# name
Novel molecular mechanisms contributing to cognitive impairment in schizophrenia

# metadata.dc.contributor.other[].value
Universitat de Barcelona. Departament de Biomedicina

# metadata.dc.description.abstract[].value
[eng] Schizophrenia is a neuropsychiatric syndrome that affects around 1% of the world population (Marder & Cannon, 2019). Its age of onset typically occurs within the second and third decades of life (Velligan & Rao, 2023). It is characterized by the presence of psychosis (e.g. hallucinations, delusions and disorganized speech), negative symptoms (e.g. social withdrawal, anhedonia and apathy), and cognitive deficits (e.g. social cognition deficits, impaired executive functions and working memory) (Marder & Cannon, 2019). Antipsychotic treatments can help to manage positive symptoms during acute episodes. However, their side effects and limited benefits on sociability and cognition often result in poor medication adherence and increased risk of relapse. Consequently, there is a significant unmet medical need, particularly for treatments targeting those cognitive symptoms that emerge in the premorbid phase and affect nearly 98% of patients (Harvey et al., 2022; Mihaljević-Peleš et al., 2019).
The complexity of the disease relies not only on its wide variety of symptoms, but also from the different heritable and environmental risk factors that influence the development of schizophrenia (Marder & Cannon, 2019; McCutcheon et al., 2020; Jauhar et al., 2022). Research made over the last decades has identified several molecular pathways impaired in the disorder, with neurochemical disturbances related to the dopaminergic and glutamatergic systems having a prominent role in its pathophysiology (Jauhar et al., 2022). Recent evidence has revealed that impaired GABAergic and serotoninergic neurotransmission, neurodevelopmental abnormalities and inflammation could also play a role in the onset and progression of schizophrenia (De Jonge et al., 2017; Gaitonde et al., 2024; Marder & Cannon, 2019; Jauhar et al., 2022; E. E. Lee et al., 2017; Hong & Bang, 2020). Although anatomical and functional dysfunctions have been found in different brain areas from diseased patients, the hippocampus has been suggested to play a pivotal role. Different morphological, electrophysiological, synaptic and molecular impairments affecting this brain region have been associated to schizophrenia and in close relation with to some of its positive, negative and cognitive symptoms (Harrison, 2004; Wegrzyn et al., 2022). Notwithstanding the progresses made to enhance our comprehension of this illness, there remains a need for novel approaches and improved translational models that may recapitulate more accurately its underlying pathological mechanisms.
Latest reports have found altered levels of small RNAs (sRNAs) in post-mortem brain samples of patients affected by schizophrenia and other neuropsychiatric disorders (Yoshino & Dwivedi, 2020). sRNAs are non-coding RNAs with less than 200 nucleotides that do not code for proteins but play an essential role regulating messenger RNA (mRNA) expression, stability and translation, with an important function in health and disease (Yoshino & Dwivedi, 2020). Among the different sRNA biotypes, microRNAs (miRNAs) have been linked to the aetiology of schizophrenia through their direct regulation of neurotransmission and immunological pathways that are known to be altered in the disorder (Zhang et al., 2023; Thomas & Zakharenko, 2021). Moreover, dysregulation of some miRNAs has been found not only in the hippocampus, but also in circulating blood vesicles of affected individuals in association with treatment-resistance and the severity of cognitive symptoms (Barnett et al., 2023). However, most of these studies are largely
 
