Поведенческие аномалии в генетической модели миодистрофии Дюшенна у мышей

Мутации гена Dmd , кодирующего мембранный белок дистрофин, ассоциированы с развитием тяжелых X-сцепленных мышечными заболеваниями - миодистрофии Дюшенна и Беккера. При этом наряду с классическими симптомами со стороны поперечнополосатой мускулатуры мутации дистрофина могут приводить к снижению когнитивных функций и поведенческим аномалиям. Цель: проведение пилотного анализа поведенческих и когнитивных особенностей у мышей с генетическим дефектом, воспроизводящим фенотип миодистрофии Дюшенна. Материалы и методы. Для оценки особенностей моторных функций и поведения мыши Dmd^Del8-34 (n=13) и контрольные животные дикого типа (n=12) были подвергнуты исследованию в тестах «Удержание груза», «Ротарод», «Приподнятый крестообразный лабиринт» и «Распознавание объектов». Результаты. Было обнаружено, что мыши, несущие мутацию Dmd^Del8-34 характеризуются снижением моторных функций, демонстрируют признаки тревожности, а также проявляют низкую исследовательскую активность. Обнаруженные особенности когнитивного и эмоционального статуса совпадают с клиническими наблюдениями, свидетельствующими о повышенном риске развития у пациентов с мутациями гена Dmd расстройств аутистического спектра и обсессивно-компульсивного расстройства. Таким образом было доказано, что с 8 недели жизни мыши линии Dmd^Del8-34 демонстрируют снижение показателей в тестах «Ротарод» и «Удержание груза». Поведенческое тестирование в тесте «Приподнятый крестообразный лабиринт» выявило снижение времени, достигающее статистически достоверной разницы в сравнении с контролем дикого типа на 12й неделе и при оценке когнитивных функций в тесте «Распознавание объектов» было показано, что мыши Dmd^Del8-34 демонстрируют увеличение значения индекса дискриминации, что является признаком увеличения эффективности гиппокампальной памяти. Заключение. Проведенное исследование позволило выявить некоторые поведенческие аномалии у генетически-модифицированных мышей, несущих крупную делецию экзонов 8-34 гена Dmd , кодирующего дистрофин.

1. Terry E.E., Zhang X., Hoffmann C., Hughes L.D., Lewis S.A., Li J., Wallace M.J., Riley L.A., et al. Transcriptional profiling reveals extraordinary diversity among skeletal muscle tissues. Elife. 2018;7:e34613. DOI: 10.7554/eLife.34613.

2. Frontera W.R., Ochala J. Skeletal muscle: a brief review of structure and function. Calcif Tissue Int. 2015;96(3):183-195. DOI: 10.1007/s00223-014-9915-y.

3. Colson B.A., Gruber S.J., Thomas D.D. Structural dynamics of muscle protein phosphorylation. J Muscle Res Cell Motil. 2012;33(6):419-429. DOI: 10.1007/s10974-012-9317-6.

4. Gao Q.Q., McNally E.M. The Dystrophin Complex: Structure, Function, and Implications for Therapy.Compr Physiol. 2015;5(3):1223-1239. DOI: 10.1002/cphy.c140048.

5. Duan D., Goemans N., Takeda S., Mercuri E., Aartsma-Rus A. Duchenne muscular dystrophy. Nat Rev Dis Primers. 2021;7(1):13. DOI: 10.1038/s41572-021-00248-3.

6. Dumont N.A., Wang Y.X., von Maltzahn J., Pasut A., Bentzinger C.F., Brun C.E., Rudnicki M.A. Dystrophin expression in muscle stem cells regulates their polarity and asymmetric division. Nat Med. 2015;21(12):1455-1463. DOI: 10.1038/nm.3990.

7. Chang N.C., Chevalier F.P., Rudnicki M.A. Satellite Cells in Muscular Dystrophy - Lost in Polarity. Trends Mol Med. 2016;22:479-496. DOI: 10.1016/j.molmed.2016.04.002.

8. Dumont N.A., Wang Y.X., von Maltzahn J., Pasut A., Bentzinger C.F., Brun C.E., Rudnicki M.A. Dystrophin expression in muscle stem cells regulates their polarity and asymmetric division. Nat Med. 2015;21: 1455-1463. DOI: 10.1038/nm.3990.

9. Muntoni F., Torelli S., Ferlini A. Dystrophin and mutations: one gene, several proteins, multiple phenotypes. Lancet Neurol. 2003;2(12):731-740. DOI: 10.1016/s1474-4422(03)00585-4.

10. Rae M.G., O'Malley D. Cognitive dysfunction in Duchenne muscular dystrophy: a possible role for neuromodulatory immune molecules. J Neurophysiol. 2016;116(3):1304-1315. DOI: 10.1152/jn.00248.2016.

