Non-canonical role of macroautophagy in neurotrophin signalling and axonal homeostasis

• Applicant: Professorin Dr. Natalia Kononenko
• Subject Area: Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells ; Cell Biology
• Term: from 2017 to 2020
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 354726740

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Neuronen halten die axonale Homöostase aufrecht, indem sie eine spezifische Organisation des Mikrotubuli (MT)-Zytoskeletts verwenden, das die axonale Morphologie unterstützt und Wege für den intrazellulären Transport bereitstellt. Abnormales MT-basiertes Trafficking kennzeichnet die Pathologie neurodegenerativer Erkrankungen, aber der genaue Mechanismus, der die MT-Dynamik in Axonen reguliert, bleibt rätselhaft. Wir haben eine Regulation der MT-Dynamik durch AuTophaGy(ATG)-verwandte Proteine endekt, die zuvor lediglich mit dem Autophagie-Signalweg in Verbindung gebracht wurden. Wir fanden, dass ATG-Proteine, die für die LC3-Lipidkonjugation benötigt werden, für das Überleben von exzitatorischen Neuronen entbehrlich sind und stattdessen die MT-Stabilität über die Kontrolle der Abundanz des MT-bindenden Proteins CLASP2 regulieren. Diese Funktion der ATGs ist unabhängig von ihrer Rolle in der Autophagie und erfordert das aktive Zonenprotein ELKS1. Unsere Ergebnisse unterstreichen eine nicht-kanonische Rolle der ATG-Proteine in Neuronen und deuten darauf hin, dass eine pharmakologische Aktivierung der Autophagie nicht nur den Abbau von zytoplasmatischem Material fördern, sondern auch die axonale Integrität durch Veränderung der MT-Stabilität beeinträchtigen kann. Außerderm haben wir gezeigt, dass Autophagosom-abhängiger Transport eine große Rolle in der Amyloid-Vorläuferprotein (APP)-Verarbeitung und Amyloid-β (Aβ)-Produktion spielt und in Neuronen durch den Proteinkomplex-2 (AP-2) kontrolliert wird. Die Spaltung des APPs durch BACE-1 (β-site APP cleaving enzyme 1) ist der ratenlimitierende Schritt bei der Aβ-Produktion und ein neuropathologisches Merkmal der Alzheimer-Krankheit (AD). Trotz jahrzehntelanger Forschung bleiben die Mechanismen der amyloidogenen APP-Verarbeitung höchst umstritten. Wir haben endeckt, dass AP-2 die Amyloidogenese verhindert, indem es zusätzlich stromabwärts der BACE1-Endozytose wirkt und den endosomalen Transport von BACE1 und seine Abgabe an Lysosomen reguliert. AP-2 ist in iPSC-abgeleiteten Neuronen von Patienten mit spät einsetzender AD vermindert, während konditionale AP-2-Knockout (KO)-Mäuse eine erhöhte Aβ-Produktion zeigen, die aus der Akkumulation von BACE1 in späten Endosomen und Autophagosomen resultiert. Das Entfernen von BACE1 vermindert die Amyloidogenese und mildert den Synapsenverlust in Neuronen, denen AP-2 fehlt. Zusammengenommen deuten diese Daten auf einen Mechanismus für den intrazellulären Transport und Abbau von BACE1 über eine Endozytose-unabhängige Funktion von AP-2 hin und offenbaren eine neue Rolle für endozytische Proteine bei AD.

Publications

• Neuronal activity regulates DROSHA via autophagy in spinal muscular atrophy. Sci Rep. May 21;8(1):7907 (2018)
  Gonçalves IdCG, Brecht J, Thelen MP, Rehorst WA, Peters M, Lee HJ, Motameny S, Torres-Benito L, Ebrahimi-Fakhari D, Kononenko NL, Altmüller J, Vilchez D, Sahin M, Wirth B, Kye MJ
  
• AP-2 prevents amyloidogenesis by promoting BACE1 trafficking in neurons. EMBO Rep, e47954 (2020)
  Bera S, Santiago Camblor-Perujo, Calleja-Barca E, Negrete-Hurtado A, Racho J, De Bruyckere E, Wittich C, Ellrich N, Martins S, Adjaye J, Kononenko NL
  
• Autophagy lipidation machinery regulates axonal microtubule dynamics but is dispensable for survival of mammalian neurons. Nat. Commun. 11, 1535 (2020)
  Negrete-Hurtado A, Overhoff M, Bera S, De Bruyckere E, Schätzmüller K, Kye MJ, Qin C., Lammers M, Kondylis V, Neundorf I, Kononenko NL
  
• Mechanisms of neuronal survival safeguarded by endocytosis and autophagy. J Neurochem. 157 (2): 1– 34 (2021) 263-296
  Overhoff M, De Bruyckere E, Kononenko NL