descriptive and none of them has been able to directly assess the potential contribution of sRNAs to the onset and/or progression of the cognitive deficits associated with schizophrenia.
Also, genome-wide association studies (GWAS) have found different gene variants associated to cognitive impairment in schizophrenia (Zhao et al., 2022). Some of these risk gene polymorphisms have been located at the forkhead-box P2 (FOXP2) gene, which encodes for a transcription factor involved in regulating synaptic plasticity, neurotransmission and the development of neurons related to language and memory function (Vernes et al., 2007; Lang et al., 2019). FOXP2 has been linked to schizophrenia vulnerability, auditory hallucinations and cognitive deficits in chronic patients with the disorder (Sanjuán et al., 2006; Lang et al., 2019; Sanjuán et al., 2021), although the association of some specific polymorphisms to the disease are still controversial. Furthermore, increased FOXP2 levels have been found in some experimental models of schizophrenia. Nevertheless, it remains to be confirmed whether FOXP2 could mediate the development of the different symptoms associated with schizophrenia and its underlying molecular mechanisms.
In this thesis, we hypothesise that sRNAs dysregulated in the hippocampus of patients with schizophrenia are important contributors to its associated cognitive deficits. Furthermore, we aim to decipher whether altered levels of FOXP2 in the brain of these patients could play a role in the onset and progression of some of those clinical features of the disorder.
Characterization of hippocampal sRNA profiles from patients with schizophrenia revealed novel microRNA (miRNA) species dysregulated in the disorder. To define the contribution of sRNAs to the cognitive-like symptoms of schizophrenia, we developed a novel translational model based on the injection of those sRNAs isolated from the hippocampus of schizophrenia patients or non-affected individuals into the brain of wild-type mice. Animals receiving sRNAs from diseased patients exhibited an impairment in hippocampal-dependent spatial short-term memory in the T-maze test, in comparison with mice receiving sRNAs from healthy controls or vehicle. However, no deficits were found in recognition memory when performing the novel object recognition (NOR) test, along with no changes in anxiety-like levels nor locomotor activity in the open field test. Golgi staining revealed that schizophrenia sRNAs induced a decrease in the spine density of the pyramidal neurons from the cornus ammonis 1 (CA1) hippocampal region. Injected mice showed higher levels of synaptotagmin 2, a presynaptic marker for inhibitory interneurons. This increase mirrors observations made in patients. Furthermore, we also detected subtle morphological changes in mouse hippocampal microglia in response to sRNAs from affected individuals.
We found increased FOXP2 protein levels in the hippocampus and putamen of patients with schizophrenia. These aberrant levels of FOXP2 were recapitulated in the hippocampus, but not in the striatum, of a chronic ketamine mouse model of experimental psychosis. Overexpression of Foxp2 in the hippocampus of wild-type mice using adeno-associated viral (AAV) vectors induced some positive-like symptoms of the
 
disease, such as hyperlocomotion and alterations in navigation in the open field test. No effects in the negative-like symptoms were found in the three-chamber sociability test. Interestingly, Foxp2 overexpression induced cognitive deficits related to an impairment in recognition memory in the NOR test, while we did not find any differences in the spatial short-term memory when performing the T-maze test. Proteomic analysis of the hippocampus of mice overexpressing Foxp2 revealed a reduction in relevant proteins involved in glutamatergic and GABAergic neurotransmission.
Positive correlation between FOXP2 and SYT2 protein levels in the hippocampus of affected individuals suggests these changes could be concomitant processes in the disorder.
In summary, our results suggest that dysregulated hippocampal sRNAs in schizophrenia are important contributors to its associated cognitive symptoms, while aberrantly increased levels of FOXP2 in the hippocampus of these patients participate in the pathophysiology of the disorder.