11. Ferrero A., Rossi M. Cognitive profile and neuropsychiatric disorders in Becker muscular dystrophy: A systematic review of literature. Neurosci Biobehav Rev. 2022;137:104648. DOI: 10.1016/j.neubiorev.2022.104648.

12. Lidov H.G. Dystrophin in the nervous system. Brain Pathol. 1996;6(1):63-77. DOI: 10.1111/j.1750-3639.1996.tb00783.x.

13. Muntoni F., Torelli S., Ferlini A. Dystrophin and mutations: one gene, several proteins, multiple phenotypes. Lancet Neurol. 2003;2:731-740. DOI: 10.1016/s1474-4422(03)00585-4.

14. Anderson J.L., Head S.I., Morley J.W. Duchenne muscular dystrophy and brain function M. Hedge, A. Ankala (Eds.), Muscular Dystrophy.Intech. 2012: 91-122. DOI: 10.5772/24928.

15. Gorecki D.C., Barnard E.A. Specific expression of G-dystrophin (Dp71) in the brain. NeuroReport. 1995;6:893-896. DOI: 10.1097/00001756-199504190-00017

16. Egorova T.V., Zotova E.D., Reshetov D.A., Polikarpova A.V., Vassilieva S.G., Vlodavets D.V., Gavrilov A.A., Ulianov S.V., et al. CRISPR/Cas9-generated mouse model of Duchenne muscular dystrophy recapitulating a newly identified large 430 kb deletion in the human DMD gene. Dis Model Mech. 2019;12(4):dmm037655. DOI: 10.1242/dmm.037655.

17. Lim K.R.Q., Nguyen Q., Dzierlega K., Huang Y., Yokota T. CRISPR-Generated Animal Models of Duchenne Muscular Dystrophy. Genes (Basel). 2020;11(3):342. DOI: 10.3390/genes11030342.

18. Gonzalez L.E., File S.E. A five minute experience in the elevated plus-maze alters the state of the benzodiazepine receptor in the dorsal raphe nucleus. J Neurosci. 1997;17(4):1505-1511. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.17-04-01505.1997.

19. Leger M., Quiedeville A., Bouet V., Haelewyn B., Boulouard M., Schumann-Bard P., Freret T. Object recognition test in mice. Nat Protoc. 2013;8(12): 2531-2537. DOI: 10.1038/nprot.2013.155.

20. Deacon R.M. Measuring the strength of mice. J Vis Exp. 2013;(76):2610. DOI: 10.3791/2610.

21. Gao Q.Q., McNally E.M. The Dystrophin Complex: Structure, Function, and Implications for Therapy.Compr Physiol. 2015;5(3):1223-1239. DOI: 10.1002/cphy.c140048.

22. Koenig M., Hoffman E.P., Bertelson C.J., Monaco A.P., Feener C., Kunkel L.M.Complete cloning of the Duchenne muscular dystrophy (DMD) cDNA and preliminary genomic organization of the DMD gene in normal and affected individuals. Cell. 1987;50:509-517. DOI: 10.1016/0092-8674(87)90504-6.

23. Ahn A.H., Kunkel L.M. The structural and functional diversity of dystrophin. Nat Genet.,1993;3:283-291. DOI: 10.1038/ng0493-283.

24. Duchenne G.B.A. Reserches sur la paralysie musculaire pseudeohypertrofique, ou paralysie myo-sclerosique. Arch Gen Med. 1868;11:5-25, 179-209,305-121, 421-143,552-188

25. Cotton S., Voudouris N.J., Greenwood K.M.Intelligence and Duchenne muscular dystrophy: full-scale, verbal, and performance intelligence quotients. Dev Med Child Neurol. 2001;43:497-501. DOI: 10.1017/s0012162201000913.

26. Hendriksen J.G., Vles J.S. Are males with Duchenne muscular dystrophy at risk for reading disabilities? Pediatr Neurol. 2006;34:296-300. DOI: 10.1016/j.pediatrneurol.2005.08.029.

27. Hendriksen J.G., Vles J.S. Neuropsychiatric disorders in males with Duchenne muscular dystrophy: frequency rate of attention-deficit hyperactivity disorder (ADHD), autism spectrum disorder, and obsessive-compulsive disorder. J Child Neurol. 2008;23:477-481. DOI: 10.1177/0883073807309775.

28. Snow W.M., Anderson J.E., Jakobson L.S. Neuropsychological and neurobehavioral functioning in Duchenne muscular dystrophy: a review. Neurosci Biobehav Rev. 2013;37:743-752. DOI: 10.1016/j.neubiorev.2013.03.016.

