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D-­‐SERINE IS INVOLVED IN THE β-­‐AMYLOID-­‐RELATED PATHOPHYSIOLOGY IN ALZHEIMER’S DISEASE

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Academic year: 2021

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Texte intégral

(1)

HAL Id: hal-02331616

https://hal-normandie-univ.archives-ouvertes.fr/hal-02331616

Submitted on 24 Oct 2019

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D-serine is involved in the β-amyloid-related pathophysiology in Alzheimer’s disease

E Ploux, L. Gorisse, I Radzishevsky, H Wolosker, T Freret, J-M Billard

To cite this version:

E Ploux, L. Gorisse, I Radzishevsky, H Wolosker, T Freret, et al.. D-serine is involved in theβ-amyloid- related pathophysiology in Alzheimer’s disease. 14eme Colloque de la Société des Neurosciences, May 2019, Marseille, France. �hal-02331616�

(2)

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4

300 400 500

WT    (n=15)   5xFAD  (n=17)   5xFAD/SR-­‐/-­‐  (n10)  

fEPSP/PFV  ra+o

S+mulus  intensity  (μA)

A

0   50   100   150   200   250   300   350   400   450  

WT   5xFAD     5xFAD/SR-­‐/-­‐  

nmol/gr  Tissue  

D-­‐serine  level  12  month-­‐old  

0   50   100   150   200   250   300   350   400   450  

WT   5xFAD     5xFAD/SR-­‐/-­‐  

nmol/gr  Tissue  

D-­‐serine  level  3-­‐4  month-­‐old  

75 100 125 150 175 200 225 250 275 300

-15 0 15 30 45 60

WT (n=11) 5xFAD (n=17) 5xFAD/SR-/- (n=9)

fEPSP  slope  (%  of  baseline)

Time  (min)

3-­‐4  month-­‐old  

75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350

-15

WT  (n=11)   5xFAD  (n=13)  

5xFAD/SR-­‐/-­‐  (n=11)  

10-­‐12  month-­‐old  

fEPSP  slope  (%  of  baseline)

Time  (min)

0 15 30 45 60

#

   

Extracellular   recording   in   CA1   stratum   radiatum   hippocampal   slices   from   either   3-­‐4  or  10-­‐12  month-­‐old  mice  (aEer  electrical  sFmulaFon  of  Schaffer  collaterals)  

         

•  High  frequency  (HFS)-­‐induced  long-­‐term  potenLaLon  (LTP):  

     

-­‐  TesFng  sFmulaFon  (average  of  3  sFmulaFons  at  0,1  Hz)  for  15min  baseline  and     then  resumed  for  60  min  aEer  condiFoning  

-­‐  CondiFoning  :  1  electrical  train  of  sFmulaFon  at  100  Hz  for  1  sec    

             

•  Isolated  NMDAr-­‐mediated  fEPSPs  (field  Excitatory  PostSynapLc  PotenLals):  

     

-­‐  PresynapFc   Fiber   Volley   (PFV)   and   field   Excitatory   PostsynapFc   PotenFals   (fEPSPs)   were   recorded   and   fEPSP/PFV   raFo   were   calculated   for   Input/Output   curves    

-­‐  Recording   were   performed   (low   magnesium   supplemented   medium   with   the   non-­‐NMDAr  antagonist  NBQX,  10µM)  either  before  and  15  min  aVer  addiLon  of   D-­‐serine  (100  µM)  

D-­‐SERINE  IS  INVOLVED  IN  THE  β-­‐AMYLOID-­‐RELATED  PATHOPHYSIOLOGY   IN  ALZHEIMER’S  DISEASE

1 Ploux  E.,  Gorisse-­‐Hussonnois  L.,   2 Radzishevsky  I.,   2 Wolosker  H.,   1 Freret  T.,   1 Billard  J-­‐M.    

1 Normandie  Univ,  UNICAEN,  INSERM,  COMETE,  GIP  CYCERON,  14000  Caen,  France  

2 Department  of  biochemistry,  Technion,  Israel  InsItute  of  Technology,  Haifa,  Israel    

          AcFvaFon   of   N-­‐methyl-­‐D-­‐aspartate   subtype   of   glutamate   receptors   (NMDAr),   key   regulators   of   funcFonal   brain  plasFcity  and  memory  process,  requires  the  binding  of   the   co-­‐agonist  D-­‐serine.  The  homeostasis  of  these  receptors   are   affected   by   soluble   oligomers   of   the   beta-­‐amyloid   pepLde   (Aßo)  in  Alzheimer´s  disease  (AD).  Aßo  toxic  effects   possibly   pass   through   mechanisms   involving   D-­‐serine   since   Aßo   sFmulate   in   vitro   the   producFon   of   the   co-­‐agonist.  

