The role of Ube3a in neuronal development

Abstract

Angelman syndrome (AS) is a genetic disorder characterized by paternal imprinting and maternal deletion of Ube3a. Therefore AS patients have reduced levels of expression of Ube3a in several regions of the brain including the hippocampus and cerebellum. AS patients have motor impairment, mental retardation and absence of speech. Ube3a is an E3 ligase responsible for the ubiquitination of protein leading to the proteasomal degradation and the lack of function as been associated with loss of synaptic plasticity. Although there’s been the identification of several Ube3a substrates with important role in the postsynapse the role of presynaptic Ube3a and the symptoms found in AS patients is still not clear. Ube3a transcription is induced by synaptic activity and glutamate release during early stages of development, indicating that neuronal excitability is important to regulate Ube3a activity. Nonetheless, Ube3a role in excitatory synapse formation and maturation is still not clear. In this work we did a subcellular characterization of Ube3a expression in several regions of Rat and Mouse hippocampal neurons. We observed that Ube3a is expressed at high levels within the nucleus of hippocampal neurons but is also present in the cytoplasm and along the axon. Our results show that Ube3a is highly expressed in the presynaptic compartments of neurons in early stages of development followed by a decrease in the later stages of development. Furthermore, we show that expressing a catalytic inactive form of Ube3a in rat embryonic hippocampal neurons disrupts synapse formation and maturation. Our data suggests that Ube3a catalytic function is necessary for promoting excitatory synapse formation. Collectively, these data contributes to a deeper understanding of the cognitive alterations found in patients with Angelman Syndrome.

Síndrome de Angelman é uma doença genética caracterizada por imprinting paternal e deleção maternal da Ube3a. Deste modo, pacientes com Síndrome de Angelman têm níveis reduzidos de expressão da Ube3a em várias regiões do cérebro, incluindo o hipocampo e o cerebelo. Pacientes com Síndrome de Angelman apresentam dificuldades motoras, retardação mental e ausência de fala. Ube3a é uma E3 ligase responsável pela ubiquitinação de proteínas levando a degradação proteasomal dessas proteínas e a perda de função tem sido associada com perda de plasticidade sináptica. Ainda que tenham sido identificados vários substratos desta proteína com um papel pós sináptico importante o seu papel a nível pré sináptico e a correlação com os sintomas encontrados ainda não é clara. A transcrição da Ube3a é induzida por atividade sináptica e libertação de glutamato durante os primeiros estágios de desenvolvimento indicando que a atividade da Ube3a é importante para regular a excitabilidade neuronal. Apesar disso, o papel desta proteína na formação e maturação das sinapses excitatórias é ainda desconhecido. Neste trabalho realizamos uma caracterização da expressão desta proteína em várias regiões dos neurónios do hipocampo de duas espécies de rato (Mus musculus) e (Rattus norvegicus). Nós observamos que a Ube3a está expressa em elevados níveis nos núcleos dos neurónios em estágio de desenvolvimento iniciais, mas está também expressa no citoplasma e axónios. Os nossos resultados mostram que esta proteína está altamente expressa pré-sinapticamente tendo maior presença em estágios de desenvolvimento inicias seguido de um decréscimo em estágios de desenvolvimento tardios. Além disso, demonstramos que expressar neurónios do hipocampo de Rato com uma proteína cataliticamente inativa perturba a formação e maturação de sinapses. Estes dados indicam que a função catalítica da Ube3a é necessária para promover a formação de sinapses excitatórias. Coletivamente, estes dados podem explicar as alterações cognitivas encontradas em pacientes com Síndrome de Angelman.