O impacto da hipercolesterolemia sobre os processos de memória e plasticidade sináptica em camundongos machos e fêmeas: do receptor LDL aos oxiesteróis

Abstract

A hipercolesterolemia familiar (HF) é uma doença de ordem genética causada por anormalidades que direta ou indiretamente afetam o metabolismo da lipoproteína de baixa densidade (LDL), tendo por consequência o acúmulo da LDL no plasma desde o nascimento, o que é mais comumente causado por alterações na função do receptor de LDL (LDLr). Classicamente, essa condição está relacionada com o desenvolvimento de aterosclerose e doenças cardiovasculares prematuras. Mais recentemente, estudo clínicos têm associado a HF ao surgimento do declínio cognitivo moderado em pacientes com menos de 50 anos de idade. Clinicamente, observa-se que os homens são mais susceptíveis aos danos cardiovasculares, enquanto que as mulheres apresentam maior incidência de demência e da doença de Alzheimer. Entretanto, este possível dimorfismo sexual tem sido ignorado nos estudos realizados em modelos animais de hipercolesterolemia investigando os mecanismos moleculares subjacentes aos prejuízos cognitivos, sendo estes conduzidos majoritariamente em animais machos. Adicionalmente, é sabido que a molécula de colesterol não é capaz de cruzar a barreira hematoencefálica, logo o 27-hidroxicolesterol (27-OH), seu metabólito oxidado, tem sido implicado nos danos cerebrais causados pelo aumento do colesterol periférico. De maneira importante, homens apresentam concentrações plasmáticas mais elevadas de 27-OH, bem como maior influxo cerebral desta molécula em comparação às mulheres. Neste sentido, no presente estudo foi investigado se camundongos machos e fêmeas seriam diferentemente afetados por distúrbios do metabolismo do colesterol quanto à processos de memória e plasticidade sináptica no hipocampo, bem como explorar o envolvimento dos oxiesteróis nestes parâmetros. Os resultados revelaram que camundongos machos e fêmeas nocaute para o receptor (LDLr-/-), um modelo animal de HF, apresentaram prejuízos de memória espacial, enquanto que machos também apresentaram prejuízos na memória de reconhecimento e memória aversiva, quando comparados ao grupo controle selvagem. Camundongos LDLr-/- fêmeas apresentaram um perfil hiperlocomotor em relação aos machos do mesmo genótipo. De maneira pioneira, foi observado que os camundongos LDLr-/- de ambos os sexos apresentaram prejuízo na plasticidade sináptica funcional, indicada pela redução do potencial excitatório pós-sináptico na via colateral de Schaffer na região CA1 do hipocampo após aplicação de um protocolo de potenciação de longa duração. Esta alteração não foi acompanhada por alterações no volume hipocampal ou no imunoconteúdo de proteínas envolvidas na manutenção e estruturação sináptica (sinaptopodina, aromatase e PSD95). Entretanto, foi observada uma redução no imunoconteúdo da proteína SNAP25 no hipocampo de camundongos LDLr-/- machos, além de uma astrogliose hipocampal indicada pelo aumento da imunomarcação para GFAP em camundongos LDLr-/- de ambos os sexos. Experimentos in vitro revelaram que a deleção parcial do receptor LDL especificamente em neurônios não alterou a regulação de genes das proteínas SNAP25, PSD95 e Arc. Camundongos LDLr-/- de ambos os sexos apresentaram aumento significativo do colesterol total circulante quando comparado aos camundongos selvagens, porém, apenas as fêmeas LDLr-/- apresentaram aumento significativo no metabólito oxidado do colesterol, 27-OH. Buscando investigar o possível envolvimento do 27-OH no dimorfismo sexual do impacto da hipercolesterolemia foram utilizados camundongos transgênicos CYP27A1Tg machos e fêmeas, que apresentam altos níveis circulantes de 27-OH. Camundongos CYP27A1Tg fêmeas apresentaram aumento na expressão dos genes LDLr e LRP1. Enquanto camundongos CYP27A1Tg machos apresentaram aumento na expressão dos genes CYP7B1, SREBP1, SREBP2, LDLr e LRP1, envolvidos na homeostase do colesterol no cérebro. Estas alterações estão possivelmente associadas ao metabólito cerebral do 27-OH, o 7-HOCA, uma vez que não foram observadas em camundongos machos nocaute para a enzima CYP7B1 que apresentam redução drástica nos níveis cerebrais de 7-HOCA. Em conjunto, os resultados do presente estudo indicam que camundongos LDLr-/- de ambos os sexos apresentam prejuízos de memórias dependentes do hipocampo que estão associados, ao menos em parte, a prejuízos na plasticidade sináptica hipocampal. Além disso, machos expostos à altos níveis de 27-OH, metabólito oxidado do colesterol, são mais susceptíveis ao desenvolvimento de alterações na homeostase cerebral do colesterol, sendo esta resposta possivelmente mediada pelo metabólito 7-HOCA. Finalmente, estes resultados encorajam a realização de estudos adicionais buscando elucidar as diferenças sexuais observadas nos distúrbios do metabolismo do colesterol.

