Microglial dysfunction in Cstb-/- mice, a model for the neurodegenerative disorder progressive myoclonus epilepsy of Unverricht-Lundborg type, EPM1

Abstract

The autosomal recessively inherited progressive myoclonus epilepsy of Unverricht- Lundborg type (EPM1, OMIM 254800) is a neurodegenerative disease severely affecting patients motor coordination. Its onset lies around 6 to 16 years of age and the presenting symptoms are severely incapacitating, stimulus-sensitive myoclonus and/or tonic-clonic seizures. Later during disease course, the patients develop ataxia. EPM1 is caused by mutations in the cystatin B (CSTB, OMIM 601145) gene, encoding the cysteine protease inhibitor CSTB. The CSTB-deficient mouse (Cstb-/- mice) is characterized by neuronal hyperexcitability and brain atrophy. In addition, histological studies revealed that the neuronal pathology is accompanied by early microglial activation. Aberrant activation of microglia and neuroinflammation has previously been linked to neuropathology and neurodegenerative diseases. Therefore, we aimed to characterize microglia of Cstb-/- mice in more detail.

Our results identified impaired interferon signaling as a potential molecular pathway underlying the phenotype of Cstb-/- mice. In addition, functional properties of activated primary Cstb-/- microglia are altered in vitro. For example, their chemokine release is enhanced, but their phagocytic activity is reduced. In pre-symptomatic Cstb-/- mouse brains at postnatal day 14, the activation of Cstb-/- microglia is shifted towards an anti-inflammatory activation, and it switches towards a pro-inflammatory activation in early symptomatic Cstb-/- mice at postnatal day 30. In line with this, inflammatory markers are upregulated, and T lymphocytes and granulocytes exist in the brain of Cstb-/- mice, which suggests an infiltration of peripheral immune cells. Pro-inflammatory activated macrophages in the spleen imply a widespread immune system activation in Cstb-/- mice.

In conclusion, we show that microglia in Cstb-/- mice are dysfunctional and that their activation is aberrant. We link CSTB deficiency in young mice to inflammatory processes and suggest that microglial dysfunction might contribute to the pathology of EPM1.

Tutkimuksemme kohteena on hermorappeumasairaus EPM1 eli Unverricht-Lundborgin tauti, jonka pääoireita ovat tahdottomat lihasnykäykset eli myokloniat ja/tai epileptiset kohtaukset, sekä näitä seuraava ataksia eli haparointi. Tauti ilmenee yleensä 6-16 vuoden iässä ja sen taustalla ovat perinnölliset muutokset kystatiini B -geenissä. Geeni tuottaa proteaasinestäjää, jonka puute tai muuttunut toiminta johtaa EPM1-sairauteen. Tutkimuksemme hyödyntää hiirimallia, josta kystatiini B-geeni on poistettu (kystatiini B -puutteinen hiiri). Näille hiirille kehittyy myokloniaa ja ataksiaa, ja ne muistuttavat suuresti ihmisen EPM1-sairautta. Aikaisemmat tutkimuksemme ovat osoittaneet, että aivojen immuunisolut, mikrogliasolut, ovat aktivoituneet jo nuorten kystatiin B -puutteisten hiirten aivoissa. Poikkeava mikrogliasolujen aktivaatio ja aivojen tulehdusreaktiot on aiemmin liitetty aivojen patologisiin tiloihin ja hermorappeumasairauksiin. Tässä tutkimustyössä olemmekin tutkineen yksityiskohtaisemmin mikrogliasolujen toimintaa kystatiini B -puutteisten hiirten aivoissa.

Tuloksemme viittaavat interferoni-signalointireittien puutteellisen toiminnan voivan olla kystatiini B -puutteisen hiiren ilmiasun taustalla. Havaitsimme myös aktivoitujen mikrogliasolujen toiminnan muuttuneen. Kemokiinien vapauttaminen on tehostunut ja tulehdusmerkkiaineiden kuten tulehdusreaktioita lisäävän iNOS:n ja tulehduksia estävän ARG1:n tuotto kasvanut, mutta solujen fagosyyttinen aktiivisuus laskenut. Lisäksi kystatiini B -puutteisten hiirten aivoista löytyy T-lymfosyyttejä ja granulosyyttejä, mikä viittaa näiden immuunisolujen siirtyneen periferiasta aivoihin. Yleiseen immuunijärjestelmän aktivaatioon kystatiini B -puutteisella hiirellä viittaa myös pernan makrofagisolujen aktivoituminen.

Olemme tässä tutkimuksessa osoittaneet, että kystatiini B -hiiren mikrogliasolujen toiminta ja aktivaatio on poikkeavaa. Tuloksemme kytkevät kystatiini B -puutteen immuunijärjestelmän toiminnan muutoksiin nuorilla hiirillä. Tällaiset muutokset liitetään usein aivojen tulehdustiloihin, mikä viittaa siihen, että mikrogliasolujen poikkeava toiminta on ainakin osittain vastuussa EPM1:n patologiasta.