Hypoglycosylation of Piezo1 and Cavα2δ subunit: relevance for neuronal excitability and neurological disorders associated to Phosphomannomutase 2 deficiency (PMM2-CDG)

Abstract

Els defectes congènits de la glicosilació (CDG) són una família de malalties causades per mutacions en gens involucrats en les vies de la glicosilació. La PMM2-CDG, associada a mutacions en la fosfomanomutasa 2 (PMM2), es el subtipus més comú de CDG i cursa amb alteracions neurològiques severes com els stroke-like episodes (SLEs). Malgrat els mecanismes patològics són desconeguts, s’ha descrit que la hipoglicosilació del canal iònic CaV2.1 indueix un guany de funció que podria contribuir a aquestes manifestacions neurològiques. Apart, els traumatismes cranials s’han identificat com un potencial desencadenant dels SLEs. En aquesta tesi descrivim que la hipoglicosilació de Piezo1, expressat heteròlogament en cèl·lules HEK293, augmenta la sensibilitat mecànica del canal en resposta a pressió negativa i polsos uniaxials d’estirament sense alterar la cinètica d’inactivació. A més, el tractament de neurones de ratolí en cultiu primari amb els inhibidors de la glicosilación swainsonine o kifunensine augmenta els nivells de Piezo1 al soma sense alterar el seu patró de localització sinàptica. Aquests tractaments també incrementen l’influx de calci en resposta a Yoda1 o polsos uniaxials d’estirament. Finalment, mostrem com la disrupció de l’expressió de la PMM2 redueix la glicosilació i el tràfic a membrana de la subunitat CaVα2δ en cèl·lules HEK293 mentre que en C. elegans augmenta la sensibilitat a aldicarb, indicatiu d’un increment en la neurotransmissió a la sinapsi neuromuscular. En conjunt, aquests resultats suggereixen que la hipoglicosilació de Piezo1 i el complex CaV2.1/α2δ indueixen un guany de funció que podria contribuir en les manifestacions neurològiques observades en els pacients PMM2-CDG en afavorir l’excitabilitat neuronal.

The congenital disorders of glycosylation (CDGs) are a disease family caused by mutations in genes involved in the glycosylation pathways. PMM2-CDG, associated with mutations in the phosphomannomutase 2 (PMM2) gene, is the most common CDG subtype and presents with severe neurological alterations such as stroke-like episodes (SLEs). Although the pathomechanisms are not fully understood, hypoglycosylation of CaV2.1 has been shown to induce a gain-of-function in the channel that may contribute to the above-mentioned neurological symptoms. Additionally, head trauma has been recently identified as a potential trigger for SLEs. Here we report that hypoglycosylation of Piezo1 heterologously expressed in HEK293 cells increases its mechanosensitivity in response to negative pressure and 40% uniaxial stretch pulses without affecting the inactivation kinetics. Additionally, the treatment of murine cortical neurons in primary culture with the glycosylation inhibitors swainsonine or kifunensine increases Piezo1 levels at the soma without altering its synaptic localization pattern. These treatments also increase Ca2+ responses upon Yoda1 stimulation and 40% uniaxial stretch pulses. Also, we show that disruption of PMM2 expression impairs CaVα2δ glycosylation and membrane trafficking in HEK293 cells while also increases aldicarb sensitivity in C. elegans, indicative of an enhanced neurotransmission at the worm neuromuscular junction. Together, our results suggest that the hypoglycosylation-driven gain-of-function effect on Piezo1 and the CaV2.1/α2δ channel complex may contribute to the neurological manifestations observed in PMM2-CDG patients by favoring neuronal excitability.