# metadata.dc.description.abstract[].value
L'esquizofrènia és una síndrome neuropsiquiàtrica que afecta al voltant de l'1% de la població mundial (Marder & Cannon, 2019). L'edat d'inici sol produir-se durant la segona i tercera dècada de la vida (Velligan & Rao, 2023). Es caracteritza per la presència de psicosi (p.ex., al·lucinacions, deliris i discurs desorganitzat), símptomes negatius (p.ex., evitació social, anhedonia i apatia), i dèficits cognitius (p.ex., dèficits de cognició social, deficiències en les funcions executives i memòria de treball) (Marder & Cannon, 2019). Els tractaments amb antipsicòtics poden ajudar a gestionar els símptomes positius durant els episodis aguts. No obstant això, els seus efectes secundaris i els beneficis limitats en la sociabilitat i la cognició sovint donen lloc a una mala adherència a la medicació i un major risc de recaiguda. En conseqüència, hi ha una necessitat mèdica no satisfeta significativa, especialment per als tractaments dirigits a aquells símptomes cognitius que emergeixen en la fase premòrbida i afecten gairebé el 98% dels pacients (Harvey et al., 2022; Mihaljević-Peleš et al., 2019).
La complexitat de la malaltia es basa no només en la seva gran varietat de símptomes, sinó també en els diferents factors de risc hereditaris i ambientals que influeixen en el desenvolupament de l'esquizofrènia (Marder & Cannon, 2019; McCutcheon et al., 2020; Jauhar et al., 2022). Les investigacions realitzades en les últimes dècades han identificat diverses vies moleculars afectades en el trastorn, amb alteracions neuroquímiques relacionades amb els sistemes dopaminèrgics i glutamatèrgics que tenen un paper destacat en la seva fisiopatología (Jauhar et al., 2022). Evidències recents han revelat que les alteracions de la neurotransmissió GABAèrgica i serotoninèrgica, les anomalies del neurodesenvolupament i la inflamació també podrien tenir un paper en l'inici i la progressió de l'esquizofrènia (De Jonge et al., 2017; Gaitonde et al., 2024; Marder & Cannon, 2019; Jauhar et al., 2022; E. E. Lee et al., 2017; Hong & Bang, 2020). Tot i que s'han trobat disfuncions anatòmiques i funcionals en diferents àrees cerebrals de pacients malalts, s'ha suggerit que l'hipocamp hi té un paper fonamental. Diverses alteracions morfològiques, electrofisiològiques, sinàptiques i moleculars que afecten aquesta regió cerebral s'han associat a l'esquizofrènia i en estreta relació amb alguns dels seus símptomes positius, negatius i cognitius (Wegrzyn et al., 2022; Harrison, 2004). Malgrat els progressos realitzats per millorar la nostra comprensió d'aquesta malaltia, continua havent-hi una necessitat de nous enfocaments i models translacionals millorats que puguin recapitular amb més precisió els seus mecanismes patològics subjacents.
Les últimes investigacions han trobat nivells alterats de ARN no codificants de mida curta (sRNA, de l’anglès small RNAs) en mostres cerebrals post mortem de pacients afectats per l'esquizofrènia i altres trastorns neuropsiquiàtrics (Yoshino & Dwivedi, 2020). Els sRNA són ARN no codificants amb menys de 200 nucleòtids de longitud que no codifiquen proteïnes però que tenen un paper essencial en la regulació de l'expressió, l'estabilitat i la traducció de l'ARN missatger (ARNm), amb una funció important en la salut i la malaltia (Yoshino & Dwivedi, 2020). Entre els diversos biotips de sRNAs, els microRNA (miRNA) s'han relacionat amb l'etiologia de l'esquizofrènia a través de la seva regulació directa de la neurotransmissió i vies immunològiques que se sap que estan alterades en el trastorn (Zhang et al., 2023; Thomas & Zakharenko, 2021). A més,
 
