Behavioural and genetic comparison of B6 and 129Sv mouse lines focusing on the anxiety profile and the expression of Lsamp gene

Abstract

Kaasaegne neuroteadus vajab hiiri nii baasteaduses haiguste ja häirete mudeldamiseks kui ravimiarenduse valdkonnas ohutuse testimisel, enne kui ravimikandidaati tohib hakata inimeste peal katsetama. Tänapäevased näriliste mudelid püüdlevad etoloogilisema lähenemise poole. Loomade elutingimused ja ka katsed peavad toimuma võimalikult loomuomases keskkonnas. Surve selliseks lähenemiseks kasvab nii teadlaste kogukonnast, kes tahavad, et nende tulemused oleksid võimalikult valiidsed ja kõrge translatsioonilise väärtusega, kui ka seadusloome tasandilt (direktiiv 2010/63/EU), mis tuleb vastu heaoluühiskonna eeldustele loomade heaolu kohta. See, kuidas närilisi laborites kasvatatakse ja milliseid käitumiskatseid nendega tehakse, mõjutab katsetest saadud tulemusi. Käesolev doktoritöö hindab erinevates keskkonnatingimustes, see tähendab individuaalselt, tavapuuris või rikastatud keskkonnas üles kasvamise mõju klassikalistele hiireliinidele B6 ja 129Sv. Lisaks keskendub töö eelmainitud taustaliinidesse loodud Lsamp-puudulikkusega hiire iseloomustamisele. B6 hiired kasutavad varasemalt teadaolevalt keskkonnas toime tulemiseks ja kohanemiseks aktiivset toimetulekustrateegiat; samades tingimustes käituvad 129 liini hiired alalhoidlikult ja passiivselt. Tuvastasime uuringutega, et rikastatud keskkonnas elamine mõjub aktiivsetele B6 loomadele paremini kui ärevatele 129Sv liini hiirtele. Farmakoloogilised ja käitumiskatsete andmed viitavad, et 129Sv hiirte monoamiinsüsteem on rikastatud keskkonnas üle stimuleeritud, mis tingib ebaadekvaatse kohanemisreaktsiooni. Lsamp geen juhib närvisüsteemi kujunemisel neuronite ühenduste kujunemist. Mutatsioone selles geenis seostatakse ärevus- ja meeleoluhäiretega. Lsamp-puudulikkusega hiirtel, kellel see geen on välja lülitatud, esineb kõrvalekaldeid sotsiaalses käitumises ning uudses ja ärevas olukorras kohanemisel. Lsamp geenil on kaks promootorit: 1a ja 1b. Käesolevas töös näitasime esmakordselt nende erinevaid ekspressioonimustreid hiire ajus. 1b on transkriptsiooniliselt aktiivne sensoorsetes juhteteedes alates tuumadest ajutüves ja taalamuses kuni primaarsete sensoorsete aladeni ajukoores. 1a promootor ekspresseerub klassikalistes limbilistes struktuurides nagu hippokampus ja hüpotaalamus. Lsamp promootorite ekspressiooni tasemed hippokampuses käitumiskatsete järgselt viitavad, et koos Bdnfiga mängib lsamp olulist rolli aju plastilisuses ja kohanemiskäitumise reguleerimisel. Nii geneetiline taust kui kasvukeskkond mõjutavad Lsamp geeni ekspressiooni. Käesolevas töös näitame, et rikastatud keskkond suurendab Lsamp 1b transkripti ekspressiooni taset B6 hiirte hippokampuses; sama tendents ilmneb ka teise uuritud 129Sv liini juures ja mõlemal liinil 1a promootori puhul. Ka liinide vahel esineb märkimisväärseid erinevusi. Ärevate 129Sv loomade ajus on Lsamp 1a transkripti ekspressioon hippokampuses oluliselt kõrgem (hoolimata kasvukeskkonnast) kui B6 hiirtel. Samas Lsamp 1b transkript ekspresseerub kõrgemal tasemel B6 liini taalamuses ja ajukoores, mis võiks aidata seletada liinidevahelisi erinevusi füüsilises aktiivsuses, ruumilises mälus ja peenmotoorikas. Edasistes uuringutes tuleb vaadelda Lsampi ekspressiooni muutumist erinevates ajapunktides. Viimaste põlvkondade jooksul on läänemaailmas inimeste kasvukeskkond dramaatiliselt muutunud. Teisel viisil, kuid samaväärselt muutub ka laborinäriliste kasvukeskkond. Lisaks ebamugavustele, mis selliste muutustega kaasnevad, saab seda vaadelda kui võimalust avastamaks uusi fenotüüpe, mis varem ei saanud avalduda. Geenide ja keskkonna vahelised interaktsioonid väärivad süvitsi edasi uurimist nii transgeensetes loommudelites kui ühiskonnas laiemalt.

