis nõrgem kui metsiktüüpi hiirtel. Sellele vastupidiselt põhjustas apomorfiini manustamine oluliselt suuremat motoorika aktivatsiooni kui metsiktüüpi hiirtel. Järeldused: (1) Wfs1 valgu ekspressioonimuster hiire ajus korreleerub kuulmiskahjustuse, magediabeedi ja psühiaatriliste sümptomite esinemisega Wolframi sündroomiga patsientidel (2) Wfs1 geeni puudulikkus põhjustab hiirtes ärevuselaadse seisundi, mis on eriti ilmne stressitekitavates olukordades.