Secretory markers of dense-core vesicles in Alzheimer's disease

Abstract

The regulated secretory pathway is a hallmark of professional secretory cells as neurons and endocrine cells. Significant peptidergic neurotransmitters as hormones, neurotrophins and growth factors are targeted to dense-core vesicles (DCVs) and released after stimulation. DCV secretory markers include granins, carboxypeptidases and proprotein convertases and constitute DCV molecular machinery. In addition to their important intracellular roles in sorting, trafficking and processing of peptidergic cargos, extracellular neurotrophic functions have been proposed for certain DCV markers. Of note, variations in some members of the granin family such as chromogranin A (CgA) have been described in the brain and cerebrospinal fluid (CSF) of Alzheimer’s disease (AD) patients. However, other abundant DCV secretory proteins as the granin SgIII, the enzyme convertase CPE and the proprotein convertases PC1 and PC2, have been poorly studied in AD. Hence, we have analyzed alterations in the secretory markers of DCVs in the brain and CSF of AD patients and in the 5xFAD mouse model of familial AD. As a major finding of the present dissertation, DCV secretory markers accumulate in dystrophic neurites and granulovacuolar degeneration bodies, two prominent neuropathological features of AD. Moreover, DCV secretory proteins markedly decay in the CSF of AD patients, correlating with neurodegeneration and cognitive decline. Furthermore, secretory markers of DCV initially increase and later decrease in the hippocampi and age-dependently decline in the CSF of 5xFAD mice. Additionally, since reactive astrogliosis is a common feature of neurodegenerative diseases, understanding the mechanisms underlying gliotransmission under control and proinflammatory conditions is fundamental. Here we have shown that astrocyte peptidergic secretory vesicles are heterogeneous and display variable release rates in response to Ca2+-mediated stimulation, which are modulated in proinflammatory-treated astrocytes in vitro and in a neuroinflammation model in situ. Besides, unstimulated release of astrocyte secretory proteins in vitro is independent of intrinsic Ca2+ oscillations but critically depends on intracellular Ca2+. Altogether, since neurotransmission and gliotransmission are clearly affected in AD, our results suggest that alterations in the regulated secretory pathway of neurons and astrocytes may participate in underlying pathological mechanisms and propose DCV secretory markers as candidate biomarkers for AD.

Mitjançant la via de secreció regulada de neurones i cèl·lules endocrines, hormones, neurotrofines i altres missatgers peptídics importants pel funcionament del sistema nerviós són internalitzats en vesícules de centre dens (VCD) i alliberats per exocitosi en resposta a estímuls. La maquinària molecular de les VCD inclou granines i enzims processadors (carboxipeptidases i convertases) que s’encarreguen de dirigir i processar els missatgers peptídics a les VCD. Aquests components de les VCD són solubles i se secreten, amb els altres transmissors peptídics, a l’espai extracel·lular, on alguns desenvolupen funcions neurotròfiques rellevants. Proteïnes de la família de les granines, com la cromogranina A, han estat tradicionalment relacionades amb malaltia d’Alzheimer (MA), on s’han trobat alterades al cervell i al líquid cefalorraquidi (LCR) de pacients. No obstant, altres marcadors de les VCD molt abundants com la secretogranina III, la carboxipeptidasa E i les convertases PC1 i PC2 han estat poc estudiats en el context de la MA. Així, hem analitzat alteracions dels marcadors de VCD al cervell i al LCR de pacients de la MA i de ratolins 5xFAD, un model animal transgènic per a la MA familiar. Les proteïnes marcadores de VCD s’acumulen a les neurites distròfiques i als cossos de degeneració granulovacuolar, mentre els seus nivells disminueixen al LCR dels pacients de la MA, on correlacionen amb neurodegeneració i declivi cognitiu. A més, es troben inicialment augmentades i finalment disminuïdes a l’hipocamp dels ratolins 5xFAD, on també disminueixen progressivament al LCR amb l’edat. Atès que l’astrogliosi és present en malalties neurodegeneratives, és important l’estudi de la gliotransmissió tant en situacions control com de neuroinflamació. Així, mitjançant el tractament proinflamatori d’astròcits in vitro i un model de neuroinflamació in situ hem determinat que la secreció peptidèrgica dels astròcits sota estimulació és variable i moderada i que, en absència d’estímul, la seva alta taxa d’alliberació és independent d’oscil·lacions espontànies però dependent de calci intracel·lular. En resum, les alteracions de la via de secreció regulada de neurones i astròcits podrien participar en la progressió de la malaltia i, per això, proposem les proteïnes marcadores de VCD com a biomarcadors candidats per a la MA.