Contemporary neuroscience needs mice in basic sciences to model diseases or disorders and in drug discovery for safety testing before a new drug can be entered into phase I studies on human subjects. Current rodent models aspire for ethological approach. Animal husbandry and experiments should take place in settings as close to natural as possible. Demand for such conditions is in rise in scientific community, who are interested in highly valid and translational results but compulsory by law (directive 2010/63/EU) which conforms to welfare society’s expectations about animal welfare. The results of animal experiments are influenced by the rearing conditions and the sort of experiments that are chosen. Present dissertation evaluates the impact of three rearing envrironments on common laboratory mouse strains B6 and 129Sv. The conditions are: individual housing, standard housing and enriched environment. Furthermore it will focus on describing Lsamp-deficient mice generated into abovementioned backgrounds. B6 mice are known to use active coping strategy while adapting to the environment; in a similar conditions 129Sv mice are passive and inhibited. With results presented in this dissertation we demonstrated that environmental enrichment is likely more beneficial for B6 male mice compared to more anxious 129Sv. Pharmacological and behavioural data indicates that the monoaminergic system of 129Sv mice is overstimulated in an enriched environment which leads to inadequate reaction. In a growing nervous system Lsamp gene guides the development of the connections between neurons. Mutations in the Lsamp gene are associated with anxiety and mood disorders. Lsamp-deficient mice have displayed abnormalities in social behaviour and in adaptations to the novel and anxiety provoking environment. Lsamp gene has two promoters: 1a and 1b. Current dissertation showed for the first time the differential expression pattern of those in the mouse brain. 1b is transcriptionally active in the in sensory pathways from nuclei in the brainstem and thalamus to the primary sensory cortex. 1a promoter is expressed in the classical limbic structures such as hippocampus and hypothalamus. The expression levels of Lsamp promoters in the hippocampus after behavioural experiments indicate that Lsamp along with a Bdnf plays an important role in the plasticity and in the regulation of adaptive behaviours. Genetic background and rearing environment influence the expression of Lsamp gene. In the current work we show that enriched environment elevates the expression of Lsamp 1b transcript in the hippocampi of B6 mice; similar tendency exists in other studied mouse line 129Sv and in both mouse lines for the 1a transcript. There are also remarkable differences between the strains. Anxious 129Sv animals (in all rearing environments) express more 1b transcript in their hippocampus than B6 mice. At the same time Lsamp 1b transcript is more highly expressed in the thalamus and cortex of B6 mice, which could help explain differences between the lines in locomotor activity, spatial memory and fine motor skills. In the future Lsamp expression has to be studied longitudinally. In western society the rearing environment for people has changed dramatically over the last few generations. Different but equally effective changes have happened in laboratory rodent environments. This does not have to be annoyance for the researcher, but can also be seen as an opportunity. The animals from the enriched environment can reveal phenotypes that could not have been discovered before. It is crucial to continue to investigate gene-environment interactions in trans-genetic animal models and in human population.