Accepted Manuscript Title: Microglial p53 activation is detrimental to neuronal synapses during activation-induced inflammation: Implications for neurodegeneration Author: Joseph Jebelli Claudie Hooper Jennifer M. Pocock PII: DOI: Reference:

S0304-3940(14)00720-4 http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.neulet.2014.08.049 NSL 30801

To appear in:

Neuroscience Letters

Received date: Revised date: Accepted date:

18-7-2014 27-8-2014 28-8-2014

Please cite this article as: J. Jebelli, C. Hooper, J.M. Pocock, Microglial p53 activation is detrimental to neuronal synapses during activation-induced inflammation: implications for neurodegeneration, Neuroscience Letters (2014), http://dx.doi.org/10.1016/j.neulet.2014.08.049 This is a PDF file of an unedited manuscript that has been accepted for publication. As a service to our customers we are providing this early version of the manuscript. The manuscript will undergo copyediting, typesetting, and review of the resulting proof before it is published in its final form. Please note that during the production process errors may be discovered which could affect the content, and all legal disclaimers that apply to the journal pertain.

Microglial  p53  activation  is  detrimental  to  neuronal  synapses  during  activation‐induced  inflammation: implications for neurodegeneration   Joseph Jebelli1*, Claudie Hooper2 and Jennifer M. Pocock3   1

ip t

Department of Neurology, University of Washington, 1959 NE Pacific Street, Seattle WA 98103  

2

cr

Institute of Psychiatry, Kings College London, 16 De Crespigny Park, London, SE5 8AF, UK  

3

Department  of  Neuroinflammation,  University  College  London  Institute  of  Neurology,  1 

us

Wakefield Street, London WC1N 1PJ, UK  

an

*corresponding author: Dr. Joseph Jebelli, Department of Neurology, University of Washington,  1959 NE Pacific Street, Seattle WA 98103  

M

Email: [email protected]   Telephone: +1(206)6168364  

Ac ce p

Number of figures: 5 

te

Number of pages: 17 

d

 

Abstract word number: 192  

Introduction word number: 258   Discussion word number: 575   Total Number of Words: 3750 

Conflict of interest: The authors declare no competing financial interests.   Acknowledgements:  J.M.Pocock  acknowledges  funding  from  Aims2Cure  UK  and  UCL  Impact  Award. C. Hooper acknowledges fellowship funding from the Alzheimer’s Society, UK.   

Page 1 of 23

Abstract   P53  is  a  tumour  suppressor  protein  thought  to  be  primarily  involved  in  cancer  biology,  but  recent evidence suggests it may also coordinate novel functions in the CNS, including mediation 

ip t

of pathways underlying neurodegenerative disease. In microglia, the resident immune cells of 

cr

the brain, p53 activity can promote an activation‐induced pro‐inflammatory phenotype [1], as  well as neurodegeneration [2]. Synapse degeneration is one of the earliest pathological events 

us

in  many  chronic  neurodegenerative  diseases  [3,4]  and  may  be  influenced  by  early  microglial 

an

responses.  Here  we  examined  synaptic  properties  of  neurons  following  modulation  of  p53  activity  in  rat  microglia  exposed  to  inflammatory  stimuli.  A  significant  reduction  in  the 

M

expression  of  the  neuronal  synaptic  markers  synaptophysin  and  drebrin,  occurred  following  microglial  activation  and  was  seen  prior  to  any  visible  signs  of  neuronal  cell  death,  including 

d

neuronal  cleaved  caspase‐3  activation.  This  synaptic  marker  loss  together  with  microglial 

te

secretion  of  the  inflammatory  cytokines  tumour  necrosis  factor  α  (TNF‐α)  and interleukin 1‐β 

Ac ce p

(IL‐1β)  was  abolished  by  the  removal  of  microglia  or  inhibition  of  microglial  p53  activation.  These  results  suggest  that  transcriptional‐dependent  p53  activities  in  microglia  may  drive  a  non‐cell  autonomous  process  of  synaptic  degeneration  in  neurons  during  neuroinflammatory  degenerative diseases.  Keywords 

