Interplay between MeCP2 and BDNF in Rett Syndrome

Abstract

Loss of MeCP2 function causes classic Rett syndrome, a progressive neurodevelopmental disorder. MeCP2 is a transcriptional regulator controlling transcription of a wide range of downstream target genes. Considerable evidence links MeCP2 dysfunction to a synaptic phenotype in glutamatergic neurons, leading to significant loss of synapses formed. In particular, prior studies demonstrated that altered MeCP2 levels cause abnormalities in neurite outgrowth, glutamatergic synapse formation and synaptic response. However, molecular mechanisms by which MeCP2 affects synapse formation and other morphological and functional deficits are not fully understood. In this study, we identify a key role for BDNF in regulating glutamatergic synaptic response, general growth and differentiation in MeCP2-deficient hippocampal neurons at single-cell level. Initial analysis revealed significant reduction in axonal and dendritic outgrowth, and smaller somata in glutamatergic neurons lacking MeCP2. However, neurons overexpressing MeCP2 did not exhibit aberrant morphology suggesting that RTT-like phenotypes caused by MeCP2 loss and doubling are mediated via distinct mechanisms. Given the functional interaction between MeCP2 and BDNF, we investigated the role of BDNF signaling in regulating RTT-related morphological and physiological features in MeCP2-deficient excitatory neurons. We show, using lentivirus-mediated BDNF overexpression and exogenous application of recombinant BDNF, that increasing BDNF levels in MeCP2-deficient neurons quantitatively restored normal dendrite length, glutamatergic synapse number, soma size, and evoked EPSC amplitudes and RRP size, without affecting vesicular release efficiency. This phenotypic rescue was TrkB dependent since chronic block of TrkB receptors reverted neurons to a MeCP2-deficient state. These data elucidate the fundamental importance of BDNF-TrkB signaling for normal excitatory neuronal growth and synaptic function. Wildtype neurons were not capable of rescuing growth deficit in neighboring MeCP2-deficient neurons in an in vitro RTT model as well as in female MeCP2 heterozygous mice in vivo. Furthermore, TrkB activation specifically in MeCP2 mutant neurons was required to reverse BDNF- driven synaptic deficit revealing a novel cell-autonomous and autocrine role for BDNF in regulating RTT phenotype. We also observed that WT and MeCP2-deficient hippocampal neurons manifest persistent BDNF fusion events indicating membrane-resident BDNF deposits, without altering overall activity- dependent BDNF secretion. Taken together, our results demonstrate that loss of MeCP2 impairs BDNF-TrkB activity at single-cell level and that BDNF synthesis deficit and impaired cell-autonomous function of BDNF-TrkB are responsible factors for reduced excitatory synapse numbers in RTT. These findings provide mechanistic evidence for BDNF-mediated excitatory synapse formation in MeCP2 mutants and demonstrate the functional significance of a highly localized and cell-autonomous BDNF-TrkB feed-forward signaling pathway in RTT pathogenesis. This further substantiates therapeutic strategies to manipulate BDNF-TrkB signaling in MeCP2 mutant glutamatergic neurons that form 90% of all neurons in the CNS.