s'ha trobat una desregulació d'alguns miRNA no només a l'hipocamp, sinó també en vesícules circulants de sang d'individus afectats en associació amb la resistència al tractament i la gravetat dels símptomes cognitius (Barnett et al., 2023). No obstant això, la majoria d'aquests estudis són en gran part descriptius i cap d'ells no ha estat capaç d'avaluar directament la contribució potencial dels sRNA a l'inici i/o progressió dels dèficits cognitius associats a l'esquizofrènia.
Per un altra banda, els Estudis d'Associació del Genoma Sencer (GWAS, de l’anglès genome wide association studies) han trobat diverses variants genètiques associades al deteriorament cognitiu en l'esquizofrènia (Zhao et al., 2022). Alguns d'aquests polimorfismes de gens de risc s'han localitzat al gen forkhead-box P2 (FOXP2), que codifica un factor de transcripció implicat en la regulació de la plasticitat sinàptica, la neurotransmissió i el desenvolupament de neurones relacionades amb la funció del llenguatge i la memòria (Vernes et al., 2007; Lang et al., 2019). FOXP2 s'ha relacionat amb la vulnerabilitat de l'esquizofrènia, les al·lucinacions auditives i els dèficits cognitius en pacients crònics amb el trastorn (Sanjuán et al., 2006; Lang et al., 2019; Sanjuán et al., 2021), tot i que l'associació d'alguns polimorfismes específics de la malaltia encara són controvertits. A més, s'han trobat nivells de FOXP2 augmentats en alguns models experimentals d'esquizofrènia. No obstant això, queda per confirmar si FOXP2 podria mediar en el desenvolupament dels diferents símptomes associats a l'esquizofrènia i els seus mecanismes moleculars subjacents.
En aquesta tesi, es planteja la hipòtesi que els sRNA desregulats en l'hipocamp de pacients amb esquizofrènia són importants contribuents als seus dèficits cognitius associats. D'altra banda, es pretén desxifrar si els nivells alterats de FOXP2 en el cervell d'aquests pacients podrien tenir un paper en l'inici i progressió d'algunes d'aquestes característiques clíniques del trastorn.
La caracterització de perfils de sRNA hipocampals de pacients amb esquizofrènia va revelar noves espècies de microRNA (miRNA) desregulades en el trastorn. Per definir la contribució dels sRNA als símptomes cognitius de l'esquizofrènia, vam desenvolupar un nou model translacional basat en la injecció d'aquests sRNA aïllats de l'hipocamp de pacients amb esquizofrènia o individus no afectats a l'hipocamp de ratolins wild-type. Els animals que rebien sRNA de pacients malalts presentaven un deteriorament en la memòria espacial a curt termini depenent de l'hipocamp en la prova del laberint en forma de T, en comparació amb els ratolins que rebien sRNA de controls saludables o vehicle. No obstant això, no es van trobar dèficits en la memòria de reconeixement en realitzar la prova de reconeixement d'objectes nous (NOR), ni tampoc cap canvi en els nivells d'ansietat ni l'activitat locomotora en la prova de camp obert. La tinció de Golgi va revelar que els sRNA d'esquizofrènia induïeixen una disminució de la densitat d'espines de les neurones piramidals de la regió cornus ammonis 1 (CA1) de l'hipocamp. Els ratolins injectats van mostrar nivells superiors de sinaptotagmina 2, un marcador presinàptic per a les interneurones inhibidores. Aquest increment reflecteix les observacions fetes en pacients. A més, també vam detectar canvis morfològics subtils en la micròglia de l'hipocamp de ratolí en resposta als sRNA dels individus afectats.
 
Paral·lelament, també hem trobat nivells de proteïna de FOXP2 augmentats a l'hipocamp i al putamen de pacients amb esquizofrènia. Aquests nivells aberrants de FOXP2 també els hem observat en l'hipocamp, però no en l'estriat, d'un model crònic de ratolí de ketamina de psicosi experimental. La sobreexpressió de Foxp2 en l'hipocamp de ratolins wild-type utilitzant vectors virals adeno-associats (AAV) va induir alguns símptomes positius de la malaltia, com la hiperlocomoció i alteracions en la navegació en la prova de camp obert. No vam trobar efectes en els símptomes negatius en la prova de sociabilitat de tres cambres. Curiosament, la sobreexpressió de Foxp2 va induir dèficits cognitius relacionats amb un deteriorament de la memòria de reconeixement en la prova NOR, mentre que no vam trobar diferències en la memòria espacial a curt termini en realitzar la prova del laberint en forma de T. L'anàlisi per proteòmica de l'hipocamp de ratolins sobreexpressant Foxp2 va revelar una reducció de proteïnes rellevants involucrades en la neurotransmissió glutamatèrgica i GABAèrgica.
La correlació positiva entre els nivells de proteïna de FOXP2 i SYT2 a l'hipocamp dels individus afectats suggereix que aquests canvis podrien ser processos concomitants en el trastorn.
En resum, els nostres resultats suggereixen que els sRNA hipocampals desregulats en l'esquizofrènia són importants contribuents als seus símptomes cognitius associats, mentre que els nivells aberrants de FOXP2 en l'hipocamp d'aquests pacients participen en la fisiopatologia del trastorn.

# metadata.dc.source[].value
Tesis Doctorals - Departament - Biomedicina

# metadata.dc.title[].value
Novel molecular mechanisms contributing to cognitive impairment in schizophrenia