Ruolo dei recettori 5-HT7 per la serotonina nell'attività mitocondriale e nella fisiopatologia della sindrome del cromosoma X fragile

Fragile X syndrome (FXS) is a genetic cause of intellectual disability and autism. Fmr1 knockout (Fmr1 KO) mice, a murine model of FXS, exhibit impairment in mitochondrial activity and in synaptic plasticity, with an exaggerated long‐term depression induced by activation of metabotropic glutamate receptors (mGluR‐LTD). Our research group has previously demonstrated that activation of serotonin 5-HT7 receptors reverses the mGluR-LTD in the hippocampus of wild-type (WT) and Fmr1 KO mice. Here I highlighted some molecular mechanism involved in 5-HT7 -mediated reversal of mGluR‐LTD in the synapse between CA3 and CA1 pyramidal neurons using the patch clamp technique on hippocampal slices from wild-type and Fmr1 KO mice. My data indicate that the blockade of cyclin‐dependent kinase 5 (Cdk5) enhanced mGluR‐LTD in WT hippocampal neurons to the level observed in Fmr1 KO neurons and abolished the 5-HT7 -mediated reversal of mGluR‐LTD both in WT and Fmr1 KO neurons, showing that Cdk5 is involved in 5-HT7 –mediated reversal effect. In addition, my data indicate that Akt inhibition abolished the mGluR-LTD in WT, but not in Fmr1 KO mice, pointing out that Akt is essential for mGluR-LTD only in WT slices. Moreover, in presence of an inhibitor of Akt, the effect induced by the activation of 5-HT7 receptor on mGluR-LTD was not abolished; thereby 5-HT7 -mediated reversal of mGluR‐LTD does not require Akt activation. Then, I evaluated the role of protein synthesis on mGluR-LTD. When the inhibitor of mRNA translation anisomycin was present in the intracellular solution, mGluR‐LTD was abolished in WT but not in Fmr1 KO neurons, indicating that protein translation is necessary for mGluR-LTD only in WT neurons. Additionally, my data show that 5-HT7 -mediated effect on mGluR-LTD was abolished in the presence of anisomycin, thus required protein translation. Lastly, I demonstrated for the first time that 5-HT7 receptors are present in mitochondria of a neuroblastoma cell line and the application of a 5-HT7 inverse agonist weakly influenced the mitochondrial cytochrome c oxidase.

La sindrome del cromosoma X fragile (FXS) è una malattia genetica ereditaria che causa disabilità intellettiva e autismo. Il modello murino della patologia, il topo Fmr1 knock-out (KO), presenta alterazioni nella attività mitocondriale e nella plasticità sinaptica, fra cui una esagerata depressione a lungo termine mediata dall’attivazione dei recettori metabotropi per il glutammato (mGluR-LTD). Il nostro gruppo di ricerca ha precedentemente dimostrato che l’attivazione del recettore 5-HT7 per la serotonina reverte mGluR-LTD nell’ippocampo di topi wild-type (WT) e Fmr1 KO. Pertanto, durante il mio dottorato ho studiato alcuni meccanismi molecolari intracellulari implicati nella reversione della mGluR-LTD indotta dalla attivazione di recettori 5-HT7 , utilizzando la tecnica del patch clamp in fettine di ippocampo di topi WT e Fmr1 KO. I nostri dati indicano che il blocco della chinasi ciclina dipendente (Cdk5) aumentava mGluR-LTD in neuroni ippocampali WT ad un livello comparabile rispetto a quello osservato in neuroni Fmr1 KO e aboliva la reversione della mGluR-LTD mediata dal recettore 5-HT7 sia in neuroni WT che in Fmr1 KO, indicando che l’attivazione di Cdk5 è necessaria per il meccanismo di reversione indotto dal recettore 5-HT7. Successivamente, ho valutato il ruolo della chinasi Akt nei meccanismi alla base della mGluR-LTD e nella sua reversione mediata da recettori 5-HT7. L’inibizione di Akt aboliva la mGluR-LTD in neuroni WT ma non in neuroni Fmr1 KO. Inoltre, l’attivazione del recettore 5-HT7 era in grado di revertire mGluR-LTD nonostante la presenza di un inibitore della chinasi Akt, quindi l’attivazione di Akt non è necessaria per il meccanismo di reversione indotto dal recettore 5-HT7. Inoltre ho valutato il ruolo della sintesi proteica nella mGluR-LTD utilizzando l’anisomicina (un inibitore della sintesi proteica). In presenza di anisomicina, la mGluR-LTD era abolita in neuroni WT ma non in neuroni Fmr1 KO e la reversione di mGluR-LTD mediata dall’attivazione del recettore 5-HT7 era abolita, dimostrando che l’effetto indotto dai recettori 5-HT7 richiede sintesi proteica. Infine, i miei dati hanno dimostrato per la prima volta la presenza del recettore 5-HT7 nei mitocondri isolati da una linea cellulare di neuroblastoma. L’attività di un agonista inverso per il recettore 5-HT7 influenzava l’attività dell’enzima citocromo c ossidasi, conosciuto come il complesso IV della catena respiratoria mitocondriale.