Necdin Plays a Role in the Serotonergic Modulation of the Mouse Respiratory Network: Implication for Prader-Willi Syndrome

Abstract

Prader-Willi syndrome is a neurogenetic disease resulting from the absence of paternal expression of several imprinted genes, including NECDIN. Prader-Willi children and adults have severe breathing defects with irregular rhythm, frequent sleep apneas, and blunted respiratory regulations. For the first time, we show that Prader-Willi infants have sleep apneas already present at birth. In parallel, in wild-type and Necdin-deficient mice, we studied the respiratory system with in vivo plethysmography, in vitro electrophysiology, and pharmacology. Because serotonin is known to contribute to CNS development and to affect maturation and function of the brainstem respiratory network, we also investigated the serotonergic system with HPLC, immunohistochemistry, Rabies virus tracing approaches, and primary culture experiments. We report first that Necdin-deficiency in mice induces central respiratory deficits reminiscent of Prader-Willi syndrome (irregular rhythm, frequent apneas, and blunted respiratory regulations), second that Necdin is expressed by medullary serotonergic neurons, and third that Necdin deficiency alters the serotonergic metabolism, the morphology of serotonin vesicles in medullary serotonergic neurons but not the number of these cells. We also show that Necdin deficiency in neonatal mice alters the serotonergic modulation of the respiratory rhythm generator. Thus, we propose that the lack of Necdin expression induces perinatal serotonergic alterations that affect the maturation and function of the respiratory network, inducing breathing deficits in mice and probably in Prader-Willi patients.

Imprinted genes and hypothalamic function

“…Several knockout models of Ndn have been reported with different phenotypic outcomes ranging from early postnatal lethality owing to respiratory distress to normal viability (Gérard et al 1999, Muscatelli et al 2000, Kuwako et al 2005. Ndn knockout mice variously demonstrate hypothalamic changes, including reduced numbers of oxytocin-and LHRH neurons (Muscatelli et al 2000), more generalised defects in neuronal differentiation (Kuwako et al 2005, Kuwajima et al 2006) and abnormally high levels of serotonin in the medulla (Zanella et al 2008). Necdin is also implicated in axonal outgrowth, routing and fasciculation, thereby possibly participating in establishment of neuroendocrine circuits .…”

Long-acting octreotide treatment causes a sustained decrease in ghrelin concentrations but does not affect weight, behaviour and appetite in subjects with Prader–Willi syndrome

“…Alternately, increased appetite may be secondary to abnormal expression of non-ghrelin genes. For instance, it has recently been suggested that genes involved in the development of serotoninergic pathways are affected in PWS, which could potentially influence appetite (24,25). Finally, while Oct decreases plasma concentrations of ghrelin, an orexigenic hormone, it also decreases the concentrations of anorexigenic hormones, such as insulin (26) and PYY (27).…”

Complexe de pré-Bötzinger et automatisme respiratoire

“…La création de modèles de souris transgéniques a incité également les chercheurs à adapter l'approche de Suzue à la souris, afin d'étudier in vitro le développement du CPB de souris dont un gène et un seul a été inactivé. Couplées à des approches pharmacologiques, ces études ont révélé que les systèmes à sérotonine (5-HT) [15,16] et à catécholamine [17,18] modulent le fonctionnement du CPB, et que l'altération de ces systèmes affecte la maturation de ce dernier [19][20][21]. À Gif-sur-Yvette (France), l'utilisation combinée de l'électrophysiologie et de l'imagerie calcique in vitro a révélé que l'émer-gence fonctionnelle du CPB est précédée par celle du groupe rétrotrapézoïde/parafacial (RTN/pFRG), une structure cruciale pour la réponse respiratoire à l'hypercapnie chez l'adulte.…”

“…En effet, la maturation et le fonctionnement du CPB sont modulés par les systèmes monoaminergiques [15][16][17][18][19][20][21] ; les gènes qui modifient ces systèmes affectent indirectement le CPB. Ainsi, l'inactivation chez la souris de l'enzyme MAOA-A (monoamine oxydase A) [15] ou du gène Phox2a (paired mesoderm homeobox protein 2A) [17] ou du gène c-Ret (rearranged during transfection) [18] altère les systèmes monoaminergiques et, par voie de conséquence, le CPB et la respiration ; des anomalies monoaminergiques pourraient contribuer à certains cas de mort subite du nourrisson [16,[19][20][21]. L'inactivation du gène Necdin, qui affecte les systèmes à 5-HT, induit un rythme respiratoire irrégulier, de fréquentes apnées et une hyposensibilité à l'hypoxie et l'hypercapnie.…”

“…L'inactivation du gène Necdin, qui affecte les systèmes à 5-HT, induit un rythme respiratoire irrégulier, de fréquentes apnées et une hyposensibilité à l'hypoxie et l'hypercapnie. Chez l'homme, Necdin est un des gènes responsables du syndrome de Prader-Willi, un syndrome multigénique complexe accompagné des mêmes déficits respiratoires [16,40]. L'inactivation du gène Phox2b, qui est responsable du syndrome congénital d'hypoventilation centrale, altère la formation du RTN/pFRG, la réponse respiratoire à l'hypercapnie et la rythmogenèse, sans atteinte apparente des systèmes à 5-HT [27].…”