Mechanisms of dopaminergic synaptic dysfunction in a mouse model of spinal muscular atrophy

Abstract

The development and maintenance of posture are among the earliest behaviors required for above ground locomotion in mammals. Neuromodulatory descending pathways and spinal motor circuits are complex yet essential for influencing intra-limb coordination and maintaining postural stability during locomotion. Assessing the neuromodulatory effects on rhythmic activity and motor behavior in mice has been crucial for understanding spinal locomotor network organization and the consequences of circuit dysfunction, yet the underlying mechanisms remain elusive. Dopamine and norepinephrine are two catecholamine’s essential for the initiation and coordination during movement. Reduction of dopamine and norepinephrine initiates the development of motor impairments linked to neurodegenerative disease. However, despite the use of in vivo and in vitro pharmacological treatments (Andersen et al., 2017; Kelly et al., 2009), neurotoxin induced lesions in areas of the brain (Kasanga et al., 2024; Wu et al., 2024), and optogenetic studies (Koblinger et al., 2018), the cellular and circuit mechanisms underlying the effects of catecholaminergic perturbations during early development and under pathological conditions are not well understood. Spinal muscular atrophy (SMA) is a neurodegenerative disease resulting from ubiquitous SMN (Survival of Motor Neuron) deficiency during early development, leading to severe motor dysfunction and postural deficits. In my PhD study, I investigated the role of catecholaminergic neuromodulation in a mouse model of SMA. By utilizing a combination of mouse genetics, behavioral assays, functional and anatomical approaches, we identified a progressive loss of catecholaminergic synapses from spinal neurons that occur via catecholaminergic-autonomous mechanisms. Importantly, we demonstrated that selective restoration of SMN in either catecholaminergic or serotonergic neurons is sufficient to correct key characteristics of the impaired locomotor activity in a SMA mouse model. In striking, contrast however, only a combined restoration of SMN in both catecholaminergic and serotonergic neurons, or pharmacological treatment with L-Dopa, improved significantly the severe postural deficits. These findings highlight novel synaptic and cellular mechanisms linked to deficits in catecholaminergic neuromodulation in SMA. The results from this thesis emphasize the importance of the combined effects of catecholaminergic and serotonergic systems on spinal locomotor networks, which influence the postural stability. Importantly, this thesis reveals that genetic restoration of SMN in catecholaminergic neurons or daily treatment with L-Dopa in vivo as promising therapeutic approach to alleviate the locomotor and postural deficits observed in SMA patients.

Η ανάπτυξη και η διατήρηση της στάσης του σώματος είναι μεταξύ των πρώτων συμπεριφορών που απαιτούνται για την κίνηση σε εδάφη από θηλαστικά. Οι κατασταλτικές νευρορυθμιστικές διαδρομές και οι κινητικοί κυκλώματα του νωτιαίου μυελού είναι περίπλοκα, αλλά ουσιαστικά για την επηρεασμένη συντονισμό εντός των άκρων και τη διατήρηση της σταθερότητας της στάσης κατά την κίνηση. Η αξιολόγηση των νευρορυθμιστικών επιδράσεων στην ρυθμική δραστηριότητα και τη κινητική συμπεριφορά σε ποντίκια έχει υπάρξει καθοριστική για την κατανόηση της οργάνωσης του κινητικού δικτύου του νωτιαίου μυελού και τις συνέπειες της δυσλειτουργίας του κυκλώματος, ενώ οι υποκείμενοι μηχανισμοί παραμένουν ασαφείς. Η ντοπαμίνη και η νορεπινεφρίνη είναι δύο κατεχολαμίνες που είναι ουσιώδεις για την εκκίνηση και τον συντονισμό κατά την κίνηση. Η μείωση της ντοπαμίνης και της νορεπινεφρίνης προκαλεί την ανάπτυξη κινητικών διαταραχών που σχετίζονται με νευροεκφυλιστικές ασθένειες. Ωστόσο, παρά τη χρήση φαρμακολογικών θεραπειών in vivo και in vitro (Andersen et al., 2017; Kelly et al., 2009), βλαβών που προκαλούνται από νευροτοξίνες σε περιοχές του εγκεφάλου (Kasanga et al., 2024; Wu et al., 2024), και μελετών οπτογενετικής (Koblinger et al., 2018), οι κυτταρικοί και κυκλωματικοί μηχανισμοί που υποκρύπτουν τις επιδράσεις των κατεχολαμινεργικών διαταραχών κατά την πρώιμη ανάπτυξη και υπό παθολογικές καταστάσεις δεν είναι πλήρως κατανοητοί. Η νωτιαία μυϊκή ατροφία (SMA) είναι μια νευροεκφυλιστική ασθένεια που προκύπτει από την πανταχού παρουσία έλλειψης του SMN (Survival of Motor Neuron) κατά την πρώιμη ανάπτυξη, οδηγώντας σε σοβαρές κινητικές δυσλειτουργίες και διαταραχές στη στάση του σώματος. Στη διατριβή μου, μελέτησα τον ρόλο της κατεχολαμινεργικής νευρορύθμισης σε ένα μοντέλο ποντικών για την SMA. Χρησιμοποιώντας έναν συνδυασμό γενετικής σε ποντίκια, συμπεριφορικών δοκιμών, λειτουργικών και ανατομικών προσεγγίσεων, εντοπίσαμε μια προοδευτική απώλεια των κατεχολαμινεργικών συνάψεων από τους νωτιαίους νευρώνες που συμβαίνει μέσω κατεχολαμινεργικών-αυτόνομων μηχανισμών. Σημαντικά, αποδείξαμε ότι η επιλεκτική αποκατάσταση του SMN είτε σε κατεχολαμινεργικούς είτε σε σεροτονινεργικούς νευρώνες είναι αρκετή για να διορθώσει τα βασικά χαρακτηριστικά της επηρεασμένης κινητικής δραστηριότητας σε ένα μοντέλο ποντικών για την SMA. Ωστόσο, σε εντυπωσιακή αντίθεση, μόνο ένας συνδυασμός αποκατάστασης του SMN και στους δύο τύπους νευρώνων, ή φαρμακολογική θεραπεία με L-Dopa, βελτίωσε σημαντικά τις σοβαρές διαταραχές της στάσης του σώματος. Αυτά τα ευρήματα αναδεικνύουν νέους συντακτικούς και κυτταρικούς μηχανισμούς που σχετίζονται με τις διαταραχές στην κατεχολαμινεργική νευρορύθμιση στην SMA. Τα αποτελέσματα αυτής της διατριβής τονίζουν τη σημασία των συνδυασμένων επιδράσεων των κατεχολαμινεργικών και σεροτονινεργικών συστημάτων στα κινητικά δίκτυα του νωτιαίου μυελού, τα οποία επηρεάζουν τη σταθερότητα της στάσης του σώματος. Σημαντικά, αυτή η διατριβή αποκαλύπτει ότι η γενετική αποκατάσταση του SMN σε κατεχολαμινεργικούς νευρώνες ή η καθημερινή θεραπεία με L-Dopa in vivo είναι μια υποσχόμενη θεραπευτική προσέγγιση για την ανακούφιση των κινητικών και στατικών διαταραχών που παρατηρούνται στους ασθενείς με SMA.