P53, Microglia, Synapse, Neurodegeneration       

Page 2 of 23

Abbreviations   PFTα,  pifithrin‐α; PFTμ, pifithrin‐μ; iNOS, inducible nitric oxide synthase; IL‐1β, interleukin 1β;  TLR,  toll‐like  receptor;  TNF‐α,  tumour  necrosis  factor  α;  LME,  leucine‐methyl‐ester;  LPS, 

ip t

lipopolysaccharide;  PI,  propidium  iodide;  DAPI  4’‐6‐Diamidino‐2‐phenylindole‐2HCL.  MEM, 

cr

minimum essential medium with Earle’s salts.  

us

  1. Introduction  

P53, a tumour suppressor gene encoding a 393 amino acid, 53 kilo Dalton (kDa) protein 

an

product,  belongs  to  a  family  of  highly  homologous  proteins  [5,6]  commanding  crucial  and 

M

multifaceted functions in cell‐cycle control, apoptosis, and maintenance of genetic stability [7].  In  microglia,  the  resident  immunocompetent  cells  of  the  CNS,  p53  mediates  microglial 

d

activation and the subsequent pro‐inflammatory phenotypes seen in many neurodegenerative 

Ac ce p

unclear.  

te

diseases  [1,2,8,9],  but  the  mechanisms  of  p53‐driven  microglial‐evoked  neurotoxicity  remain 

Degeneration  of  synapses  is  an  early  pathological  event  in  many  chronic  neurodegenerative  diseases  [3,5]  and  activation  of  toll  like  receptors  (TLR)  is  implicated  in  innate immunity and neuroinflammatory processes within the CNS [10]. Moreover, p53 activity  has recently been linked to TLR signaling in diverse mammalian cell types [11,12]. To determine  whether  microglial  p53  activation  influences  neuronal  synapse  integrity,  we  measured  the  protein  expression  levels  of  two  key  synaptic  proteins;  synaptophysin,  and  drebrin  in  the  presence  of  TLR‐stimulated  stimulated  microglia  or  following  exposure  to  microglial  conditioned medium (MGCM). Incubation of neurons with lipopolysaccharide (LPS)‐stimulated 

Page 3 of 23

MGCM  or  by  direct  activation  of  microglia  in  the  neuronal‐glial  cultures  resulted  in  reduced  expression of synaptophysin and drebrin, prior to the triggering of neuronal death cascades.   These effects were driven by the specific microglial activation of p53 and correlated with 

ip t

increased  phosphorylated‐p53  expression  in  microglia.  Selective  elimination  of  microglia 

cr

abolished the disruption of neuronal synaptic marker expression and microglial p53 inhibition  abolished inflammatory cytokine production. Overall, these results indicate that transcriptional‐

an

synaptic degeneration in neurons during inflammation. 

us

dependent p53 activities in microglia may be responsible for a non‐cell autonomous process of 

2.1 Cell culture preparation and treatment 

M

  2. Materials and Methods    

d

Primary  cultured  rat  microglia  and  cerebellar  granule  cell  neuronal/glial  (CGCs)  cultures  were 

te

prepared from 5‐day‐old Sprague Dawley rats as previously described [13], in accordance with 

Ac ce p

the  United  Kingdom  Animals  (Scientific  Procedures)  Act,  1986.  Where  indicated,  microglia  or  CGCs  were  treated  directly  with  pifithrin‐α  (PFTα)  (Sigma,  P4359)  (10μM),  pifithrin‐μ  (PFTμ)  (Sigma,  P0122)  (5μM),  and  lipopolysacharide  (LPS,  1μg/ml,  (Sigma)  for  24  or  48  h  with  cells  treated  with  PFTα  or  PFTμ  1  h  before  treatment  with  LPS.  Microglial  conditioned  medium  (MGCM) was collected and aliquots snap‐frozen until required. MGCM was subsequently used  at a 1:1 ratio with CGC medium.       

