Synaptic elimination and the complement system in

Synaptic elimination and the complement system in Alzheimer’s disease 

28 

This  conclusion  gained  further  support  when  we  analysed  the  result  of  the 

burst stimulations. C3 KO mice displayed an increased synaptic response to 

burst-stimulations (Fig. 5, paper II), probably due to the normalising effect on 

release probability of the short-term plasticity induced by the burst. 

To  corroborate  the  electrophysiological  findings,  we  made 

immunohistochemical stainings of VGLUT1 in thin sections of hippocampal 

tissue  from  WT  and  C3  KO  mice.  Again  surprised,  we  found  that  C3  KO 

mice  had  a  lower  density  and  smaller  puncta  of  VGUT1  staining  (Fig.  6, 

paper II), thus implying fewer synapses. An explanation for this result that 

would still fit together with the previous results, is, that in the C3 KO mice, 

synapses are more numerous, but smaller, so small that they creep under the 

detection  level  for  immunohistochemistry.  This  rational  comes  with  the 

prediction  that  the  VGLUT1  protein  levels  in  C3  KO  mice  should  not  be 

lower than in WT mice. Indeed, western blot and qPCR experiments showed 

that VGLUT1 expression was not different between C3 KO and WT mice, 

thus supporting the notion of more numerous but smaller synapses. In further 

support  of this  notion, it  has  been  shown  that  mice  lacking  C1q,  a  protein 

found  upstream  of  C3  in  the  classical  complement  cascade,  in  fact,  have 

smaller synaptic boutons (Chu et al. 2010). 

Considering  the  importance  of  proper  synapse  elimination  during 

development,  C3  KO  mice  should  display  some  learning  disabilities.  We 

confirmed  this  prediction  by  subjecting  the  animals  to  fear  conditioning, 

showing that the C3 KO mice were blessed with an impaired memory for the 

foot shocks when the learning paradigm was hippocampus-dependent (Fig. 7, 

paper II). Interestingly, this opens for the possibility that synaptic elimination 

in the amygdala is not impaired by the lack of C3. 

In  the  last  experiment  of  this  study,  we  explored  the  possibility  of  an 

increased  propensity  for  epileptiform  activity  in  the  brains  of  the  C3  KO 

animals. Such an effect was seen in the previous study of C1q deficient mice 

(Chu  et  al.  2010)  and  could  possibly  be  explained  by  the  increased  burst 

response reported in the present study. This notion is further supported by the 

fact that inhibitory GABAergic synapses do not seem to be eliminated in a 

complement-dependent  manner  (Chu  et  al.  2010).  Therefore  we  recorded 

spontaneous activity in vivo in C3 KO and WT mice. We did, however, not 

observe any spontaneous seizures in the C3 KO mice (Fig. 8, paper II). 

In  conclusion,  these  results  implicate  the  complement  system  in  the 

elimination of glutamate synapses in the hippocampus. They also suggest that 

the  increased  neuronal  activity,  an  expected  consequence  of  deficient 

---

Jonny Daborg 

29 

elimination  and  too  many  glutamate  synapses,  is  partially  compensated  by 

reduced release probability, possibly via homeostatic plasticity. 

4.3

 

Complement levels in AD CSF 

Previous reports have shown that post mortem brain tissue from AD patients 

have increased levels of complement mRNA (Yasojima et al. 1999), and that 

AD  CSF  has  increased  levels  of  a  certain  isoform  of  C4b  (Finehout  et  al. 

2005),  C3  and  factor  H  (Wang  et  al.  2011).  Since  the  complement  system 

seems to be involved in AD we evaluated the complement proteins, C3, C4 

and CR1 as potential CSF biomarkers for AD. 

C3 and C4 CSF levels were significantly higher in AD patients as compared 

to  stable  MCI  patients  (Table  1,  and  Fig.  1,  paper  III).  Since  the  core 

biomarker patterns were similar between the control and stable MCI groups, 

and the MCI-AD and AD groups (Table 1, paper III), these were merged into 

a  control/stable  MCI  group  and  an  MCI-AD/AD  group  (Fig.  2,  paper  III). 

Statistical comparison of these two groups showed that the CR1 levels were 

significantly increased in the MCI-AD/AD group. C3 and C4 levels were not 

significantly  different  between  the  groups,  but  there  was  a  trend  towards 

higher C3 levels in the MCI-AD/ AD group (p = 0.068). 

To  evaluate  if  the  levels  of  C3,  C4,  or  CR1 could  be  of  diagnostic  utility, 

receiver operating characteristic (ROC) curves were created for the different 

analytes. The core biomarkers T-tau, P-tau and Aβ42 could differentiate AD 

from controls with an area under the curve (AUC) of 0.96. When we added 

the  complement  proteins  to  this  model,  the  AUC  did  not  improve  (Fig.  3, 

paper  III).  The  variable  importance  in  the  projection  (VIP)  plots  show  the 

contributions  of  the  different  analytes  to  the  model  (Fig.  3,  paper  III). 

Although  C3  and  CR1  contributed  to  some  extent,  the  magnitude  was  too 

small to be of clinical use. 

In  addition  to  the  primary  analyses  described  above,  we  also  investigated 

potential  correlations  between  the  different  variables  in  the  two  merged 

groups  (Table  2,  paper  III).  The  results  showed  that  the  levels  of  the 

complement proteins correlated with age and albumin ratio, an indicator of 

the  blood-brain  barrier  function.  Correlations  were  also  seen  between  age, 

MMSE and albumin ratio. 

The correlation between complement levels and age has been reported in a 

previous study (Wang et al. 2011) and is somewhat unsettling considering the 

significant  differences  in  age  seen  between  the  diagnostic  groups  in  the 

---