Long non-coding RNA CASC15 enhances learning and memory in mice by promoting synaptic plasticity in hippocampal neurons

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is a debilitating systemic disorder that has a detrimental impact on the overall well-being of individuals. Emerging research suggests that long non-coding RNAs play a role in neural development and function. Nevertheless, the precise relationship between lncRNAs and Alzheimer’s disease remains uncertain. The authors’ recent discoveries have uncovered an unconventional mechanism involving the regulation of synaptic plasticity and the functioning of the hippocampal fragile X mental retardation protein 1 (FMR1)—neurotrophin 3 (NTF3) pathway, which is mediated by cancer susceptibility candidate 15 (CASC15). Subsequently, functional rescue experiments were performed to illustrate the efficient delivery of exosomes harboring a significant amount of 2610307p16Rik transcripts, which is the murine equivalent of human CASC15, to the hippocampal region of mice. This resulted in significant improvements in synaptic morphological plasticity and cognitive function in APP/PS1 mice. Given the pivotal involvement of CASC15 in synaptic plasticity and the distinctive regulatory mechanisms of the CASC15-FMR1-NTF3 axis, CASC15 emerges as a promising biomarker forAlzheimer’s disease andmay even possess potential as a feasible therapeutic target.

Keywords

Alzheimer’s disease / CASC15 / FMR1 / long noncoding RNA / NTF3 / synaptic plasticity

References

[1] M. G. Erkkinen, M. O. Kim, M. D. Geschwind, Cold Spring Harbor Perspect. Biol. 2018, 10, a033118.

[2] Y. Hou, X. Dan, M. Babbar, Y. Wei, S. G. Hasselbalch, D. L. Croteau, V. A. Bohr, Nat. Rev. Neurol. 2019, 15, 565.

[3] D. Aarsland, L. Batzu, G. M. Halliday, G. J. Geurtsen, C. Ballard, C. K. Ray, D. Weintraub, Nat. Rev. Dis. Primers 2021, 7, s41572.

[4] K. A. Matthews, W. Xu, A. H. Gaglioti, J. B. Holt, J. B. Croft, D. Mack, L. C. McGuire, Alzheimer’s Dementia 2019, 15, 17.

[5] L. Vermunt, S. Sikkes, A. Hout, R. Handels, I. Bos, W. M. Flier, S. Kern, P. J. Ousset, P. Maruff, I. Skoog, F. R. Verhey, Y. F. Levi, M. Tsolaki, A. K. Wallin, M. O. Rikkert, H. Soininen, L. Spiru, H. Zetterberg, K. Blennow, P. Scheltens, G. M. Terrera, P. J. Visser, Alzheimer’s Dementia 2019, 15, 888.

[6] C. A. Lane, J. Hardy, J. M. Schott, Eur. J. Neurol. 2018, 25, 59.

[7] M. J. Prince, E. Albanese, M. Guerchet, M. A. Prina, World Alzheimer Report 2014.

[8] P. Scheltens, B. D. Strooper, M. Kivipelto, H. Holstege, G. Chételat, C. E. Teunissen, J. Cummings, W. M. Flier, Lancet 2021, 397, 1577.

[9] J. Garre-Olmo, Rev. Neurol. 2018, 66, 377.

[10] L. J. Soria, H. M. González, G. C. Léger, Handb. Clin. Neurol. 2019, 167, 231.

[11] S. Tiwari, V. Atluri, A. Kaushik, A. Yndart, M. Nair, Int. J. Nanomed. 2019, 14, 5541.

[12] S. Srivastava, R. Ahmad, S. K. Khare, Eur. J. Med. Chem. 2021, 216, 113320.

[13] Y. Gao, L. Tan, J. T. Yu, L. Tan, Curr. Alzheimer Res. 2018, 15, 283.

[14] Y. Chen, A. Fu, N. Y. Ip, Pharmacol. Ther. 2019, 195, 186.

[15] P. H. Reddy, D. M. Oliver, Cells 2019, 8, 488.

[16] D. Bairamian, S. Sha, N. Rolhion, H. Sokol, G. Dorothée, C. A. Lemere, S. Krantic, Mol. Neurodegener. 2022, 17, 19.

[17] J. C. Magee, C. Grienberger, Annu. Rev. Neurosci. 2020, 43, 95.

