long-term corticolimbic abnormalities following immune and

DISS.ETH NO: 23008
LONG-TERM CORTICOLIMBIC ABNORMALITIES FOLLOWING
IMMUNE AND NUTRITIONAL DISTURBANCES IN THE EARLY ENVIRONMENT
A thesis submitted to attain the degree of
DOCTOR OF SCIENCES of ETH ZURICH
(Dr. sc. ETH Zurich)
presented by
MARIE ANAIS LABOUESSE
Diplôme d’ingénieur AgroParisTech (Paris, France)
born on 27.09.1986
citizen of France
accepted on the recommendation of:
Prof. DVM. Wolfgang Langhans, examiner
Prof. Dr. Urs Meyer, co-examiner
Prof. Dr. Christoph Kellendonk, co-examiner
Prof. Dr. Patricio O’Donnell, co-examiner
2015
Summary
Summary
The early environment is attaining increasing attention with respect to its role in
determining the susceptibility towards neurodevelopmental disorders such as schizophrenia.
Environmental insults that disrupt the fetal immune milieu have received wide appreciation
in this context. The early environment also holds critical relevance for numerous other
disorders with environmental etiologies, including obesity and its related neuropsychiatric
comorbidities. The latter may be driven to a great extent by the profound environmental
shifts occurring in the modern world, including changes in the human diet. Human studies
are not able to establish causality for such associations and are limited in their capacity to
unravel the underlying cellular and molecular mechanisms. The elucidation of the neuronal
consequences of early environmental adversities in animal models may help to increase our
understanding of the etiology of neuropsychiatric disturbances in general, and of
schizophrenia and obesity-related comorbidities in particular. Corticolimbic circuits may be
critically involved in some of the functional aberrations manifest in these patient
populations, which include, among others, cognitive impairments and reward-related
abnormalities. The present dissertation thus aimed at identifying possible corticolimbic
dysfunctions in two epidemiologically informed animal models of early environmental
insults.
Adolescence is a nutritionally vulnerable developmental stage, displaying amplified caloric
needs and a tendency for poor nutritional choices. In our first line of research, we developed
a mouse model of adolescent high fat diet (HFD) exposure to explore: (i) the susceptibility of
late-maturing brain regions towards the negative consequences of adolescent HFD feeding
and (ii) the possible neuronal mechanisms implicated in these effects. The first series of
experiments revealed that adolescence is a vulnerable window for the emergence of
prefrontal cognitive impairments induced by HFD treatments, but not for the development
of obesity. Given the role of the prefrontal γ-aminobutyric acid (GABA) system in the
regulation of cognition, we examined the histological integrity of GABA neuronal types. We
identified early and specific reductions in the immunoreactivity for reelin, an extracellular
matrix protein implicated in the maturation of forebrain structures. We also showed that
reelin overexpression prevented the emergence of cognitive deficits induced by HFD
exposure. Our findings thus strongly suggest that the reelin protein represents a critical
neuronal source mediating the link between adolescent HFD and prefrontal-related
functions. We next explored the possible implication of epigenetic regulatory networks in
the observed prefrontal disturbances. Using genome-wide microRNA (miRNA) assays, we
identified wide-spread expression changes in the prefrontal miRNome following HFD
exposure. These findings provide support for a possible role of non-coding RNAs such as
miRNAs in the regulation of cognitive impairments following early life nutritional stress. In a
xiii
Summary
last series of investigations, we examined novel links between excessive HFD intake and
behavioral dysfunctions. We showed that HFD exposure targeting the peripubertal window
elicited disturbances in accumbal dopamine markers and simultaneous changes in prepulse
inhibition of the acoustic reflex, an operational measure of sensorimotor gating. Our
findings thus reveal the elevated sensitivity of the mesolimbic dopamine system towards the
negative consequences of adolescent HFD.