29. Etemadifar M., Molaei S. Epilepsy in boys with Duchenne muscular dystrophy. J Res Med Sci. 2004;3:116-119.

30. Goodwin F., Muntoni F., Dubowitz V. Epilepsy in Duchenne and Becker muscular dystrophies. Eur J Paediatr Neurol: Off J Eur Paediatr Neurol Soc. 1997;1:115-119. DOI: 10.1016/s1090-3798(97)80042-6

31. Pane M., Messina S., Bruno C., D'Amico A., Villanova M., Brancalion B., Sivo S., Bianco F., et al. Duchenne muscular dystrophy and epilepsy. Neuromuscul Disord. 2013;23(4):313-315. DOI: 10.1016/j.nmd.2013.01.011.

32. Lee A.J., Buckingham E.T., Kauer A.J., Mathews K.D. Descriptive Phenotype of Obsessive Compulsive Symptoms in Males With Duchenne Muscular Dystrophy. J Child Neurol. 2018;33(9):572-579. DOI: 10.1177/0883073818774439.

33. de Brouwer A.P., Nabuurs S.B., Verhaart I.E., Oudakker A.R., Hordijk R., Yntema H.G., Hordijk-Hos J.M., Voesenek K., et al. A 3-base pair deletion, c.9711_9713del, in DMD results in intellectual disability without muscular dystrophy. Eur J Hum Genet. 2014;22(4):480-485. DOI: 10.1038/ejhg.2013.169.

34. Chamberlain J.S., Pearlman J.A., Muzny D.M., Gibbs R.A., Ranier J.E., Caskey C.T., Reeves A.A. Expression of the murine Duchenne muscular dystrophy gene in muscle and brain. Science. 1988;239(4846):1416-1418. DOI: 10.1126/science.3347839.

35. Lidov H.G., Byers T.J., Kunkel L.M. The distribution of dystrophin in the murine central nervous system: an immunocytochemical study. Neuroscience. 1993;54:167-187. DOI: 10.1016/0306-4522(93)90392-s.

36. Blake D.J., Kröger S. The neurobiology of Duchenne muscular dystrophy: learning lessons from muscle? Trends Neurosci. 2000;23:92-99. DOI: 10.1016/s0166-2236(99)01510-6.

37. Graciotti L., Minelli A., Minciacchi D., Procopio A., Fulgenzi G. GABAergic miniature spontaneous activity is increased in the CA1 hippocampal region of dystrophic mdx mice Neuromuscul Disord. 2008;18:220-226. DOI: 10.1016/j.nmd.2007.11.009.

38. Lidov H.G., Selig S., Kunkel L.M. Dp140: a novel 140 kDa CNS transcript from the dystrophin locus. Hum Mol Genet. 1995;4:329-335. DOI: 10.1093/hmg/4.3.329.

39. Anderson J.L., Head S.I., Rae C., Morley J.W. Brain function in Duchenne muscular dystrophy. Brain. 2002;125:4-13. DOI: 10.1093/brain/awf012.

40. Cyrulnik S.E., Hinton V.J. Duchenne muscular dystrophy: a cerebellar disorder? Neurosci Biobehav Rev. 2008:32:486-496. DOI: 10.1016/j.neubiorev.2007.09.001.

41. Lidov H.G. Dystrophin in the nervous system. Brain Pathol. 1996;6:63-77. DOI: 10.1111/j.1750-3639.1996.tb00783.x.

42. Brünig I., Suter A., Knuesel I., Lüscher B., Fritschy J.M. GABAergic terminals are required for postsynaptic clustering of dystrophin but not of GABA(A) receptors and gephyrin. J Neurosci: Off J Soc Neurosci. 2002;22:4805-4813. DOI: 10.1523/JNEUROSCI.22-12-04805.2002.

43. Kueh S.L., Head S.I., Morley J.W. GABA(A) receptor expression and inhibitory post-synaptic currents in cerebellar Purkinje cells in dystrophin-deficient mdx mice. Clin Exp Pharmacol Physiol. 2008;35:207-210. DOI: 10.1111/j.1440-1681.2007.04816.x.

44. Vaillend C., Billard J.M. Facilitated CA1 hippocampal synaptic plasticity in dystrophin-deficient mice: role for GABAA receptors? Hippocampus. 2002;12: 713-717. DOI: 10.1002/hipo.10068.

45. Craig A.M., Kang Y. Neurexin-neuroligin signaling in synapse development. Curr Opin Neurobiol. 2007;17:43-52. DOI: 10.1016/j.conb.2007.01.011.

46. Albrecht D.E., Froehner S.C. Syntrophins and dystrobrevins: defining the dystrophin scaffold at synapses. Neurosignals. 2002;11:123-129. DOI: 10.1159/000065053.