[18] M. V. Lourenco, R. L. Frozza, G. B. Freitas, H. Zhang, G. C. Kincheski, F. C. Ribeiro, R. A. Gonçalves, J. R. Clarke, D. Beckman, A. Staniszewski, H. Berman, L. A. Guerra, L. Forny-Germano, S. Meier, D. M. Wilcock, J. M. de Souza, S. Alves-Leon, V. F. Prado, M. A. M. Prado, J. F. Abisambra, F. Tovar-Moll, P. Mattos, O. Arancio, S. T. Ferreira, F. G. De Felice, Nat. Med. 2019, 25, 165.

[19] T. D. Cuestas, F. P. Cardenas, Rev. Neurosci. 2020, 31, 245.

[20] H. C. Brigas, M. Ribeiro, J. E. Coelho, R. Gomes, V. Gomez-Murcia, K. Carvalho, E. Faivre, S. Costa-Pereira, J. Darrigues, A. A. Almeida, L. Buée, J. Dunot, H. Marie, P. A. Pousinha, D. Blum, B. Silva-Santos, L. V. Lopes, J. C. Ribot, Cell Rep. 2021, 36, 109574.

[21] D. Mercerón-Martínez, C. Ibaceta-González, C. Salazar, W. Almaguer-Melian, J. A Bergado-Rosado, A. G. Palacios, J. Alzheimer’s Dis. 2021, 82, S37.

[22] J. M. Murillo-Maldonado, J. R. Riesgo-Escovar, Dev. Dyn. 2019, 248, 1059.

[23] F. Constanty, A. Shkumatava, Development 2021, 148, dev182741.

[24] M. Aich, D. Chakraborty, Curr. Top. Dev. Biol. 2020, 138, 73.

[25] E. Grinman, Y. Nakahata, Y. Avchalumov, I. Espadas, S. Swarnkar, R. Yasuda, S. V. Puthanveettil, Sci. Adv. 2021, 7, eabf0605.

[26] S. Samaddar, S. Banerjee, Neurobiol. Learn. Mem. 2021, 185, 107522.

[27] F. Kopp, J. T. Mendell, Cell 2018, 172, 393.

[28] R. J. Charles, P. Eichhorn, SLAS Technol. 2018, 23, 493.

[29] R. A. Chodroff, L. Goodstadt, T. M. Sirey, P. L. Oliver, K. E. Davies, E. D. Green, Z. Molnár, C. P. Ponting, Genome Biol. 2010, 11, R72.

[30] S. J. Liu, T. J. Nowakowski, A. A. Pollen, J. H. Lui, M. A. Horlbeck, F. J. Attenello, D. He, J. S. Weissman, A. R. Kriegstein, A. A. Diaz, D. A. Lim, Genome Biol. 2016, 17, 67.

[31] T. Derrien, R. Johnson, G. Bussotti, A. Tanzer, S. Djebali, H. Tilgner, G. Guernec, D. Martin, A. Merkel, D. G. Knowles, J. Lagarde, L. Veeravalli, X. Ruan, Y. Ruan, T. Lassmann, P. Carninci, J. B. Brown, L. Lipovich, J. M. Gonzalez, M. Thomas, C. A. Davis, R. Shiekhattar, T. R. Gingeras, T. J. Hubbard, C. Notredame, J. Harrow, R. Guigó, Genome Res. 2012, 22, 1775.

[32] O. Issler, Y. Y. Zee, A. Ramakrishnan, J. Wang, C. Tan, Y. E. Loh, I. Purushothaman, D. M. Walker, Z. S. Lorsch, P. J. Hamilton, C. J. Peña, E. Flaherty, B. J. Hartley, A. Torres-Berrío, E. M. Parise, H. Kronman, J. E. Duffy, M. S. Estill, E. S. Calipari, B. Labonté, R. L. Neve, C. A. Tamminga, K. J. Brennand, Y. Dong, L. Shen, E. J. Nestler, Neuron. 2020, 106, 912.

[33] M. M. Lou, X. Q. Tang, G. M. Wang, J. He, F. Luo, M. F. Guan, F. Wang, H. Zou, J. Y. Wang, Q. Zhang, M. J. Xu, Q. L. Shi, L. B. Shen, G. M. Ma, Y. Wu, Y. Y. Zhang, A. B. Liang, T. H. Wang, L. L. Xiong, J. Wang, J. Xu, W. Y. Wang, Nat. Commun. 2021, 12, 4075.

[34] H. Yan, Y. Yan, Y. Gao, N. Zhang, G. Kumar, Q. Fang, Z. Q. Li, J. H. Li, Y. N. Zhang, L. J. Song, J. W. Wang, J. X. Sun, H. T. Zhang, C. G. Ma, Sci. Rep. 2022, 12, 6625.