Page 4 of 23

2.2 Specific depletion of microglia from neuronal cultures  Microglia in CGC cultures were removed by treatment with 25mM leucine‐methyl‐ester (LME),  as previously described [14,15]. Briefly, cells were exposed to LME for 1 h, followed by washing, 

were treated identically except for the omission of LME.    

us

2.3 Assessment of apoptosis and cell death in neuronal cultures 

cr

ip t

replacement of original medium, and resting for 24 h before further treatment. Control cultures 

an

Apoptosis  and  cell  death  were  quantified  on  live,  non‐fixed  CGCs  to  determine  the  effects  of  MGCM on neuronal survival after 24 or 48 h of treatment, using propidium iodide (PI, for cell 

M

death)  and  Hoechst  33342  (for  apoptosis)  as  previously  described  [16].  Cells  were  observed  with  a  Zeiss  Axioskop  2  fluorescence  microscope  plus  40x  Neofluar  objective  (Zeiss, 

d

Oberkochen,  Germany).  Hoechst  fluorescence  was  captured  with  a  DAPI  filter  set  and  PI 

te

fluorescence with a rhodamine filter set. Cell counts were performed on at least three cell fields 

 

Ac ce p

per coverslip, three coverslips per treatment from three independent experiments. 

2.4 Cell lysis and western blotting 

Cells were harvested and cytosolic fractions resolved on 10% SDS gels, and transferred to PVDF  membranes using standard protocols [11]. Membranes were incubated with mouse monoclonal  anti‐p53  (Cell  Signalling  1C12;  1:1000),  rabbit  polyclonal  anti‐phospho‐p53  (Ser15)  (Cell  Signalling 9284; 1:1000), mouse monoclonal anti‐synaptophysin (Abcam ab8049; 1:500), rabbit  polyclonal anti‐drebrin (Millipore AB10140; 1:5000) overnight at 4oC. Washed membranes were  incubated with an appropriate HRP‐conjugated secondary antibody and blots developed using 

Page 5 of 23

ECL.  Membranes  were  reprobed  with  mouse  anti‐β‐actin  (Sigma  A5441,  1:2000)  as  a  loading  control.  All  experiments  were  performed  at  least  three  times,  quantified  by  densitometric  analysis and normalised for β‐actin expression.  

ip t

 

cr

2.5 Immunocytochemistry 

Cells fixed in 4% paraformaldehyde (PFA) in phosphate buffered saline (PBS, in mM; 140 NaCl, 5 

us

KCl,  25  Na2HPO4,  2.9  Na2HPO4.2H2O,  11  glucose,  0.2%  bovine  serum  albumin,  pH7.4)  were 

an

permeabilised  with  0.1%  triton‐X  for  10  min  at  room  temperature.  Following  washing  and  blocking, cells were incubated with rabbit monoclonal anti‐cleaved caspase‐3 (1:1000), mouse 

M

monoclonal  anti‐ED1  (Abcam  ab31630,  1:500)  or  mouse  monoclonal  anti‐NeuN  (Millipore  MAB377;  1:500)  overnight  at  4oC,  counterstained  with  the  appropriate  fluorescent  tagged 

d

secondary  antibody  and  the  nuclear  stain  4’‐6‐Diamidino‐2‐phenylindole‐2HCL  (DAPI).  Cells 

te

were viewed in a Zeiss Axioskop fluorescence microscope (Carl Zeiss Ltd, Welwyn Garden City, 

Ac ce p

UK).  Negative  controls  consisted  of  cells  treated  in  the  same  way  but  with  primary  antibody  omitted or with isotype controls.   

2.6 Enzyme‐linked immunosorbent assay (ELISA)  Tumour necrosis factor alpha (TNFα) and interleukin 1β (IL‐1β) concentrations in MGCM were  quantified using Quantikine Rat TNFα/IL‐1β immunoassay kits according to the manufacturer’s  instructions  (R&D  Systems,  Abingdon,  UK).  MGCM  cytokine  concentrations  were  determined  against  a  standard  curve  of  TNFα/IL‐1β  and  analysed  from  three  individual  coverslips  of  microglia in three independent experiments with each sample assayed in duplicate. 

Page 6 of 23

2.8 Statistical analysis  To  directly  compare  two  treatments,  two‐tailed  paired  Student’s  t‐tests  were  performed.  P  values 

Microglial p53 activation is detrimental to neuronal synapses during activation-induced inflammation: Implications for neurodegeneration.

P53 is a tumour suppressor protein thought to be primarily involved in cancer biology, but recent evidence suggests it may also coordinate novel funct...
1MB Sizes 0 Downloads 6 Views