Fetal brain development is a complex and delicate process that is highly sensitive to
inflammatory disturbances. Maternal infection during pregnancy is an established risk factor
for neurodevelopmental disorders such as schizophrenia. In our second line of research, we
employed a mouse model of prenatal immune activation using the viral mimic
polyriboinosinic-polyribocytidilic acid (PolyI:C) with the aims of (i) further characterizing the
long-term behavioral impairments elicited by the immunological manipulation and (ii)
identifying possible molecular mediators of these effects. The first series of experiments
revealed that prenatal immune activation induced marked anomalies in reward-related
behaviors in the form of reduced place preference for sucrose, and concomitant increased
place preference for cocaine. These findings provide an important extension to this model by
identifying behavioral phenotypes reminiscent of those found in patients with
schizophrenia, including deficits in processing of natural rewards and heightened propensity
for drug use. Maternal infection could thus represent one possible etiological factor
implicated in the emergence of reward-related abnormalities in this patient population. In
our last experimental investigations, we addressed the possible role of DNA-methylation
epigenetic regulation in the emergence of GABAergic impairments and related prefrontal
cognitive anomalies following maternal infection. We show that prenatal immune activation
in mice increased promoter hypermethylation of the glutamate decarboxylase (GAD) 1 and 2
genes. These effects were associated with reduced expression of the corresponding mRNA
transcripts and correlated with cognitive dysfunctions. Our findings suggest that epigenetic
modifications at presynaptic GABAergic targets may represent an important mechanism
whereby maternal infection during pregnancy can induce long-term behavioral impairments
in the offspring.
Together, the experimental investigations presented in this thesis provide several lines of
evidence illustrating the vulnerability of the developing brain to early life environmental
adversities. Our animal models could thus represent important preclinical platforms
allowing to gain further insights into the neuronal and physiological mechanisms underlying
these associations and ultimately provide novel targets for the treatment of neuropsychiatric
disturbances with environmental etiologies.
xiv
Résumé
Résumé
D’importants travaux de recherche au cours des dernières années ont permis de montrer que
l’environnement au sein duquel se développe le cerveau joue un rôle crucial dans la
prédisposition aux maladies neuro-développementales, et ce depuis le début de la vie
embryonnaire jusqu’à la fin de l’adolescence. Par exemple, les agressions environnementales
qui perturbent le système immunitaire pendant la gestation sont associées à un risque plus
important de contracter un trouble psychiatrique comme la schizophrénie ou l’autisme. La
qualité de l’environnement durant les premiers âges de la vie a également une influence
majeure sur l’évolution de maladies chroniques telles que l’obésité (ainsi que sur les
comorbidités neuropsychiatriques qui y sont associées). Cependant, les études chez l’Homme
ne permettent pas d’établir de relation de cause à effet entre ces évènements; elles ne
permettent également pas d’identifier les mécanismes moléculaires et cellulaires impliqués.
Les modèles animaux sont en effet plus adaptés à ce type d’étude, contribuant ainsi
amplement à la compréhension détaillée des effets fonctionnels et structuraux engendrés
par les agressions environnementales aux débuts de la vie. À cet égard, les circuits
corticolimbiques sont particulièrement intéressants étant donné leur implication
systématique dans l’apparition de déficits comportementaux caractéristiques des patients
schizophrènes, et de façon distincte (et plus modérée) des patients obèses. Parmi ces déficits
comportementaux on notera que les troubles de la cognition et les dysfonctionnements au
sein du système de la récompense sont des exemples notoires. Ce travail de thèse a donc eu
pour objectif d’identifier des anomalies structurales et fonctionnelles dans les circuits
corticolimbiques de deux modèles animaux d’agressions environnementales; ces modèles
animaux modélisent chacun des facteurs de risques reconnus comme ayant des effets
délétères importants chez l’Homme.
L’adolescence est une période développementale particulièrement vulnérable, durant
laquelle la qualité nutritionnelle des régimes alimentaire a tendance à se dégrader, alors que
les besoins caloriques augmentent. Dans un premier aspect de notre recherche, nous avons
développé un modèle murin de régime hyperlipidique (HL) pendant l’adolescence afin
d’explorer: (i) la susceptibilité des régions immatures du cerveau aux conséquences néfastes
des régimes HL et (ii) les mécanismes neuronaux potentiellement impliqués. Dans une
première série d’expériences, nous montrons que l’adolescence est une période vulnérable
aux effets négatifs des régimes HL, notamment pour le développement de troubles cognitifs
préfrontaux (tels que la flexibilité cognitive), mais pas pour le développement de l’obésité.
