Estudi de dos mecanismes moleculars implicats en l’expressió local d’mRNAs en plasticitat sinàptica

Abstract

La regulació local de la síntesi proteica permet a la neurona respondre ràpidament a senyals sinàptiques, és un element fonamental de la plasticitat sinàptica i està alterat en moltes patologies neuronals. La síntesi de moltes proteïnes sinàptiques és un procés regulat de forma local, mitjançant estructures conegudes com a grànuls d’RNA. La creació i transport d’aquests grànuls i la traducció dels mRNAs que contenen són processos regulats amb una alta resolució espacial i temporal. Al primer capítol d’aquesta tesi s’estudia la retenció d’introns en mRNAs transportats a dendrites. La retenció intrònica és un tipus d’splicing alternatiu molt poc estudiat, però del qual s’estan descobrint casos recentment. Estudis d’altres laboratoris troben diversos introns retinguts a mRNAs localitzats a dendrites, i molts d’aquests esdeveniments de retenció intrònica tenen una funció al transport i control de la traducció d’mRNAs. En el present treball s’estudia la retenció de l’intró 16 a l’mRNA madur de CaMKIIα. Aquesta nova isoforma d’splicing es troba al citoplasma de les neurones, sent detectada a dendrites, grànuls d’RNA i sinaptoneurosomes de cervell i cultius neuronals. Aquesta subpoblació d’mRNAs amb l’intró 16 es localitza preferencialment a zones distals de les dendrites de forma dependent d’activitat sinàptica. Staufen2, proteïna relacionada amb el transport d’mRNAs, interacciona amb l’intró 16 i estabilitza l’mRNA que el conté. Aquesta isoforma de CaMKIIα que conté l’intró 16 participa en el transport de les isoformes completament processades per splicing. El segon capítol d’aquesta tesi estudia KIS. Aquesta proteïna interacciona amb Stathmin, un modulador del citoesquelet de tubulina. A més, estudis preliminars van trobar KIS a grànuls d’RNA i estimulant la traducció en neurites a través del 3’UTR de β-actina. En el present treball s’exploren els mecanismes fisiològics i moleculars pels quals KIS afecta la plasticitat sinàptica a neurones hipocampals i corticals. La disminució dels nivells de KIS compromet el desenvolupament de les espines dendrítiques, altera les dinàmiques del citoesquelet d’actina i disminueix la capacitat de resposta postsinàptica. L’absència de KIS produeix una disminució significativa als nivells de les subunitats de receptor AMPA GluR1 i GluR2, i de la proteïna d’assemblatge PSD-95. Aquesta disminució és depenent de la presència del repressor traduccional CPEB3, KIS és capaç de modular l’acció de CPEB3 sobre la creació de protrusions i la traducció de l'mRNA de GluR2. A nivell molecular, KIS interacciona amb CPEB3 i provoca la seva dissociació de l’mRNA, permetent la seva poliadenilació i traducció. El nostre estudi aporta així nova informació sobre els mecanismes de control de la traducció d’mRNAs i de les dinàmiques del citoesquelet d’actina, en el context de la plasticitat sinàptica.

Local regulation of protein synthesis allows neurons to rapidly alter the proteome in response to synaptic signals, an essential mechanism in synaptic plasticity that is altered in many neurological diseases. Synthesis of many synaptic proteins is under local control and much of this regulation occurs through structures termed RNA granules. Creation, transport, and translation of mRNAs contained in RNA granules are processes regulated with high spatial and temporal resolution. In the first chapter of this doctoral thesis, we study intron retention in mRNAs transported to dendrites. Intron retention is a type of alternative splicing poorly studied, but recently new events are being discovered. Studies from other laboratories show lots of introns retained in mRNAs localized in dendrites, and some of those retentions are related to mRNA transport and translation control. In the present work, we study the retention of intron 16 in CaMKIIα mature mRNA. This new splicing isoform is transported from nuclei to neuron cytoplasm, and its found in dendrites, RNA granules and sinaptoneurosomes from brain and cortical cultures. This mRNA subpopulation containing intron 16 is localized preferentially in distal dendrites, in a synaptic activity dependent manner. Staufen2, a well-known protein related with mRNA transport, interacts with intron 16 and stabilizes the mRNA that retains it. Intron 16 containing CaMKIIα isoform participates in the transport of totally spliced CaMKIIα mRNAs. In the second chapter we study KIS. This protein interacts with Stathmin, a known modulator of microtubules. Preliminary studies found KIS in RNA granules stimulating translation in dendrites through β-actin 3’UTR. In the present work, we explore the fisiological and molecular mechanism by whitch KIS affects synaptic plasticity in hippocampal and cortical neurons. Decreasing KIS levels compromises dendritic spines development, alters actin cytosqueleton dynamics and diminish postsynaptic responsiveness. The absence of KIS promotes a significant decrease in the levels of AMPA subunits GluR1 and GluR2, and in scaffolding protein PSD-95. This decrease depends on the presence of translational repressor CPEB3. KIS modulates CPEB3 repression on protrusion and GluR2 mRNA translation. At the molecular level, KIS interacts with CPEB3 and promotes its dissociation from mRNA, allowing its polyadenylation and translation. Our study provides insight into mRNA translation control mechanism and cytosqueletal dynamics in the context of synaptic plasticity.