Abstract:

Versione in italiano:

L'incapacità di formare nuovi ricordi caratterizza la malattia di Alzheimer (AD). Nonostante un ampio corpo di studi, le prove causali sui possibili determinanti cellulari e molecolari sono lontane dall'essere conclusive, ponendo ostacoli significativi nella ricerca di una cura efficace.
I cambiamenti dipendenti dall'attività nella forza delle sinapsi eccitatorie supportano fisicamente la memorizzazione e il richiamo delle informazioni nel cervello. In linea con ciò, il lavoro sui modelli animali ha dimostrato che i deficit comportamentali nell'apprendimento e nella memoria sono accompagnati da un'alterazione della potenziamento sinaptico. Nonostante l'importanza di questo aspetto, una valutazione completa dell'effetto della AD sui processi di plasticità sinaptica associati all'apprendimento e alla memoria non è stata eseguita fino ad oggi.
Per affrontare questo problema da una nuova prospettiva, questo progetto sfrutterà una cassetta degli attrezzi geneticamente codificata, chiamata SynActive, sviluppata dal PI. SynActive consente di esprimere selettivamente praticamente qualsiasi gene reporter o attuatore, tramite traduzione locale e nella finestra temporale appropriata, nelle sinapsi che sono state potenziate in risposta a un compito specifico di apprendimento o richiamo della memoria. I reporter vengono somministrati tramite una serie di vettori virali associati all'adenovirus (AAVs) SynActive. SynActive sarà utilizzato nei topi 5×FAD e nei topi knock-in APP NL-G-F per analizzare come le sinapsi potenziate siano influenzate dalla AD aggressiva e lentamente progressiva, rispettivamente, sia nelle fasi presintomatiche che nelle fasi conclamate. I test comportamentali sulle memorie associative e spaziali dipendenti dall'ippocampo saranno combinati con la modularità di SynActive e la sua somministrazione in vivo tramite AAVs per eseguire un'analisi a più livelli delle sinapsi potenziate. Questi esperimenti sfruttano la piattaforma SynActive, attualmente ben convalidata, e si basano su solidi studi preliminari. L'espressione dei reporter fluorescenti controllati da SynActive sarà utilizzata per etichettare le sinapsi che subiscono potenziamento. Sarà costruito un atlante del potenziamento sinaptico difettoso relativo alle diverse fasi della codifica e del richiamo della memoria, fornendo il primo sforzo di mappatura delle sinapsi potenziate nella AD. I sonde proteomiche controllate da SynActive saranno utilizzate per determinare l'impronta molecolare della AD sulle sinapsi potenziate, fornendo i primi set di dati di questo tipo.
Esprimeremo anche attuatori di optogenetica nelle sinapsi potenziate risparmiate dalla degenerazione, per capire se parametri appropriati di stimolazione luminosa possano sfruttarli per recuperare la memoria compromessa.
Infine, esploreremo l'ipotesi che la microglia possa essere responsabile della perdita delle sinapsi potenziate tramite un'attività fagocitica disregolata, combinando il labeling fluorescenti di questo tipo di cellula con SynActive.
Questo sforzo coordinato farà luce sulla patogenesi della AD su scala sinaptica utilizzando una strategia sperimentale ben convalidata ma radicalmente nuova.

English version:

Activity-dependent changes in the strength of excitatory synapses physically support the storage and recall of information in the brain. In keeping with this, work on animal models has demonstrated that behavioral deficits in learning and memory are accompanied by impaired synaptic potentiation. Despite the importance of this aspect, a complete assessment of the effect of AD on synaptic plasticity processes associated with learning and memory has not been performed so far.
To address this problem from a new perspective, this project will take advantage of a genetically encoded toolbox, named SynActive, developed by the PI. Synactive allows virtually any reporter or actuator gene to be selectively expressed, via local translation and in the appropriate time window, at synapses that have been potentiated in response to a specific learning or memory recall task. The reporters are delivered via a panel of Synactive Adeno-Associated Viral vectors (AAVs). SynActive will be employed in 5×FAD and in knock-in APP NL-G-F mice to analyze how potentiated synapses are affected by aggressive and slowly progressing AD, respectively, at both presymptomatic and full-blown stages. Behavioral testing of hippocampus-dependent associative and spatial memories will be combined with the modularity of SynActive and its in vivo delivery via AAVs to perform a multi-level analysis of potentiated synapses. These experiments exploit the currently well-validated Synactive platform and are built on solid preliminary studies. Expression of SynActive-controlled fluorescent reporters will be used to label synapses undergoing potentiation. An atlas of defective synaptic potentiation related to different phases of memory encoding and recall will be constructed, yielding the first potentiated-synapse cartography effort in AD. Proteomics probes controlled by SynActive will be used to determine the molecular fingerprint of AD on potentiated synapses, providing the first datasets of this type.
We will also express optogenetics actuators at potentiated synapses spared by degeneration, to understand whether appropriate light stimulation parameters can leverage on them to rescue impaired memory.
Finally, we will explore the hypothesis that microglia can be responsible for the loss of potentiated synapses via dysregulated phagocytic activity, by combining fluorescent labeling of this cell type with SynActive.
This coordinated effort will shed new light on AD pathogenesis at a synaptic scale using a well-validated yet radically new experimental strategy.

Contatti: marco.mainardi@unipd.it