Riassunto analitico
Homeobox empty spiracles 2 (Emx2), un gene omeobox presente nei vertebrati e corrispondente al gene “empty spiracles” (ems) in Drosofila, codifica per un fattore trascrizionale espresso durante lo sviluppo in diverse regioni cerebrali. Emx2 è principalmente espresso nel neuroepitelio primario del giro dentate (GD) dove svolge un ruolo fondamentale durante lo sviluppo; infatti topi mutanti Emx2-/- mostrano un deficit nella migrazione dei precursori e nell’impalcatura astrogliale che induce la totale assenza del GD. Questi topi mostrano anche problemi di sviluppo del sistema urogenitale e muoiono poche ore dopo la nascita. L’espressione di questo fattore di trascrizione persiste nei progenitori neuronali del GD dell’ippocampo e nell’area subventricolare del cervello adulto. A differenza dei topi Emx2-/-, i topi Emx2+/- sono vitali, riescono a riprodursi e non hanno importanti anomalie a livello cerebrale e comportamentale con l’eccezione di alcuni deficit nell’arealizzazione corticale e in specifici comportamenti relativi a modalità sensoriali. Nonostante Emx2 sia principalmente coinvolto nello sviluppo dell’ippocampo, gli effetti dell’aploinsufficienza di Emx2 sulle strutture ippocampali e sulle sue funzioni non sono stati molto studiati.
Per meglio comprendere gli effetti dell’aploinsufficienza di Emx2 nel cervello adulto, nel presente lavoro di tesi si riportano i dati relativi allo studio della neurogenesi del GD a diverse età e dati relativi ai comportamenti ippocampo-dipendenti. Abbiamo misurato i livelli di neurogenesi nel GD con il metodo della BrdU. I risultati dimostrano che, la distribuzione intra-regionale delle cellule BrdU-positive nei topi Emx2+/- è mantenuta a differenza del loro numero che risulta ridotto del 40% in tutti i tempi esaminati.
Per testare l’apprendimento spaziale e l’abilità mnestica che dipendono dall’ippocampo, i topi di 6-8 mesi sono stati sottoposti al labirinto acquatico di Morris; abbiamo inoltre valutato la memoria di contesti e stimoli associati alla paura in topi Emx2+/- con il test di “fear conditioning”.
I dati relativi al Morris dimostrano che i topi Emx2+/- hanno un significativo calo sia nella curva di apprendimento che nel test probe. Non sono state rilevate differenze nella distanza totale percorsa dai topi di controllo e dai mutanti.Cciò sta ad indicare che le variazioni osservate non possono essere attribuite ad alterazioni nelle capacità motorie.
Nel fear conditioning i topi Emx2+/- hanno mostrato una diminuzione significativa del numero di freezing sia nel test con lo stimolo che in quello con il contesto associato alla paura ad indicare una differente di memoria emozionale in topi mutanti.
In conclusione, I nostri dati suggeriscono che l’aploinsufficienza di Emx2 causi una riduzione parziale a lungo termine della neurogenesi nell’adulto che è associata a deficit di esecuzione di compiti cognitivi dipendenti dalle funzioni ippocampali. Questi dati avvalorano l’ipotesi che mutazioni o polimorfismi che riducono la funzione di Emx2 possano causare lo sviluppo di deficit cognitivi e/o possano conferire una maggior suscettibilità allo sviluppo di malattie neuropsichiatriche caratterizzate da un deficit di neurogenesi ippocampale.
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Abstract
Empty spiracles homeobox 2 (Emx2), a vertebrate homeobox gene related to Drosophila empty spiracles (ems) gene, codes for a transcription factor expressed during development in various brain regions. Emx2 is prominently expressed in the primary neuroepithelium of the dentate gyrus (DG) where it plays a crucial developmental role; in fact Emx2-/- mutant mice show a major deficit in migrating precursors and astroglial scaffold that results in total loss of DG. These mice also show an agenesis of their genitourinary system and die within a few hours after birth. The expression of this transcription factor continues in neural progenitors of the DG of the hippocampus and in the forebrain periventricular area of the adult brain.
Unlike Emx2-/- mice, Emx2+/- mice are viable, can reproduce and have no gross cerebral or behavioral abnormalities with the exception of some deficits in cortical arealization and modality-specific behaviors. Notwithstanding the fact that Emx2 is prominently involved in hippocampal development, the effect of Emx2 haploinsufficiency on hippocampal structures and function has not yet been studied.
Here we studied DG neurogenesis at different ages and a number of hippocampus-dependent behaviors to better understand the effect of Emx2 haploinsufficiency in adult brain.
We measured neurogenesis levels in the DG by the BrdU method. Results demonstrated that, while the intra-regional distribution of BrdU-positive cells in Emx2+/- mice is maintained, their number is reduced by 40% at all times tested.
To test spatial learning and memory abilities that depend on hippocampal integrity, we administered the Morris water maze to 6-8 month-old mice; to probe the retention of context and cues in fear memory Emx2+/- mice were tested in fear conditioning test.
In the first test, Emx2+/- mice showed a significant impairment in both learning curve and probe test; no differences were recorded in total distance covered by control and mutant mice indicating that the changes observed cannot be attributed to motor impairments.
In fear conditioning test, Emx2+/- mice had a significant decreases in freezing time both in cued and context test, indicating an impairment in emotional memory in these mice.
In conclusion, our data suggest that Emx2 haploinsufficiency causes a long-term partial reduction in adult neurogenesis that is associated with an impairment in the execution of cognitive tasks dependent on hippocampal functions. These data also support the hypothesis that mutations or polymorphisms that reduce EMX2 function may cause developmental cognitive impairments and/or confer increased susceptibility to develop neuropsychiatric diseases characterized by impaired hippocampal neurogenesis.
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