Dissecting the role of adducin in the axonal cytoskeleton

Abstract

The neuronal cytoskeleton is an interconnected network of filamentous polymers, having in its constitution three major components: actin, microtubules and intermediate filaments. Up to the discovery of axon actin rings, the neuronal actin cytoskeleton has gained relevance. Still, the molecular details of the regulation of the actin cytoskeleton in neurons are largely unknown. Helping in the actin cytoskeleton regulation and maintenance, there is adducin. Adducin is organized in heterotetamers of heterodimers which comprises α/β and α/γ subunits. In the nervous system, the depletion of α subunit results in an almost complete absence of functional adducin. Given this, α-adducin KO mice arose as relevant models to study the role of this protein in actin cytoskeleton. Results from our group showed that α-adducin KO mice develop progressive axon enlargement and degeneration. As defects in axonal transport have been related to axon enlargement, we determined the importance of adducin in the axonal cytoskeleton and, more specifically, in axonal transport. Although no differences were found in the retrograde transport of CTB in the optic nerve, the lack of adducin resulted in a decreased speed of axonal transport of mitochondria and lysosomes. Several neurodegenerative disorders have been associated with axonal transport deficits and, consequently, with alterations in MT-based transport. Although no differences were found in the levels of acetylated and de-tyrosinated tubulin, the levels of tyrosinated tubulin were significantly decreased in α-adducin KO brains, suggesting a less dynamic status of the MT cytoskeleton in the absence of adducin. Besides differential PTMs of tubulin the decreased axonal transport speed may result from the decreased levels of dynein and kinesin in α-adducin KO mice. Lastly, we hypothesized that adducin might be involved in the organization and/or plasticity of the AIS that requires actin dynamics. In α-adducin KO animals, although the AIS forms normally, neurons do not have the ability to relocate it in response to chronic depolarization. Still, the specific role of actin and its associated proteins, like adducin, in this process remains unclear. In sum, with this Thesis we contributed to understand the relevance of the actin in cytoskeleton, more specifically, of the actin-binding protein adducin in neuron biology.

O citoesqueleto neuronal é maioritariamente constituído por três componentes: actina, microtúbulos e filamentos intermédios. Com a descoberta dos anéis de actina presentes no axónio, o citoesqueleto neuronal de actina tem vindo a ganhar bastante relevância. Contudo, os mecanismos moleculares envolvidos na regulação da actina no citoesqueleto continuam por esclarecer. Nesta tese focámo-nos no estudo da importância da aducina, uma proteína de ligação à actina, na regulação do citoesqueleto neuronal. A aducina é uma proteína constituída por heterotetrameros de heterodímeros das subunidades α/β e α/γ, sendo que no sistema nervoso, a depleção da subunidade α resulta numa completa ausência da proteína no seu estado funcional. Assim, murganhos KO para α-aducina demonstraram ser um modelo animal relevante para o estudo do papel desta proteína no citoesqueleto de actina. Resultados do nosso grupo demonstraram que murganhos KO para α-aducina desenvolvem uma degeneração progressiva e um aumento do calibre do axónio. Uma vez que defeitos no transporte axonal têm vindo a ser relacionados com o alargamento axonal, tornou-se importante determinar o papel da aducina no citoesqueleto axonal, mais especificamente no transporte ao longo do axónio. Apesar de não terem sido encontradas diferenças no transporte da toxina da cólera no nervo óptico, a ausência da aducina resultou num decréscimo significativo na velocidade de transporte axonal de mitocôndrias e lisossomas. Diversos distúrbios neurodegenerativos têm sido associados com deficiências no transporte axonal consequentes de alterações na maquinaria de transporte incluindo microtúbulos e proteínas relacionadas. Apesar de não terem sido encontradas diferenças nos níveis de acetilação e de-tirosinação da tubulina em amostras de cérebro α-aducina KO, os níveis de tirosinação da tubulina estão significativamente diminuídos quando comparados com aqueles encontrados em amostras WT, sugerindo uma menor dinâmica dos microtúbulos na ausência de aducina. Além das modificações da tubulina, a diminuição da velocidade de transporte axonal poderá resultar também do decréscimo dos níveis de ambos os motores moleculares dineina e cinesina nos murganhos α-aducina KO. Por fim, sugere-se que a aducina poderá também estar envolvida na organização e/ou plasticidade do segmento inicial do axónio dada a sua ligação ao citoesqueleto de actina, importante para a sua função e organização. Nos murganhos KO para α-aducina, foi verificado que apesar da formação do segmento inicial ser normal, as células não têm a capacidade para o relocalizar após uma depolarização crónica. Porém, o papel específico da actina e das suas proteínas associadas, tal como a aducina, neste processo deverá ser investigado com maior detalhe. Sumariamente, com esta tese, foi possível contribuir para uma melhor compreensão da relevância da actina, mais especificamente, da proteína de ligação à actina aducina, na biologia de um neurónio.