Nous avons ensuite examiné l’intégrité des neurones sécrétant de l’acide γ-aminobutyrique
(GABA) dans le cortex préfrontal, le GABA étant notoirement impliqué dans la régulation des
facultés cognitives. Nous y avons observé une baisse de l’immunoréactivité pour la protéine
reelin, une protéine de la matrice extracellulaire jouant un rôle important dans la maturation
xv
Résumé
des structures prosencéphaliques. Nous avons ensuite montré que la surexpression de reelin
prévient l’apparition des déficits cognitifs induits par un régime HL. Nos résultats mettent
ainsi en évidence que la protéine reelin contribue de façon essentielle à l’apparition des
troubles cognitifs survenant à la suite de régimes HL. Dans une étude parallèle, nous avons
également envisagé la possibilité d’un mécanisme épigénétique contribuant aux
modifications transcriptionnelles du cortex préfrontal après un régime HL. Des dosages
large-spectre de microARN (miARN) ont ainsi permis d’identifier des changements
importants dans les niveaux d’expression des miARN préfrontaux à la suite d’un traitement
HL. Les ARN non-codants tels que les miARN seraient donc potentiellement impliqués dans
l’apparition de troubles cognitifs faisant suite à un stress nutritionnel pendant l’adolescence.
Dans notre dernière série d’expériences, nous avons examiné plus en détails les troubles
comportementaux pouvant découler d’un régime HL. Nos études montrent qu’un régime HL
pendant l’adolescence génère des anomalies importantes dans le système dopaminergique
au sein du noyau accumbens, et conduit simultanément à des changements dans le test de
l’inhibition par préimpulsion, un mécanisme cérébral sensorimoteur permettant de filtrer le
surplus d’informations. Ces derniers résultats révèlent la sensibilité accrue du système
dopaminergique mésolimbique aux effets néfastes des régimes HL.
Le développement fétal du cerveau est un processus complexe et délicat, hautement sensible
aux perturbations inflammatoires. Une infection maternelle pendant cette période est un
facteur de risque avéré pour les désordres neurodéveloppementaux tels que la
schizophrénie. Pour le second aspect de notre recherche nous avons utilisé un modèle murin
d’activation
immunitaire
prénatale
en
employant
un
imitateur
viral,
l’acide
polyriboinosinique-polyribocytidilique (PolyI:C) dans le but (i) de caractériser plus en détails
les dysfonctionnements comportementaux à long terme déclenchés par la manipulation
immune et (ii) d’identifier les médiateurs moléculaires impliqués. Premièrement, nous avons
montré qu’une activation immunitaire prénatale mène à des anomalies comportementales
significatives dans le circuit de la récompense, traduites par une préférence de place
conditionnée décrue pour le sucrose, mais accrue pour la cocaïne. Ces nouveaux résultats
sont similaires à des observations faites chez des patients schizophrènes, chez lesquels il y a
des déficits comparables dans le système neuronal répondant aux récompenses dites
« naturelles », et une propension plus grande à consommer des drogues. Une infection
pendant la grossesse pourrait donc constituer un facteur important dans l’émergence des
troubles comportementaux liés au système de la récompense chez les patients
schizophrènes. Dans une deuxième série d’expériences, nous avons examiné la possibilité
d’une régulation épigénétique du système GABAergique faisant suite à une infection
maternelle. Nous montrons qu’une activation immunitaire prénatale conduit à
l’hyperméthylation des promoteurs des gènes de la glutamate decarboxylase (GAD) 1 et 2,
xvi
Résumé
ainsi qu’à une expression réduite des ARNm correspondants. Ces phénomènes moléculaires
sont également corrélés à l’apparition de troubles cognitifs. D’après nos résultats, des
modifications épigénétiques ciblant le système GABAergique pourraient donc constituer un
mécanisme par lequel l’infection maternelle pendant la gestation engendre des troubles
comportementaux à long terme.
Dans l’ensemble, les études expérimentales présentées dans cette thèse constituent une
série
de
preuves
importante
indiquant
qu’un
cerveau
en
développement
est
particulièrement vulnérable aux agressions environnementales survenant aux débuts de la
vie. Nos modèles murins représentent donc des outils de recherche précliniques essentiels
pour améliorer la compréhension des mécanismes neuronaux et physiologiques impliqués.
Au long terme, ils devraient également permettre d’identifier de nouvelles stratégies
thérapeutiques dans le traitement de troubles neuropsychiatriques ayant une étiologie
environnementale.
xvii