[35] D. Li, M. Q. Yang, BMC Bioinf. 2017, 18, 489.

[36] R. E. Andersen, D. A. Lim, Cell Tissue Res. 2018, 371, 55.

[37] J. Lee, R. Cheng, N. Pankratz, E. Wijsman, T. Bird, T. Foroud, R. Mayeux, Alzheimer’s Dementia 2011, 7, S189.

[38] J. B. Dube, C. T. Johansen, J. Robinson, J. Lindsay, V. Hachinski, R. A. Hegele, Arterioscler., Thromb., Vasc. Biol. 2012, 32, A500.

[39] H. R. Monday, S. C. Kharod, Y. J. Yoon, R. H. Singer, P. E. Castillo, Neuron. 2022, 110, 2588.

[40] V. Louhivuori, A. Vicario, M. Uutela, T. Rantamäki, L. M. Louhivuori, E. Castrén, E. Tongiorgi, K. E. Akerman, M. L. Castrén, Neurobiol. Dis. 2011, 41, 469.

[41] S. W. Ying, M. Futter, K. Rosenblum, M. J. Webber, S. P. Hunt, T. V. Bliss, C. R. Bramham, J. Neurosci. 2002, 22, 1532.

[42] V. G. Gómez-Pineda, F. M Torres-Cruz, C. I. Vivar-Cortés, E. Hernández-Echeagaray, CNS Neurosci. Ther. 2018, 24, 353.

[43] L. Mashouri, H. Yousefi, A. R. Aref, A. M. Ahadi, F. Molaei, S. K. Alahari, Mol. Cancer. 2019, 18, 75.

[44] J. Meldolesi, Curr. Biol. 2018, 28, R435.

[45] D. M. Pegtel, S. J. Gould, Annu. Rev. Biochem. 2019, 88, 487.

[46] N. Perets, O. Betzer, R. Shapira, S. Brenstein, A. Angel, T. Sadan, U. Ashery, R. Popovtzer, D. Offen, Nano Lett. 2019, 19, 3422.

[47] R. Kalluri, V. S. LeBleu, Science. 2020, 367, eaau6977.

[48] L. Jiang, H. Dong, H. Cao, X. Ji, S. Luan, J. Liu, Med. Sci. Monit. 2019, 25, 3329.

[49] F. D. Oliveira, M. Castanho, V. Neves, Int. J. Mol. Sci. 2021, 22, 10899.

[50] L. Jia, Q. Qiu, H. Zhang, L. Chu, Y. Du, J. Zhang, C. Zhou, F. Liang, S. Shi, S. Wang, W. Qin, Q. Wang, F. Li, Q. Wang, Y. Li, L. Shen, Y. Wei, J. Jia, Alzheimer’s Dementia 2019, 15, 1071.

[51] Y. Li, S. Meng, W. Di, M. Xia, L. Dong, Y. Zhao, S. H. Ling, J. He, X. X. Xue, X. L. Chen, C. G. Liu, CNS Neurosci. Ther. 2022, 28, 1093.

[52] A. M. Zagrean, D. M. Hermann, I. Opris, L. Zagrean, A. Popa-Wagner, Front. Neurosci. 2018, 12, 811.

[53] Y.-A. Chen, C.-H. Lu, C.-C. Ke, S. J. Chiu, F.-S. Jeng, C.-W. Chang, B.-H. Yang, R.-S. Liu, Biomedicines 2021, 9, 594.

[54] I. Chamma, M. Sainlos, O. Thoumine, Neuropharmacology 2020, 169, 107555.

[55] R. Subrahmanyam, D. Dwivedi, Z. Rashid, K. Bonnycastle, M. A. Cousin, S. Chattarji, J. Neurochem. 2021, 158, 1094.

[56] M. N. Colombo, M. Francolini, Cells 2019, 8, 996.

[57] J. P. Dupuis, L. Groc, Neuropharmacology 2020, 169, 107642.

[58] L. Worpenberg, C. Paolantoni, S. Longhi, M. M. Mulorz, T. Lence, H. H. Wessels, E. Dassi, G. Aiello, F. X. R. Sutandy, M. Scheibe, R. R. Edupuganti, A. Busch, M. M. Möckel, M. Vermeulen, F. Butter, J. König, M. Notarangelo, U. Ohler, C. Dieterich, A. Quattrone, A. Soldano, J. Y. Roignant, EMBO J. 2021, 40, e104975.

