The Role of DNA Repair Enzyme NEIL3 in Hippocampal Development and Function

Abstract

Nylige funn understreker nye innsikter i de mange rollene NEIL3 har i hjernen, spesielt i hippocampus-regionen. Studier med gnagere har avdekket et tydelig uttrykksmønster for NEIL3 i den subgranulære sonen av dentate gyrus og den subventrikulære sonen av laterale ventrikler gjennom utviklingsstadiene. Dette indikerer at NEIL3 er involvert i nevronal organisasjon og utvikling av hippocampus. I tillegg viser forsøk med NEIL3-depletet mus at de har nedsatt romlig læring og hukommelse i Morris Water Maze (MWM), noe som antyder at NEIL3 har en unik rolle i reguleringen av hippocampusfunksjoner. Det første målet med denne studien er å undersøke NEIL3s innvirkning på genuttrykket innenfor de ulike delområdene av hippocampus. En transkriptomisk studie utført på mus ved tre måneders alder avdekket signifikante forskjeller i genuttrykk, blant annet for gener som Drd2, underenheter av Grm-genet og Rgs-genet, som er kjente komponenter i G-protein signalveier. Videre undersøkte vi endringer i hippocampus' transkriptom i fravær av NEIL3, etterfulgt av qPCR-analyser som ga normaliserte genuttrykksdata for sammenligning mellom mus med og uten NEIL3. Det andre målet med studien er å undersøke NEIL3s innflytelse på organisasjonen av GABAerge hemmende nevroner. Dette målet ble oppnådd gjennom immunohistokjemiske studier ved bruk av ulike cellulære markører, inkludert GAD67, PV og Somatostatin. Prøvene ble visualisert ved hjelp av konfokal avbildning, behandlet med 3D-programvaren Imaris, og deretter analysert for å finne forskjeller mellom de to gruppene. Det tredje målet med studien er å undersøke NEIL3s rolle i den postnatale modningen av hippocampus. Dette ble gjort ved hjelp av ulike markører, som ki67 for prolifererende celler, SOX2 for nevrale stamceller, DCX for umodne nevroner, samt NeuroD1 og NeuN for modne nevroner. Vi vurderte modningen og organiseringen av ulike nevronale populasjoner hos mus ved postnatale dager 2 (p2) og 8 (p8), både hos ville mus og mus uten NEIL3. Resultatene fra studien indikerer følgende funn: (1) Det normaliserte genuttrykket, identifisert både i hippocampus CA1 og DG-regioner via qPCR, avslørte distinkte uttrykksmønstre av disse genene hos mus med og uten NEIL3. (2) Fraværet av NEIL3 påvirker betydelig organiseringen av GABAerge hemmende nevroner i hippocampus, og viser en markert reduksjon i det hemmende nettverket hos knockout mus, noe som understreker NEIL3s funksjon i hippocampus. (3) Vi observerte en nedgang i prolifererende nevroner og nevrale stamceller, redusert DCX-uttrykk, og økning i modne nevroner som NeuN og NeuroD1 i hippocampus hos mus ved p8 sammenlignet med p2. Endringene i antallet av disse nevronene hos mus uten NEIL3 understreker NEIL3s rolle i den postnatale modningen av hippocampus. Oppsummert indikerer resultatene fra studien at DNA-reparasjonsenzymet NEIL3 spiller en viktig rolle i utviklingen og funksjonen til hippocampus.

Recent findings underscore emerging insights into the multifaceted roles of NEIL3 within the brain, particularly in hippocampus region. Studies with rodents have delineated a discernible expression profile of NEIL3 within the subgranular zone of the dentate gyrus and the subventricular zone of the lateral ventricles throughout developmental stages, indicative of its involvement in neuronal organization and hippocampal development. In addition, NEIL3-depleted mice display impaired spatial learning and memory in the Morris Water Maze (MWM), suggesting a unique role of NEIL3 in the regulation of hippocampal functions. The first aim of this investigation is to discern the impact of NEIL3 on the gene expression within the hippocampal subregions. Transcriptomic study conducted on mice at three months of age revealed noteworthy differentially expressed genes, such as Drd2, Grm gene subunits, and Rgs gene subunits, known pivotal components within G-protein signalling pathways. Subsequent investigations were undertaken to discern alterations in the hippocampal transcriptome in the absence of NEIL3 followed by qPCR analyses, providing normalized gene expression data for comparison between Neil3-/- and Wild-type counterparts. The second aim of this study is to investigate the influence of NEIL3 in the organization of GABAergic inhibitory neurons. This objective was achieved by Immunohistochemistry studies utilizing various cellular markers, including GAD67, PV, and Somatostatin. The samples were visualized using confocal imaging, subsequently processed through 3D software Imaris, and subjected to a comparative analysis to discern distinctions between the two groups. The third aim of this study is to investigate the the role of NEIL3 in the postnatal maturation of hippocampal subregions. This objective was achieved by utilization of various markers, including ki67 for proliferating cells, Sox2 for neural progenitor cells, along with DCX for immature neurons, NeuroD1, and NeuN for mature neurons, to assess the maturation and organization of distinct neuronal populations during postnatal days 2 (p2) and 8 (p8) in both wild-type and Neil3-/- mice. The outcomes of my study indicate the following findings: (1) the normalized gene expression identified in both the hippocampal CA1 and DG regions via qPCR revealed distinct expression patterns of these genes in WT and Neil3-/- (2) The absence of NEIL3 significantly influences the organization of GABAergic inhibitory neurons within the hippocampus, elucidating a marked reduction in the inhibitory network observed in knockout mice, highlighting the functional role of NEIL3 in the hippocampus. (3) A decrease in proliferating neurons and neural progenitor cells, reduced DCX expression, increase in mature neurons like NeuN and NeuroD1 were noted in the hippocampus of P8 mice compared to P2 mice were observed. Furthermore, the alterations in the numbers of these neurons in Neil3-/-, emphasize the role of NEIL3 in the postnatal maturation of hippocampus. In summary, my results indicate that the DNA repair enzyme NEIL3 plays an important role in the hippocampal development and function.