Epileptogenesis and treatment options in a tuberous sclerosis complex epilepsy mouse model

Abstract

Tuberous Sclerosis Complex (TSC) is an autosomal dominant disorder, resulting from inactivating mutations in either Tsc1 or Tsc2 genes. It is characterized by multisystemic benign tumors throughout the body, including the brain, together with neurological abnormalities such as epilepsy, autism and mental retardation (Han and Sahin, 2011; Orlova and Crino, 2010). The TSC1/2 protein complex has been found to play a crucial role in the regulation of cell growth and proliferation via the mTORC1 pathway. In the central nervous system this complex is also responsible for orchestrating finely tuned systems that have distinctive roles under different conditions; such as dendritic arborisation or axonal outgrowth and targeting (Orlova and Crino, 2010). Given that 80 to 90% of all patients develop epileptic seizures (Han and Sahin, 2011), epileptogenesis is probably the most devastating and therapeutically challenging manifestation of TSC. Therefore, a rational preventive strategy is the targeting of the mTORC1 pathway, for its known contribution to epileptogenesis through protein synthesis and synaptic plasticity (Wong, 2010). Our lab has previously shown that global Tsc1 deletion in adult mice (using the CreER/loxP recombination system) results in epilepsy due to mTORC1 hyperactivation (Abs et al., in press). In order to further dissect the molecular mechanisms underlying epileptogenesis in TSC, we now induce Tsc1 deletion in adult mice, in a brain type cell-specific manner: using the Tsc1f/f αCaMKII-erT2-cre mouse model. These mice develop lethal epilepsy a few days after gene deletion onset Epileptogenesis and Treatment Options in a TSC Epilepsy Mouse Model 12 (assessed by EEG measurements). This epilepsy is accompanied by mTORC1 hyperactivation (assessed by western blotting and immunohistochemistry) and no obvious brain pathology (immunohistochemistry). Moreover, this mouse model is hereby used to test possible treatments for epilepsy in TSC. We use different treatment options, such as dual mTOR inhibitors and a S6K inhibitor (contributing also to the understanding of epileptogenesis in these mice). Together with other cell-specific Tsc1 inducible KO mouse models, this project allows us to investigate the contribution of different types of brain cells to epilepsy (particularly in TSC). It will also help unraveling the molecular changes caused by acute mTORC1 hyperactivation (after all the developmental stages have taken place) that induce epileptogenesis. In addition, we are able to test novel treatment options for epilepsy in our mouse model. This project and the use of complementary mouse models are of great importance to both the scientific and medical fields, since they aim at a better understanding of epilepsy in TSC and the investigation of possible treatments.

O Complexo Esclerose Tuberosa (TSC) é uma doença autossómica dominante, resultante de mutações inativantes em qualquer um dos genes Tsc1 ou Tsc2. A doença é caracterizada por tumores benignos espalhados pelo corpo, incluindo no cérebro, juntamente com anomalias neurológicas tais como: epilepsia, autismo e atraso mental (Han and Sahin, 2011; Orlova and Crino, 2010). O complexo proteico TSC1/2 desempenha um papel crucial na regulação do crescimento e proliferação celular através da via mTORC1. No SNC este complexo também é responsável por orquestrar sistemas finos com papéis distintos sob diferentes condições como arborização dendrítica ou crescimento e orientação axonal (Orlova and Crino, 2010). Tendo em conta que 80 a 90% de todos os pacientes desenvolvem convulsões epilépticas (Han and Sahin, 2011), a epileptogénese é provavelmente a manifestação mais devastadora e terapeuticamente a mais desafiante em TSC. Uma estratégia preventiva racional tem como objectivo a modulação da via mTORC1, pela sua conhecida contribuição na epileptogénese através da síntese proteica e plasticidade sináptica (Wong, 2010). O nosso laboratório demonstrou anteriormente que a eliminação global de Tsc1 em ratinhos apenas na idade adulta (usando o sistema de recombinação CreER/loxP) resulta no desenvolvimento de epilepsia devido à hiperactivação da via mTORC1 (Abs et al., in press). Epileptogenesis and Treatment Options in a TSC Epilepsy Mouse Model 14 De forma a dissecar os mecanismos moleculares subjacentes à epileptogénese em TSC, induzimos agora a eliminação de Tsc1 em ratinhos apenas na idade adulta, mas apenas em células específicas do cérebro: o modelo Tsc1f/f αCaMKII-erT2-cre. Estes ratinhos desenvolvem epilepsia letal logo após o início da deleção do gene (comprovado por meio de medições de EEG). Esta epilepsia é acompanhada por hiperativação da via mTORC1 (verificado por western blotting e imunohistoquímica) e é livre de patologia cerebral (imunohistoquímica). Além disso, este modelo de ratinho será aqui usado para testar possíveis tratamentos para a epilepsia em TSC. Temos testado diferentes opções de tratamento tais como: inibidores duais de mTOR e um inibidor da S6K (contribuindo também para a compreensão da epileptogénese nestes ratinhos). Juntamente com outros modelos de ratinho passíveis de sofrerem eliminação induzida de Tsc1, este projecto permite-nos investigar a contribuição de diferentes tipos celulares para a epilepsia (particularmente em TSC). Este protejo também nos ajudará a desvendar as alterações moleculares causadas pela hiperactivação aguda da via mTORC1 (após todas as fases de desenvolvimento terem ocorrido) que induzem epileptogénese. Além disso, poderemos testar novas opções terapêuticas para epilepsia com este mesmo modelo. Este projecto juntamente com o uso de modelos complementares de ratinho são de grande importância para ambos os domínios: científicos e médicos, uma vez que visam uma melhor compreensão da epilepsia em TSC e investigação de tratamentos emergentes.