Effect of class I histone deacetylase inhibitors in 3xTg-AD mice

Abstract

Alzheimer’s disease is the commonest form of dementia worldwide. Clinically, this neurodegenerative disorder is characterized by cognitive decline, changes in personality and mood, and disorientation. Neuropathologically, it is characterized by the extracellular accumulation of beta-amyloid peptide (Aβ) forming senile plaques, and the intracellular deposition of hyperphosphorylated Tau protein forming neurofibrillary tangles. Alzheimer’s disease affects primarily the hippocampus and may progress towards the cerebral cortex. Recent studies showed that deregulation of histone acetylation is associated with increased chromatin compaction and the subsequent decrease in gene transcription. Thus, the study of inhibitors of enzymes that promote histone deacetylation, HDACs (Histone DeACetylases) became a matter of interest in Alzheimer’s disease therapeutics. Besides, it was shown that Aβ peptide induces the production of reactive oxygen species (ROS), such as hydrogen peroxide (H2O2), that further promote the activity of the Nrf2 (nuclear factor erythroid 2-related factor 2) transcription factor, altering cellular/tissue antioxidant profile. In this perspective, in this study we aimed to evaluate the possible effect of a HDAC inhibitor, sodium butyrate (SB) (1 mg/kg/day, for 42 days), in the attenuation of Alzheimer’s disease-related symptoms and neuropathology, using the triple transgenic mice for Alzheimer’s disease (3xTg-AD). 3xTg-AD mice at 10.5 months of age showed increased anxiety levels associated to the disease in comparison to non-transgenic/wild-type (WT) mice, that was not reverted by treatment with SB. Memory processes analysed through the Y-maze, the novel object recognition and object displacement tests showed no alterations in 3xTg-AD animals nor after treatment with SB. Quantification of acetylation levels of histone H3, the levels of total and phosphorylated Tau, as well as Nrf2 levels showed no significant differences between control and 3xTg-AD animals either. Treatment of 3xTg-AD mice with SB did not significantly affect any of these parameters either. Aiming to explain the lack of behavioural and biochemical differences between the 3xTg-AD and WT animals, the presence of Aβ aggregates and hyperphosphorylated Tau were assessed by immunohistochemistry in the hippocampus of 3xTg-AD mice. However, we did not observe any histopathological markers associated with this neurodegenerative disorder. The most probable explanation for these results is a delay in the disease development, leading to a later appearance of brain histopathological markers and behavioural alterations, as suggested by recent literature. In future studies, it will be interesting to analyse an animal model with a more severe pathological progression, such as the APP/PS1 transgenic mice.

A doença de Alzheimer é a forma mais comum de demência a nível mundial. Clinicamente, caracteriza-se por declínio cognitivo, alterações de personalidade e humor, e desorientação. Neuropatologicamente, esta doença neurodegenerativa caracteriza-se pela acumulação extracelular do péptido beta-amilóide (βA), com formação de placas senis, e pela acumulação intracelular da proteína Tau hiperfosforilada formando tranças neurofibrilares. A patologia afeta maioritariamente o hipocampo, podendo progredir para o córtex cerebral. Estudos recentes mostram que a desregulação da acetilação das histonas está associada ao aumento da compactação da cromatina, com a consequente diminuição da transcrição génica. Assim, o estudo dos inibidores de enzimas que promovem a deacetilação das histonas, as HDAC (do inglês histone deacetylase), tem vindo a ganhar interesse como potenciais terapias contra a doença de Alzheimer. Para além disto, o péptido βA induz a produção de espécies reativas de oxigénio (ERO), tais como o peróxido de hidrogénio (H2O2), que promovem a atividade do fator de transcrição Nrf2 (do inglês nuclear factor erythroid 2-related factor 2), alterando assim a resposta antioxidante. Nesta perspetiva, neste estudo pretendemos avaliar o efeito de um inibidor das HDAC, o butirato de sódio (SB, do inglês sodium butyrate) (1 mg/kg/dia, durante 42 dias), na modificação dos sintomas e neuropatologia associados à doença de Alzheimer, utilizando o murganho triplo transgénico para a doença de Alzheimer (3xTg-AD). Os animais 3xTg-AD com 10.5 meses de idade apresentaram um nível elevado de ansiedade em comparação com animais não transgénicos (wild-type, WT), que não foi minimizado pelo tratamento com SB. Por outro lado, em testes comportamentais que permitem avaliar processos mnemónicos, como o labirinto em Y (Y-maze), o reconhecimento de novos objetos e o teste de deslocação de objetos, não se observaram alterações significativas nos animais 3xTg-AD. A determinação dos níveis de acetilação da histona H3, dos níveis da proteína Tau total e fosforilada, assim como os níveis de Nrf2 nestes animais, com recurso à técnica de Western blotting mostrou que não só não existiam diferenças entre os animais 3xTg-AD e animais controlo wild-type, como o tratamento dos animais 3xTg-AD com SB não afetou nenhum destes parâmetros. Para tentar explicar a inexistência de diferenças entre os animais 3xTg-AD e WT avaliou-se a presença de agregados de βA e de Tau hiperfosforilada por imunohistoquímica nos animais 3xTg-AD. Porém, não se verificou a presença de marcadores histopatológicos da doença nestes animais. A explicação mais provável para estes resultados poderá ser um atraso no desenvolvimento da doença causado pelo aparecimento mais tardio dos marcadores histopatológicos e das alterações comportamentais, como sugerido na literatura recente sobre este modelo transgénico. Futuramente, será necessária a realização deste estudo num modelo animal que apresente uma progressão mais acelerada da patologia, nomeadamente no murganho transgénico APP/PS1.