[59] S. Prashad, P. P. Gopal, RNA Biol. 2021, 18, 972.

[60] P. Licznerski, H. A. Park, H. Rolyan, R. Chen, N. Mnatsakanyan, P. Miranda, M. Graham, J. Wu, N. Cruz-Reyes, N. Mehta, S. Sohail, J. Salcedo, E. Song, C. Effman, S. Effman, L. Brandao, G. N. Xu, A. Braker, V. K. Gribkoff, R. J. Levy, E. A. Jonas, Cell. 2020, 182, 1170.

[61] R. R. Seese, A. A. Le, K. Wang, C. D. Cox, G. Lynch, C. M. Gall, Neurobiol. Dis. 2020, 134, 104604.

[62] Y. Yang, Y. Geng, D. Y. Jiang, L. Ning, H. J. Kim, N. L. Jeon, A. Lau, L. Chen, M. Lin, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2019, 116, 12007.

[63] J. Zhao, Y. Fu, Y. Yamazaki, Y. Ren, M. D. Davis, C. C. Liu, W. Lu, X. Wang, K. Chen, Y. Cherukuri, L. Jia, Y. A. Martens, L. Job, F. Shue, T. T. Nguyen, S. G. Younkin, N. R Graff-Radford, Z. K. Wszolek, D. A. Brafman, Y. W. Asmann, N. Ertekin-Taner, T. Kanekiyo, G. Bu, Nat. Commun. 2020, 11, 5540.

[64] M. Colom-Cadena, T. Spires-Jones, H. Zetterberg, K. Blennow, A. Caggiano, S. T. DeKosky, H. Fillit, J. E. Harrison, L. S. Schneider, P. Scheltens, W. de Haan, M. Grundman, C. H. van Dyck, N. J. Izzo, S. M. Catalano, Alzheimer’s Res. Ther. 2020, 12, 21.

[65] J. A. Briggs, E. J. Wolvetang, J. S. Mattick, J. L. Rinn, G. Barry, Neuron. 2015, 88, 861.

[66] L. Statello, C. J. Guo, L. L. Chen, M. Huarte, Nat Rev Mol. Cell Biol. 2021, 22, 96.

[67] T. Eom, I. A. Muslimov, P. Tsokas, V. Berardi, J. Zhong, T. C. Sacktor, H. Tiedge, J. Cell Biol. 2014, 207, 237.

[68] E. Levy, Front. Neurosci. 2017, 11, 142.

[69] L. Yuan, J.-Y. Li, ACS Chem. Neurosci. 2019, 10, 964.

[70] L. Wang, R. Zhang, X. H. Hou, C. T. Wang, S. Guo, N. Ning, C. Sun, Y. Yuan, L. Li, C. Hölscher, X. H. Wang, Mol. Brain. 2019, 12, 14.

[71] J. N. Lu, C. Luo, K. K. Bali, R.-G. Xie, R. E. Mains, B. A. Eipper, R. Kuner, Nat. Commun. 2015, 6, 6820.

[72] Z.-Z. Li, W.-J. Han, Z.-C. Sun, Y. Chen, J.-Y. Sun, G.-H. Cai, W.-N. Liu, T.-Z. Wang, Y.-D. Xie, H.-H. Mao, F. Wang, S.-B. Ma, F.-D. Wang, R.-G. Xie, S.-X. Wu, C. Luo, J. Clin. Invest. 2021, 131, e146323.

[73] K.-Y. Yue, P.-R. Zhang, M.-H. Zheng, X.-L. Cao, Y. Cao, Y.-Z. Zhang, Y.-F. Zhang, H.-N. Wu, Z.-H. Lu, L. Liang, X.-F. Jiang, H. Han, Cell Death Dis. 2019, 10, 869.

[74] X. Han, C. Wang, L. Song, X. Wang, S. Tang, T. Hou, C. Liu, X. Liang, C. Qiu, Y. Wang, Y. Du, EBioMedicine. 2022, 78, 103980.

[75] D. Bachurski, M. Schuldner, P. H. Nguyen, A. Malz, K. S. Reiners, P. C. Grenzi, F. Babatz, A. C. Schauss, H. P. Hansen, M. Hallek, E. P. von Strandmann, J. Extracell. Vesicles. 2019, 8, 1596016.

RIGHTS & PERMISSIONS

2024 The Author(s). Exploration published by Henan University and John Wiley & Sons Australia, Ltd.