Der Funktionsverlust von MeCP2 führt zu einer neurologischen Entwicklungsstörung, dem Rett-Syndrom. Der Transkriptionsfaktor MeCP2 spielt eine wichtige Rolle bei der Regulierung vieler verschiedener Zielgene. Vieles deutet auf einen Zusammenhang hin, zwischen einer Dysfunktion von MeCP2 und einem Phänotyp in glutamatergen Neuronen. Diese Dysfunktion führt zu einem signifikanten Verlust bei der Formierung der Synapsen. Verschiedene Studien konnten bereits zeigen, dass eine Veränderung der Expressionslevel von MeCP2 zu Abnormitäten bei dem Auswuchs von Neuriten, der Formierung von glutamatergen Synapsen und deren synaptischer Antwort führen. Die molekularen Mechanismen wie MeCP2 die Ausbildung der Synapsen sowie die morphologischen und funktionellen Defizite beeinflusst, sind jedoch noch nicht vollständig untersucht. Wir konnten in dieser Studie eine Schlüsselrolle für BDNF in der Regulierung der synaptischen Antwort, dem Wachstum und der Differenzierung von hippokampalen Neuronen, welche defizient für MeCP2 waren, auf Einzelzellniveau nachweisen. Erste Analysen zeigten eine Reduktion im Auswuchs von Dendriten und Axonen. Weiterhin waren kleinere Somata in glutamatergen Neuronen, welche kein MeCP2 besaßen, sichtbar. Die Überexpression von MeCP2 zeigte jedoch keine morphologischen Veränderungen in Neuronen. Dies lässt darauf schließen, dass der Phänotyp welcher bei Rett-Syndrom beobachtet wird und in Zusammenhang mit dem Verlust oder der Verdopplung von MeCP2 Leveln in den Zellen steht, über weitere Mechanismen ausgelöst werden muss. Daraufhin untersuchten wir die Rolle von BDNF, welcher in einem funktionellen Zusammenhang mit MeCP2 steht. Durch die Überexpression von BDNF, entweder durch Infektion mit Lentiviren oder die exogene Applikation von rekombinanten BDNF, konnten wir zeigen, dass die Erhöhung der BDNF Level in Neuronen, welche kein MeCP2 besitzen, zu verschiedenen Effekten führte. Wir konnten auf quantitativem Level wieder die normale Länge der Dendriten beobachten, sowie auch die Anzahl der Synapsen in erregenden Neuronen. Ebenfalls zeigten elektrophysiologische Messungen wieder normale evozierte EPSC Amplituden und einen normalen RRP, ohne dabei die Freisetzungswahrscheinlichkeit von Neurotransmittern zu beeinflussen. Diese Beobachtungen waren auf TrkB zurückzuführen, da die dauerhafte Blockierung von TrkB Rezeptoren zu demselben Phänotyp führten, welchen wir auch in den MeCP2 defizienten Neuronen beobachten konnten. Diese Daten erklären die fundamentale Bedeutung des Signalweges von BDNF-TrkB für das Wachstum und die synaptische Funktion von erregenden Neuronen. In einem in vitro Rett-Modell waren benachbarte Wildtypneurone von Neuronen, welche defizient für MeCP2 waren, nicht in der Lage die morphologischen Veränderungen im Wachstum aufzuheben. Diese Beobachtung konnte in vivo bei weiblichen heterozygoten Mäusen bestätigt werden. Die Aktivierung von TrkB, insbesondere bei Neuronen von MeCP2 Mutanten, ist notwendig um die synaptischen Defizite, welche von der Fehlregulierung von BDNF ausgelöst werden, umzukehren. Dies zeigt eine neue Zell-autonome und autokrine Rolle von BDNF in der Regulierung des Rett- Phänotyps. Weiterhin beobachteten wir sowohl in WT und MeCP2 defizienten Neuronen anhaltende BDNF-Fusionen, welche auf membranständige BDNF-Depots hinweisen. Dies hatte jedoch keinen Einfluss auf die allgemeine aktivitätsabhängige BDNF Sekretion. Zusammengefasst zeigen unsere Ergebnisse, dass ein Verlust von MeCP2 die BDNF-TrkB Aktivität auf Einzelzellebene beeinträchtigt. Defizite in der Synthese von BDNF, sowie eine beeinträchtigte Zell-autonome Funktion von BDNF-TrkB sind verantwortliche Faktoren, für eine reduzierte Anzahl von erregenden Synapsen im Rett-Model. Dies weist auf eine durch BDNF vermittelte Formierung von erregenden Synapsen in MeCP2-Mutanten hin. Weiterhin zeigt dies die funktionelle Bedeutung eines stark lokalisierten und zellautonomen BDNF-TrkB feed-forward Signalweges in der Rett-Pathogenese. Das ZNS besteht zu ca. 90 % aus erregenden Neuronen, sodass Manipulationen im Signalweg von BDNF-TrkB in MeCP2-Mutanten, bereits bestehende therapeutische Ansätze bestätigt.