However,   the   actual   in   vivo   contribuFon   of   D-­‐serine   in   the   funcFonal  NMDAr-­‐related  deregulaFons  mediated  by  Aßo  is   sFll  unknown.    

Spontaneous  alternaFon  test  

   

-­‐  12  month-­‐old  mice  were  tested  for   working  memory  performances    

 

-­‐  Mice   were   let   free   to   explore   Y-­‐

maze   for   8-­‐min   and   successive   entry  of  the  3  arms  of  the  maze  was   considered  as  an  alternaFon  

 

-­‐  The  percentage  of  alternaLon  was   calculated   as   follows:   NB   of   alternaFons   /   (total   NB   of   arms   visited  –  2)  x  100  

Hippocampal  phenotype  of  the  experimental  groups

5xFAD  and  5xFAD/SR-­‐/-­‐  display  similar  hippocampal  level  of  Aßo    

(only  traces  were  observed  in  WT  mice,  used  as  negaIve  control)  

5xFAD/SR-­‐/-­‐  mice  at  both  ages  show  markedly  reduced  hippocampal  level  of  D-­‐serine    

(either  compared  to  WT  mice  or  5xFAD)  

Func+onal  plas+city  (HFS-­‐induced  LTP)

SR  deleFon  (5xFAD/SR-­‐/-­‐)  reverses  LTP  deficits  displayed  in  5xFAD  mice,   both  in  3-­‐4  and  10-­‐12  month-­‐old  animals  

NMDAr  ac+va+on  (isolated  synap+c  poten+als)

No  genotype  difference  of  NMDAr  acFvaFon  is  observed  in  basal  condiFons  (A)  

Only  WT  and  5xFAD/SR-­‐/-­‐  mice  show  significant  D-­‐serine-­‐induced  increase  in  NMDAr  acFvaFon  (B)  

Our   results   show   that   deleLon   of   serine   racemase   prevents,  at  least  parLally,  memory-­‐related  behavioral   deficits   observed   in   mice   with   prominent   features   of   amyloïdogenesis.   Besides,   impairment   of   NMDAr-­‐

dependent  funcLonal  plasLcity,  indicated  a   significant   contribuLon   of   D-­‐serine   in   NMDAr-­‐dependent   β-­‐

amyloid  related  pathophysiology  of  AD.    

1   1  

2  

Working   memory

SR  deleLon  (5xFAD/SR

-­‐/-­‐

)  

 reverses  working  memory  deficits   displayed  by  5xFAD  

SR  deleFon  (5xFAD/SR-­‐/-­‐)  parFally  reverses  reference  memory   deficits  displayed  by  5xFAD  mice  aEer  a  second  spaFal  learning  

Spa+al  learning,  Flexibility,  Reference  memory

Contact  :  

eva.ploux@unicaen.fr  

5xFAD  and  5xFAD/SR-­‐/-­‐  mice  display  reduced  spaFal  

learning  performances  (compared  to  WT  mice)   5xFAD  mice  display  flexibility  deficits  (compared  to  WT   mice),  fully  reversed  in  5xFAD/SR-­‐/-­‐  mice  

Learning Relearning

Probe-­‐test1 Probe-­‐test2

Unaltered  reference  memory  in  5xFAD  and  5xFAD/SR-­‐/-­‐  mice  

Morris  Water  Maze  

             

-­‐  12   month-­‐old   mice   were   trained   to   learn   locaFon   of   hidden   plaporm  (through  disFnct  visual  cues)  

-­‐  Learning   (spaIal   learning   performance)   and   relearning   (flexibility)   session:   4   trials/day   during   5   days   (60   sec   inter-­‐trial   interval)  

   

-­‐  Probe  tests  (spaFal  reference  memory  performance):  performed   48   aEer   last   trial   of   (respecFvely,   learning   and   relearning   session).   Plaporm   was   removed   and   mice   were   free   to   explore   the  maze  during  60  sec    

Phenotype     characterizaLon  

 

•  Hippocampal   Aβ42     levels     3-­‐4   months   old   mice   (n=4   to  6  per  group)  

 

•  Hippocampal   D-­‐serine   levels   3-­‐4   and   12   month   old   mice   (n=6   for   all   groups)  

Behavioral  characterizaLon  

5xFAD/SR

-­‐/-­‐  

?  