Abstract: Familial hypercholesterolemia (FH) is a genetic disorder caused by abnormalities that directly or indirectly affect the metabolism of low-density lipoprotein (LDL), resulting in the accumulation of LDL in plasma since birth, which is most commonly caused by changes in the function of the LDL receptor (LDLr). Classically, this condition is related to the development of atherosclerosis and premature cardiovascular diseases. More recently, clinical studies have associated FH with the onset of moderate cognitive decline in patients under 50 years of age. Clinically, it is observed that men are more susceptible to cardiovascular damage, while women have a higher incidence of dementia and Alzheimer's disease. However, this possible sexual dimorphism has been ignored in studies carried out on animal models of hypercholesterolemia investigating the molecular mechanisms underlying cognitive impairments, which are mostly performed in male animals. Additionally, it is known that the cholesterol molecule is not able to cross the blood-brain barrier, thus 27-hydroxycholesterol (27-OH), its oxidized metabolite, has been implicated in brain damage caused by the increase in peripheral cholesterol. Importantly, men have higher plasma concentrations of 27-OH, as well as greater brain influx of this molecule compared to women. Therefore, in the present study it was investigated whether male and female mice would be affected differently by disorders of cholesterol metabolism focusing on the processes of memory and synaptic plasticity in the hippocampus, as well as exploring the putative involvement of oxyesterols in these parameters. The results revealed that male and female LDLr knockout mice (LDLr -/-), an animal model of HF, displayed spatial memory impairments, while males also showed disruption in recognition and aversive memories, when compared to the wild-type control group. Female LDLr -/- mice showed a hyperlocomotor profile in relation to males of the same genotype. For the first time, it was observed that LDLr -/- mice of both sexes showed impairment in functional synaptic plasticity, as indicated by the reduction of post-synaptic excitatory potential in the Schaffer collateral pathway in the CA1 region of the hippocampus after application of long-term potentiation (LTP) stimuli. This change was not accompanied by alterations in the hippocampal volume or in the immunocontent of proteins involved in synaptic maintenance and structuring (synaptopodine, aromatase and PSD95). However, a reduction in the immunocontent of the SNAP25 protein was observed in the hippocampus of male LDLr -/- mice, as well as a hippocampal astrogliosis indicated by increased immunostaining for GFAP in LDLr -/- mice of both sexes. In vitro studies revealed that the partial deletion of the LDLr specifically in neurons did not alter the gene regulation of SNAP25, PSD95 and Arc proteins. LDLr -/- mice of both sexes showed a significant increase in total circulating cholesterol when compared to wild mice, however, only LDLr -/- females presented a significant increase in the oxidized cholesterol metabolite, 27-OH. In order to investigate the possible involvement of 27-OH in the sexual dimorphism of the impact of hypercholesterolemia, male and female CYP27A1Tg transgenic mice, which have high circulating levels of 27-OH, were used. Female CYP27A1Tg mice presented increased expression of the LDLr and LRP1 genes. On the other hand, male CYP27A1Tg mice showed increased expression of the CYP7B1, SREBP1, SREBP2, LDLr and LRP1 genes involved in cholesterol homeostasis in the brain. These changes are possibly associated with the brain metabolite of 27-OH, 7-HOCA, since they were not observed in male knockout mice for the enzyme CYP7B1 that show a drastic reduction in brain levels of 7-HOCA. Taken together, the results of the present study indicate that LDLr -/- mice of both sexes have impaired hippocampal-dependent memories that are associated, at least in part, with impaired hippocampal synaptic plasticity. In addition, males exposed to high levels of 27-OH, an oxidized cholesterol metabolite, are more susceptible to the development of changes in cerebral cholesterol homeostasis, and that this response is possibly mediated by the 7-HOCA metabolite. Finally, these results encourage further studies to elucidate the sexual differences observed in disorders of cholesterol metabolism.