HCN channelopathy as a key mechanism for auditory hypersensitivity in a shank3 mouse model of ASD

Abstract

A perturbação do espetro do autismo (PEA) é uma perturbação do neurodesenvolvimento de etiologia desconhecida. Fatores de natureza ambiental e genética estão associados a um maior risco para PEA. Até à atualidade, mais de 100 genes foram identificados como genes de risco para PEA, estando associados à regulação da expressão genética e à maturação de linhas neuronais excitatórias e inibitórias. Entre eles, o gene SHANK3 é dos mais estudados e está associado a cerca de 1-2% dos casos de PEA. As características principais da PEA incluem dificuldades na comunicação e interação social, comportamentos repetitivos e hipo- ou hipersensibilidade a estímulos sensoriais. Uma das alterações sensoriais mais reportadas em PEA é a sensibilidade auditiva. Diversos modelos animais para PEA também apresentam em comum esta característica, nomeadamente o modelo de murganho Shank3- InsG3680 +/+, utilizado neste estudo. Neste trabalho, pretendeu-se clarificar potenciais mecanismos por detrás do fenótipo de hipersensibilidade auditiva observado no modelo de murganho Shank3-Insg3680 +/+ . O principal foco foi a região cerebral do córtex auditivo primário (A1), uma vez que esta é importante para o processamento auditivo. Através de uma análise de proteómica SWATH-MS em A1, identificámos o canal HCN1 (canal regulado por hiperpolarização e por ligação a nucleótido) como um dos mais sobre expressos em murganhos InsG3680 +/+ machos adultos (6-10 semanas), mas não durante o desenvolvimento (1-5 semanas). Transcritos de HCN1 (mHcn1) estão também aumentados aos 21 dias de idade (P21) em murganhos InsG3680 +/+ machos. Foram também realizados registos intracelulares de correntes de hiperpolarização mediadas por HCN (Ih) por eletrofisiologia de whole-cell patch clamp. Os resultados indicam uma diminuição das correntes Ih especificamente em neurónios principais putativos em murganhos InsG3680 +/+ , o que sugere uma perturbação funcional dos canais HCN em A1. Sabendo que a SHANK3 interage com HCN1 e é provavelmente responsável pela ancoragem de HCN1 na sinapse, propomos um mecanismo através do qual a falta de SHANK3 compromete a localização sub-celular de HCN1, causando redução na Ih. Como mecanismo de compensação, a célula aumenta os seus níveis de HCN1, tentando compensar os défices funcionais e levando a um fenótipo molecular de sobre-expressão de HCN1 em murganhos InsG3680 +/+ adultos. Em suma, estes resultados contribuem para a melhor compreensão do funcionamento dos circuitos do córtex auditivo no modelo InsG3680 +/+ e sugerem HCN1 como um potencial alvo terapêutico em PEA.

Autism spectrum disorder (ASD) is a neurodevelopmental disorder with elusive etiology. There are environmental and genetic factors underlying an increased risk for ASD. So far, over 100 genes have already been identified as ASD-risk genes, most of them associated with gene expression regulation and maturation of excitatory and inhibitory neuronal lineages. Among them, the SHANK3 human gene is one of the most studied and accounts for 1–2% of ASD cases. The core features of ASD include social-communication impairments, restricted repetitive behaviors and hypo- or hyperreactivity to sensory stimuli. One of the most reported sensory-perceptual abnormalities in ASD is auditory sensitivity. Many rodent models of ASD also share auditory impairments, namely the Shank3-InsG3680 +/+ mouse model, which was used in this study. Our aim was to unveil potential mechanisms underlying the auditory hypersensitivity phenotype observed in the Shank3-InsG3680 +/+ mouse model of ASD. We focused on the primary auditory cortex (A1) brain region since it is an important region for auditory processing. Using SWATH-MS proteomics screening in A1, we identified HCN1 as one of the most upregulated proteins in adult InsG3680 +/+ male mice (6-10 weeks), but not during development (1- 5 weeks). HCN1 transcripts (mHcn1) were also found to be increased at postnatal day 21 (P21) in InsG3680 +/+ male mice. Intracellular recordings of HCN-mediated hyperpolarization currents (Ih) were also performed using whole-cell patch clamp electrophysiology. Results revealed a cell-type specific decrease of Ih in putative cortical principal neurons in InsG3680 +/+ mice, suggesting a functional impairment of HCN channels in A1 brain region. Knowing that SHANK3 interacts with HCN1 and it is likely required for anchoring HCN1 at the synapse, we propose a mechanism by which lack of SHANK3 disrupts HCN1 sub cellular localization, compromising HCN1 function and causing a reduction in Ih. As a compensation mechanism, the cell increases HCN1 levels trying to compensate for the lack of function, leading to a molecular phenotype of HCN1 overexpression in adult InsG3680 +/+ mice. Together these results contribute to our understanding of auditory cortex circuits in the InsG3680 +/+ model of ASD and reveal HCN1 as a potential therapeutic target in ASD.