Redox dysregulation and oxidative stress in schizophrenia: genetic and functional anomalies of glutathione synthesis in patients and experimental models involving GABA interneurons and NMDA receptors

Objective: Converging evidence speak in favor of an abnormal susceptibility to oxidative stress in schizophrenia. A decreased level of glutathione (GSH), the principal non-protein antioxidant and redox regulator, was observed both in cerebrospinal-fluid and prefrontal cortex of schizophrenia patients (Do et al., 2000). Results: Schizophrenia patients have an abnormal GSH synthesis most likely of genetic origin: Two independent case-control studies showed a significant association between schizophrenia and a GAG trinucleotide repeat (TNR) polymorphism in the GSH key synthesizing enzyme glutamate-cysteine-ligase (GCL) catalytic subunit (GCLC) gene. The most common TNR genotype 7/7 was more frequent in controls, whereas the rarest TNR genotype 8/8 was three times more frequent in patients. The disease-associated genotypes correlated with a decrease in GCLC protein expression, GCL activity and GSH content. Such a redox dysregulation during development could underlie the structural and functional anomalies in connectivity: In experimental models, GSH deficit induced anomalies similar to those observed in patients. (a) morphology: In animal models with GSH deficit during the development we observed in prefrontal cortex a decreased dendritic spines density in pyramidal cells and an abnormal development of parvalbumine (but not of calretinine) immunoreactive GABA interneurones in anterior cingulate cortex. (b) physiology: GSH depletion in hippocampal slices induces NMDA receptors hypofunction and an impairment of long term potentiation. In addition, GSH deficit affected the modulation of dopamine on NMDA-induced Ca 2+ response in cultured cortical neurons. While dopamine enhanced NMDA responses in control neurons, it depressed NMDA responses in GSH-depleted neurons. Antagonist of D2-, but not D1-receptors, prevented this depression, a mechanism contributing to the efficacy of antipsychotics. The redox sensitive ryanodine receptors and L-type calcium channels underlie these observations. (c) cognition: Developing rats with low [GSH] and high dopamine lead deficit in olfactory integration and in object recognition which appears earlier in males that females, in analogy to the delay of the psychosis onset between man and woman. Conclusion: These clinical and experimental evidence, combined with the favorable outcome of a clinical trial with N-Acetyl Cysteine, a GSH precursor, on both the negative symptoms (Berk et al., submitted) and the mismatch negativity in an auditory oddball paradigm supported the proposal that a GSH synthesis impairment of genetic origin represent, among other factors, one major risk factor in schizophrenia.

Role of glutathione deficit in the disconnectivity syndrome in schizophrenia: from pathogenetic mechanisms to therapeutic interventions

In the cerebrospinal fluid of 26 drug-naive schizophrenics (DSM-III- R), we observed that the level of glutathione ([GSH]) and of its metabolite γ-Glu-Gln was decreased by 27% and 16% respectively. Using a new in-vivo method based on magnetic resonance spec- troscopy, [GSH] was measured in the medial prefrontal cortex of 18 schizophrenics and found to be 52 % lower than in controls (n = 20). This is consistent with the recently observed decreased mRNA levels in fibroblasts of patients (n=32) of the two GSH synthesizing en- zymes (glutathione synthetase (GSS), and glutamate-cysteine ligase M (GCLM) the modulatory subunit of glutamate-cysteine ligase). Moreover, the level of GCLM expression in fibroblasts correlates neg- atively with the psychopathology (positive, general and some nega- tive symptoms). Thus, the observed difference in gene expression is not only the cause of low brain [GSH], but is also related to the sever- ity of symptoms, suggesting that fibroblasts are adequate surrogate for brain tissue. A hypothesis was proposed, based on a central role of GSH in the pathophysiology of schizophrenia. GSH is an important endogenous redox regulator and neuroactive substance. GSH is pro- tecting cells from damage by reactive oxygen species generated, among others, by the metabolism of dopamine. A GSH deficit-in- duced oxidative stress would lead to lipid peroxidation and micro-le- sions in the surrounding of catecholamine terminals, affecting the synaptic contacts on dendritic spines of cortical neurones, where ex- citatory glutamatergic terminals converge with dopaminergic ones. This would lead to spines degeneration and abnormal nervous con- nections or structural disconnectivity, possibly responsible for posi- tive, perceptive and cognitive symptoms of schizophrenia. In addi- tion, a GSH deficit could also lead to a functional disconnectivity by depressing NMDA neurotransmission, in analogy to phencyclidine effects. Present experimental biochemical, cell biological and behav- ioral data are consistent with the proposed mechanism: decreasing pharmacologically [GSH] in experimental models, with or without blocking DA uptake (GBR12909), induces morphological and behav- ioral changes similar to those observed in patients. Dendritic spines: (a) In neuronal cultures, low [GSH] and DA induce decreased density of neural processes; (b) In developing rats (p5-p16), [GSH] deficit and GBR induce a decrease in normal spines in prefrontal pyramids and in GABA-parvalbumine but not of -calretinine immunoreactivity in anterior cingulate. NMDA-dependant synaptic plasticity: GSH deple- I/13 tion in hippocampal slices impairs long-term potentiation. Develop- ing rats with low [GSH] and GBR have deficit in olfactory integration and in object recognition which appears earlier in males than fe- males, in analogy to the delay of the psychosis onset between man and woman. In summary, a deficit of GSH and/or GSH-related enzymes during early development could constitute a major vulnerability fac- tor in schizophrenia.

