A translational approach to study the interaction of NOS-I and NOS1AP in schizophrenia
Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells
Final Report Abstract
Stickstoffmonoxid (NO) ist ein wichtiges Signalmolekül und wird im Gehirn vor allem durch die neuronale Stickstoffmonoxidsynthase (NOS-I) synthetisiert. NOS-I interagiert direkt mit den postsynaptische Dichte Proteinen PSD-93 und PSD-95 und wird so in der glutamatergen Postsynapse in die Nähe von NMDA Rezeptoren gebracht, was eine NMDA Rezeptor abhängige Freisetzung von NO durch NOS-I ermöglicht. NOS-I interagiert mit dem Strukturprotein NOS1AP und in früheren Studien wurde gezeigt, dass die Bindung von NOS1AP die Interaktion zwischen NOS-I und PSD-95 verhindert. NOS-I und NOS1AP wurden wiederholt im Rahmen genetischer und molekularer Untersuchungen mit psychischen Störungen assoziiert. So wurde unter anderem gezeigt, dass Patienten mit Schizophrenie, eine erhöhte Expression von NOS1AP im dorsolateralen Präfrontalcortex zeigen und verschiedene NOS1AP Genvarianten Endophänotypen die mit der Schizophrenie assoziiert sind begünstigen. Wir haben aufgrund dieser Erkenntnisse hypothetisiert, dass eine erhöhte NOS-I/NOS1AP Interaktion durch Überexpression von NOS1AP, zumindest in einem Teil der Patienten, zu Aspekten der Schizophrenie beitragen könnte. Diese Hypothese wollten wir im Rahmen dieses Projektes testen und das Potential von NOS1AP Proteininteraktionen als pharmakologisches Target überprüfen. Im Rahmen dieses Projektes konnten wir validieren, dass NOS1AP tatsächlich im dorsolateralen Präfrontalcortex, aber auch im Hippocampus von Patienten mit Schizophrenie, überexprimiert wird. Durch virusvermittelte Überexpression in neuronalen Primärzellen, sowie im Hippocampus der Maus, konnten wir zeigen, dass die Überexpression von NOS1AP zu dendritischen Veränderungen führt, die auch bei Patienten mit Schizophrenie beobachtet wurden (verkürzte Dendriten und reduzierte Anzahl an dendritischen Spines). Interessanterweise führte die hippocampale Überexpression entgegen unserer Erwartungen und bisheriger Erkenntnisse nicht zur Reduktion der NOS-I/PSD-95 sondern zu einer Erhöhung dieser Interaktion. In elektrophysiologischen Untersuchungen konnten wir zeigen, dass die NOS1AP Überexpression keinen Effekt auf die basale synaptische Transmission hatte. Gemeinsam mit den molekularen und morphologischen Untersuchungen weisen unsere Erkenntnisse aber auf ein Defizit bei der synaptischen Plastizität hin. Demnach zeigte sich in Verhaltensuntersuchungen, dass die Überexpression von NOS1AP im medialen Präfrontalcortex zu einer Störung des räumlichen Arbeitsgedächtnisses sowie zu einem defizitären sensomotorischen Gating führte. Hippokampale Überexpression führte dagegen zu einem gestörten Sozialverhalten und sozialem Gedächtnis sowie einer gestörten Arbeitsgedächtniskapazität. Diese Daten weisen zeigen, dass die Überexpression von NOS1AP in Abhängigkeit von der Gehirnregion zu spezifischen mit der Schizophrenie assoziierten Verhaltensdefiziten führt. Mit unseren Kollaborationspartnern waren wir in der Lage verschiedene Moleküle zu indentifizieren, die Proteininteraktionen von NOS1AP unterbinden. Eines dieser Moleküle, das die Proteininteraktionen an der NOS1AP PTB Domäne inhibiert, haben wir daraufhin in Wildtypmäusen unter chronischer Infusion in die lateralen Ventrikel untersucht. Während dieses Molekül in den Wildtypmäusen nicht zu signifikanten Veränderungen führte, zeigte sich ein klarer Trend zu einer Erhöhung der Präpulsinhibition der Schreckreaktion, einem der gemessenen schizophrenierelevanten Endophänotypen. Das getestete Molekül wird in zukünftigen Studien an Tiermodellen für die Schizophrenie getestet. Diese wurden im Rahmen dieses Projektes bereits etabliert und beinhalten sowohl genetische (NOS1AP Überexpression) als auch umweltabhängige (maternale Immunaktivierung) Modelle. Zusammengenommen weisen unsere Daten auf eine klare Rolle der NOS-I/NOS1AP Interaktion bei schizophrenierelevanten Phänotypen hin. Die pharmakologische Inhibition von Proteininteraktionen dieses Komplexes könnte daher ein realistisches neuartiges Behandlungskonzept für die Schizophrenie darstellen.
Publications
- 2015. Neuronal nitric oxide synthase (NOS1) and its adaptor, NOS1AP, as a genetic risk factors for psychiatric disorders. Genes, Brain Behav. 14, 46–63
Freudenberg, F., Alttoa, A., Reif, A.
(See online at https://doi.org/10.1111/gbb.12193) - 2015. On the role of NOS1 ex1f-VNTR in ADHD- allelic, subgroup, and meta-analysis. Am. J. Med. Genet. Part B Neuropsychiatr. Genet. 168, 445–458
Weber, H., Kittel-Schneider, S., Heupel, J., Weißflog, L., Kent, L., Freudenberg, F., Alttoa, A., Post, A., Herterich, S., Haavik, J., Halmøy, A., Fasmer, O.B., Landaas, E.T., Johansson, S., Cormand, B., Ribasés, M., Sánchez-Mora, C., Ramos-Quiroga, J.A., Franke, B., Lesch, K.-P., Reif, A.
(See online at https://doi.org/10.1002/ajmg.b.32326) - 2015. The role of α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4- isoxazolepropionic acid (AMPA) receptors in depression: Central mediators of pathophysiology and antidepressant activity? Neurosci. Biobehav. Rev. 52, 193–206
Freudenberg, F., Celikel, T., Reif, A.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.neubiorev.2015.03.005) - 2018. Challenges with modelling anxiety disorders: a possible hindrance for drug discovery. Expert Opin. Drug Discov. 13, 279–281
Freudenberg, F., O’Leary, A., Aguiar, D.C., Slattery, D.A.
(See online at https://doi.org/10.1080/17460441.2018.1418321) - 2019. Establishing an effective dose for chronic intracerebroventricular administration of clozapine in mice. Acta Neuropsychiatr. 31, 305–315
Esen-Sehir, D., Courtney, M.J., Bittner, R.A., Reif, A., Freudenberg, F.
(See online at https://doi.org/10.1017/neu.2019.31) - 2020. Nitric oxide interacts with monoamine oxidase to modulate aggression and anxiety-like behaviour. Eur. Neuropsychopharmacol. 30, 30–43
Carreño Gutiérrez, H., O’Leary, A., Freudenberg, F., Fedele, G., Wilkinson, R., Markham, E., van Eeden, F., Reif, A., Norton, W.H.J.
(See online at https://doi.org/10.1016/j.euroneuro.2017.09.004)
