The role of microglial synaptic pruning in murine models of psychiatric symptoms

Abstract

Microglia are first responders to disruptions in homeostasis and key modulators of synaptic refinement in the central nervous system (CNS). Alterations in microglia phenotype have been implicated in psychiatric disorders including autism spectrum disorder (ASD), innate high anxiety and depression, with little attention given to the interplay of microglia and synapses. Therefore, I investigated the microglial engulfment of synapses, along with the main pathways regulating this function, by using two mouse models for symptoms of psychiatric disorders: mice with innate high anxiety-related behavior (HAB) and the Neuroligin-4 knockout (Nlgn4-KO) mouse model of ASD. In the first project (A), I focused on the ASD model and found reduced engulfment of synapses by microglia in the Nlgn4-KO hippocampus, which appeared stronger in males compared to females. In addition to demonstrating deficits in synaptic engulfment, I reported significant dysregulations in the TREM2 signaling pathway, including reduced surface expression of TREM2 on microglia, elevated levels of soluble TREM2, and decreased levels of APOE in the Nlgn4-KO hippocampus at postnatal day 90 (P90). I also demonstrated that neither the synaptic engulfment deficits nor the dysregulations in the TREM2 pathway were present at an earlier developmental time point (P15), suggesting that they occur later in development and contribute to an abnormal microglial response at the adult stage in the Nlgn4-KO hippocampus. I also addressed the changes in the synaptosome proteome, as well as in behavior; and reported impaired spatial learning and memory in the Nlgn4-KO male mice; whereas found no major changes in the synaptosome proteome in the Nlgn4- KO hippocampus. 1 In the second project (B), I focused on the innate high anxiety and depression model (HAB). I analyzed microglial heterogeneity in both sexes of HABs using single-cell RNA sequencing, which revealed ten distinct clusters varied by their frequency and gene expression status. I found striking sex-related differences, including a higher proportion of microglia clusters associated with phagocytosis in the HAB female compared to the HAB male. Furthermore, I reported that these clusters primarily upregulate the genes related to synaptic engulfment such as Trem2 in females. I functionally validated these findings by showing that a greater number of synapses were engulfed by the female HAB microglia compared to the male HAB in the hippocampus. I also investigated the effect of minocycline, which significantly reduced the engulfment of synapses by microglia in females, suggesting a sexually dimorphic recovery in response to the treatment. Overall, herein I have identified sex-dependent dysregulations in the microglial engulfment of synapses and TREM2 signaling in both models for symptoms of psychiatric disorders. I propose these sex-specific dysregulations as potential avenues to target microglia in a broader context of psychiatric disorders.

Mikroglia sind die ersten Zellen des zentralen Nervensystems, die auf Störungen der Homöostase reagieren und sie kontrollieren auch die Anzahl der Synapsen. Veränderungen des Mikroglia-Phänotyps wurden bei psychiatrischen Störungen wie Autismus-Spektrum-Störungen (ASD) und Angststörungen sowohl in Tiermodellen als auch bis zu einem gewissen Grad bei Patienten nachgewiesen. Dem Zusammenspiel zwischen Mikroglia und Synapsen wurde jedoch bisher wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Daher konzentriere ich mich in der vorliegenden Arbeit auf das "synaptische Pruning" anhand von zwei verschiedenen Mausmodellen mit psychiatrischer Symptomatik: Mäuse mit angeborenem hohem Angstverhalten (HAB) und das Neuroligin-4-Knockout-Mausmodell (Nlgn4-KO) für ASD. Im ersten Projekt (A) konzentriere ich mich auf das Modell für ASD und zeige ein reduziertes "synaptisches Pruning" durch Mikroglia im Nlgn4-KO-Hippocampus. Darüber hinaus berichte ich über signifikante Dysregulationen im TREM2-Signalweg, z. B. eine geringere Oberflächenexpression von TREM2 auf Nlgn4-KO-Mikroglia zusammen mit höheren Spiegeln von löslichem TREM2 und geringeren APOEWerten im Nlgn4-KO-Hippocampus bei P90. Im Vergleich dazu zeigte ich bei P15 keine Defizite bei der synaptischen Aufnahme, was darauf hindeutet, dass Dysregulationen bei der TREM2-Signalübertragung und eine damit verbundene mikrogliale Reaktion erst im Nlgn4-KO-Hippocampus im Erwachsenenalter nachweisbar sind. Darüber hinaus habe ich bei männlichen Nlgn4-KO-Mäusen eine Beeinträchtigung des räumlichen Lernens und Gedächtnisses festgestellt, während es im Synaptosom-Proteom des Nlgn4-KO-Hippocampus keine größeren Veränderungen gab. Im zweiten Projekt (B) konzentriere ich mich auf die mikrogliale Dysfunktion im Zusammenhang mit angeborener Angststörung und Depression. Ich habe die mikrogliale Heterogenität in beiden Geschlechtern von HABs mittels Einzelzell-RNASequenzierung analysiert. Ich fand geschlechtsspezifische Unterschiede, einschließlich eines höheren Anteils an phagozytose-assoziierten Mikroglia-Clustern bei weiblichen HABs im Vergleich zu männlichen. Darüber hinaus konnte ich zeigen, dass diese Cluster in erster Linie Gene hochregulieren, die bei weiblichen Mäusen mit dem synaptischen "Pruning" in Verbindung gebracht werden, wie z. B. Trem2, was ich funktionell bestätigte, indem ich zeigte, dass weibliche HAB-Mikroglia im Vergleich zu männlichen HAB-Mikroglia eine größere Menge an Synapsen phagozytierten. Außerdem konnte ich nachweisen, dass Minocyclin die Aufnahme von Synapsen durch Mikroglia bei weiblichen Tieren deutlich verringert. Insgesamt habe ich hier geschlechtsabhängige Dysregulationen bei der mikroglialen Aufnahme von Synapsen und der TREM2-Signalgebung in beiden Modellen für Symptome psychiatrischer Störungen festgestellt. Ich schlage diese geschlechtsspezifischen Dysregulationen als potenzielle Wege vor, um Mikroglia in einem breiteren Kontext psychiatrischer Störungen zu beeinflussen.