Plasticité intermodale chez le hamster énucléé à la naissance : Études de la distribution des interneurones CaBPir dans les cortex visuel et auditif primaires.

La période postnatale et l’expérience sensorielle sont critiques pour le développement du système visuel. Les interneurones inhibiteurs exprimant l’acide γ-aminobutyrique (GABA) jouent un rôle important dans le contrôle de l’activité neuronale, le raffinement et le traitement de l’information sensorielle qui parvient au cortex cérébral. Durant le développement, lorsque le cortex cérébral est très susceptible aux influences extrinsèques, le GABA agit dans la formation des périodes critiques de sensibilité ainsi que dans la plasticité dépendante de l’expérience. Ainsi, ce système inhibiteur servirait à ajuster le fonctionnement des aires sensorielles primaires selon les conditions spécifiques d’activité en provenance du milieu, des afférences corticales (thalamiques et autres) et de l’expérience sensorielle. Certaines études montrent que des différences dans la densité et la distribution de ces neurones inhibiteurs corticaux reflètent les caractéristiques fonctionnelles distinctes entre les différentes aires corticales. La Parvalbumine (PV), la Calretinine (CR) et la Calbindine (CB) sont des protéines chélatrices du calcium (calcium binding proteins ou CaBPs) localisées dans différentes sous-populations d’interneurones GABAergiques corticaux. Ces protéines tamponnent le calcium intracellulaire de sorte qu’elles peuvent moduler différemment plusieurs fonctions neuronales, notamment l’aspect temporel des potentiels d’action, la transmission synaptique et la potentialisation à long terme. Plusieurs études récentes montrent que les interneurones immunoréactifs (ir) aux CaBPs sont également très sensibles à l’expérience et à l’activité sensorielle durant le développement et chez l’adulte. Ainsi, ces neurones pourraient avoir un rôle crucial à jouer dans le phénomène de compensation ou de plasticité intermodale entre les cortex sensoriels primaires. Chez le hamster (Mesocricetus auratus), l’énucléation à la naissance fait en sorte que le cortex visuel primaire peut être recruté par les autres modalités sensorielles, telles que le toucher et l’audition. Suite à cette privation oculaire, il y a établissement de projections ectopiques permanentes entre les collicules inférieurs (CI) et le corps genouillé latéral (CGL). Ceci a pour effet d’acheminer l’information auditive vers le cortex visuel primaire (V1) durant le développement postnatal. À l’aide de ce modèle, l’objectif général de ce projet de thèse est d’étudier l’influence et le rôle de l’activité sensorielle sur la distribution et l’organisation des interneurones corticaux immunoréactifs aux CaBPs dans les aires sensorielles visuelle et auditive primaires du hamster adulte. Les changements dans l’expression des CaBPs ont été déterminés d’une manière quantitative en évaluant les profils de distribution laminaire de ces neurones révélés par immunohistochimie. Dans une première expérience, nous avons étudié la distribution laminaire des CaBPs dans les aires visuelle (V1) et auditive (A1) primaires chez le hamster normal adulte. Les neurones immunoréactifs à la PV et la CB, mais non à la CR, sont distribués différemment dans ces deux cortex primaires dédiés à une modalité sensorielle différente. Dans une deuxième étude, une comparaison a été effectuée entre des animaux contrôles et des hamsters énucléés à la naissance. Cette étude montre que le cortex visuel primaire de ces animaux adopte une chimioarchitecture en PV similaire à celle du cortex auditif. Nos recherches montrent donc qu’une suppression de l’activité visuelle à la naissance peut influencer l’expression des CaBPs dans l’aire V1 du hamster adulte. Ceci suggère également que le type d’activité des afférences en provenance d’autres modalités sensorielles peut moduler, en partie, une circuiterie corticale en CaBPs qui lui est propre dans le cortex hôte ou recruté. Ainsi, nos travaux appuient l’hypothèse selon laquelle il serait possible que certaines de ces sous-populations d’interneurones GABAergiques jouent un rôle crucial dans le phénomène de la plasticité intermodale.