 

3  

In   this   study,   we   wonder   if   D-­‐serine   contributes   in   vivo   to   NMDAr  deregulaFons  mediated  by  Aßo.   Behavioral  analysis   combined  to  extracellular  electrophysiological   recordings  at   hippocampal  synapses  is  conducted  in  the   5xFAD  transgenic   mice  model  of  amyloïdogenesis   displaying  marked  increase   in  Aßo  rates.  They  are  compared  to  5xFAD  animals  in  which   the   homozygous   gene   of   the   serine   racemase   (SR)   that  

synthesizes  D-­‐serine,  has  been  jointly  invalidated.   B

fEPSP/PFV  ra+o

0   0,2   0,4   0,6   0,8   1   1,2   1,4   1,6  

WT 5xFAD 5xFAD/SR-­‐/-­‐

+  D-­‐serine

+  D-­‐serine +  D-­‐serine

0   100   200   300   400   500   600   700   800   900  

Day  1   Day  2   Day  3   Day  4   Day  5  

Swimming  distance  (cm)  

WT   5xFAD   5xFAD/SR-­‐/-­‐  

N=19  

*  ***  

***  

#  #  #  

#  #  #  

N=22   N=19  

0   100   200   300   400   500   600   700   800   900  

Day  7   Day  8   Day  9   Day  10   Day  11  

Swimming  distance  (cm)  

WT   5xFAD   5xFAD/SR-­‐/-­‐  

#  #  #  

*  ***  

***  

N=19   N=18  

N=22   WT

5xFAD -/-

5xFAD/SR 40

45 50 55 60 65

% Alternation

$ $

N=18   N=18   N=21  

Electrophysiology  

Mean  +  sem  ;  ANOVA  repeated  measures  *  p<  0.05  ;  ***  p<  0.001  ;  ###  p<  0.001  

Mean  +  sem  ;  Univariate  t-­‐test  :  $  p<0.05  vs  50%  

Mean  +  sem  

ANOVA  one-­‐way  No  group  effect   Univariate  t-­‐test  :  $  p<0.05  vs  25%  

KO  Serine   Racemase  (SR-­‐/-­‐)  

D-­‐Serine   L-­‐Serine  

2   3  

#  #  

#  #  

N=19   N=19   N=22   N=19   N=19   N=22   N=19   N=18   N=22   N=19   N=18   N=22  

#

Mean  +  sem    

ANOVA  one-­‐way    #  p<0.05  

Mean  +  sem    

ANOVA  one-­‐way  No  group  effect   Mean  +  sem    

ANOVA  repeated  measures  #  #  p<0.01   Mean  +  sem  

ANOVA  one-­‐way  *  p<0.05   Mean  +  sem  

ANOVA  one-­‐way  **  p<0,01  

Univariate  t-­‐test  :  $  p<0.05  vs  25%  

Mean  +  sem  

ANOVA  one-­‐way  *  p<0.05  

Mean  +  sem  ;  ANOVA  repeated  measures  *  p<  0.05  ;  ***  p<  0.001  ;  ###  p<  0.001  

3-­‐4  month-­‐old   3-­‐4  month-­‐old  

***   ***   ***  

Mean  +  sem    

ANOVA  one-­‐way    ***  p<0.001  vs  WT  

WT    

(C57Bl/6)  

5xFAD  

Ca²+  

LTP  

Memory  process  

D-­‐serine  

Glutamate  

+  

Morphology  

NMDA   Receptor  

ää  D-­‐serine  ?  

Ca²+  

LTP  

Memory  process   Impaired  

ää  

Glutamate  

 Neurodegenerescence   NMDAR  

deregulaLon    

Aβ  oligomers  

   

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