The role of chaperone mediated autophagy in the central nervous system

Abstract

Protein degradation systems have profound effects on signaling pathways and molecular networks that regulate organogenesis. Although autophagy-mediated protein degradation has been strongly associated with brain function and related diseases, its involvement in neural development remains unclear. Chaperone Mediated Autophagy (CMA), one of the main lysosomal degradation systems, has been linked to neurodegenerative diseases and neurodevelopmental disorders, however, nothing is known about its physiological role in mammalian brain development. Here we identify a novel regulatory role of CMA pathway in Neural Stem Cell (NSC) differentiation during development. In particular, we show that CMA is highly active in NSCs and that LAMP2A, the principal limiting component of CMA, together with HSC70 (HSPA8), another component of CMA, are strongly expressed in ex vivo cultured NSCs and embryonic rodent brain. Interestingly, LAMP2A expression pattern is associated with induction of neurogenesis. Most importantly, overexpression and loss of function experiments in NSCs, suggest an inductive role of CMA in neuronal differentiation. Mechanistically, we provide evidence that LAMP2A is involved in NSC fate decisions by interfering with Notch1 signaling pathway. Forced expression of LAMP2A reduces the protein levels of Notch1 Intracellular Domain (NICD) as well as expression of downstream effector genes, Hes1 and Hes5. Consistently, a CMA recognition motif (KFERQ-like) on the NICD peptide sequence was identified with functional importance in the ability of NICD to activate downstream genes and CMA-mediated degradation. Collectively, our data suggest a key role for LAMP2A and CMA in the regulation of neuronal fate acquisition via direct targeting of NICD activity.

Τα κυτταρικά συστήματα αποικοδόμησης πρωτεϊνών επηρεάζουν ουσιαστικά τα σηματοδοτικά μονοπάτια και μοριακά δίκτυα που ρυθμίζουν την οργανογένεση. Παρ'όλο που η αποικοδόμηση πρωτεϊνών μέσω αυτοφαγίας έχει συσχετιστεί πολύ ισχυρά με τη λειτουργία του εγκεφάλου και σχετικές ασθένειες, η συμμετοχή αυτής στην ανάπτυξη του νευρικού συστήματος παραμένει ασαφής. Η Αυτοφαγία Διαμεσολαβούμενη απο Σαπερόνες, ένα από τα κύρια λυσοσωμικά μονοπάτια, έχει συνδεθεί άμεσα με νευροεκφυλιστικές ασθένειες και ασθένειες σχετικές με την ανάπτυξη του εγκεφάλου, παρ' όλ' αυτά δεν υπάρχει κάτι γνωστό σχετικά με το φυσιολογικό ρόλο αυτής στην ανάπτυξη του εγκεφάλου των θηλαστικών. Με αυτή την εργασία παρουσιάζουμε ένα καινοτόμο ρυθμιστικό ρόλο της Αυτοφαγίας Διαμεσολαβούμενης απο Σαπερόνες, κατά τη διαφοροποίηση των Νευρικών Βλαστικών κυττάρων (ΝΒΚ) κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης. Συγκεκριμένα, παρουσιάζουμε πως αυτό το μονοπάτι αυτοφαγίας είναι σημαντικά ενεργό στα ΝΒΚ και πως η LAMP2A, η βασικότερη πρωτεΐνη του μονοπατιού, μαζί με την HSC70 (HSPA8), ένα επιπλέον κομβικό μόριο για αυτό το αυτοφαγικό μονοπάτι, εκφράζονται σημαντικά και στα ΝΒΚ και στο εμβρυονικό εγκέφαλο των τρωκτικών. Επιπλέον, η LAMP2A συσχετίζεται με την έναρξη της νευρογένεσης. Πιο σημαντικά ακόμα, παρατηρείται πως υπερέκφραση και αποσιώπηση της LAMP2A οδηγεί στην ενεργοποίηση της νευρογένεσης κατά την διαφοροποίηση των ΝΒΚ. Σχετικά με τον μηχανισμό, στην μελέτη αυτή παρουσιάζεται πως η LAMP2A επηρεάζει την κυτταρική διαφοροποίηση των ΝΒΚ παρεμβαίνοντας στο NOTCH1 σηματοδοτικό μονοπάτι. Η υπερέκφραση της LAMP2A καταστέλλει την έκφραση του NICD (του ενδοκυτταρικού τμήματος της NOTH1 πρωτεΐνης που λειτουργεί ως μεταγραφικός παράγοντας στον πυρήνα) όπως επίσης και την έκφραση των γονιδίων που επάγει το NICD, το HES5 και HES1. Επιπρόσθετα, το γνωστό και αναγνωρίσιμο μοτίβο των πρωτεϊνών-στόχων στην αμινοξική τους αλληλουχία( KFERQ-like motif) της Αυτοφαγίας Διαμεσολαβούμενης απο Σαπερόνες , αναγνωρίστηκε στο NICD και φαίνεται να καθορίζει την ενεργότητά του σχετικά με την μεταγραφή των γονιδίων-στόχων. Η ρύθμιση αυτή φαίνεται να συμβαίνει μέσω της αποικοδόμησης της πρωτεΐνης NICD από το μονοπάτι της Αυτοφαγίας . Εν κατακλείδι, τα δεδομένα που προκύπτουν από την παρούσα εργασία οδηγούν στο συμπέρασμα ενός νέου ουσιαστικού ρόλου της LAMP2A και της Αυτοφαγίας Διαμεσολαβούμενης απο Σαπερόνες στην ρύθμιση της νευρονικής μοίρας του κυττάρου μέσω στόχευσης του NICD, επομένως και της ενεργότητας του NOTCH1 σηματοδοτικού μονοπατιού.