Characterization of the role of the CPEB family of RNA-binding proteins in neurodegeneration

Abstract

Alzheimer’s disease (AD) is the most common type of dementia in the elderly. It is associated to a progressive loss of memory, problems in learning and behaviour changes. This disease is characterized by the accumulation of extracellular amyloid β (Aβ) aggregates and intracellular deposits of hyperphosphorylated Tau protein. Both aggregates trigger neuronal apoptosis and glial inflammation, leading to the cognitive decline found in AD patients. Interestingly, the serine protease tissue plasminogen activator (tPA), which is induced by Aβ, has been found to play a dual, dose-dependent role in the disease. Physiological levels of tPA confers neuroprotection through plasmin generation and Aβ degradation. In contrast, high doses of tPA activate intracellular signalling pathways in neurons and glial cells, inducing neuronal apoptosis and inflammation. However, the molecular mechanisms that govern the regulation of tPA expression in AD have still not been fully elucidated. In this work, we demonstrate that Aβ-induced tPA expression is regulated by translational control. In particular, our results show that CPEB1 and CPEB4, two members of the cytoplasmic polyadenylation element binding protein (CPEB) family of RNA-binding proteins, control local tPA synthesis in response to Aβ. Specifically, Aβ promotes tPA mRNA translation in the dendritic spines through synaptic polyadenylation and synaptic cleavage and polyadenylation, a mechanism that is impaired in the absence of CPEB1 or CPEB4. Our results also demonstrate that the pre-mRNA 3'-end processing machinery required for the efficient cleavage and polyadenylation of mRNAs is also present in the synaptic terminals. Finally, we have found that, similarly to tPA, CPEB4 is upregulated in the synaptic terminals in response Aβ and in vivo in the brain of AD patients.

La enfermedad de Alzheimer (EA) es la demencia más común en la tercera edad. Está asociada a una pérdida progresiva de memoria, problemas de aprendizaje y cambios de comportamiento. Esta enfermedad se caracteriza por la acumulación de agregados extracelulares de proteína β-amiloide (Aβ) y depósitos intracelulares de proteína Tau hiperfosforilada. Ambos agregados inducen apoptosis neuronal e inflamación mediada por las células de la glia, lo cual desencadena el declive cognitivo característico de los enfermos de EA. En este sentido, se ha demostrado que una serina proteasa, el activador del plasminógeno tisular (del inglés "tissue plasminogen activator", tPA), cuya expresión se induce por Aβ, juega un doble papel clave en la enfermedad en función de sus niveles. Por un lado, unos niveles fisiológicos de tPA pueden ser neuroprotectores a través de la generación de plasmina, con la consiguiente degradación del Aβ. Por otro lado, unos niveles altos de tPA activan cascadas de señalización intracelular en neuronas y células de la glia, lo que induce apoptosis neuronal e inflamación. Los mecanismos moleculares que rigen la regulación de la expresión de tPA en la EA no se conocen con claridad. En este trabajo, demostramos que la expresión de tPA inducida por Aβ está regulada por control traducional. En concreto, nuestros resultados muestran que CPEB1 y CPEB4, dos miembros de la familia CPEB de proteínas de unión a RNA (del inglés "cytoplasmic polyadenylation element binding, CPEB), controlan la síntesis de tPA en respuesta a Aβ. Concretamente, el Aβ promueve la traducción del ARNm de tPA en las espinas sinápticas a través de poliadenilación sináptica, y procesamiento y poliadenilación alternativos sinápticos, un mecanismo que se ve interrumpido en ausencia de CPEB1 o CPEB4. Nuestros resultados también demuestran que la maquinaria de procesamiento de los extremos 3' del pre-ARNm necesaria para llevar a cabo este proceso está presente en los terminales sinápticos. Por último, hemos encontrado que, al igual que tPA, CPEB4 se sobreexpresa en los terminales sinápticos en respuesta a Aβ, así como en el cerebro de pacientes con EA.