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Publicação
Breaking BIN1 : investigating mechanisms of synaptic dysfunction in Alzheimer’s disease
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
|---|---|---|---|---|
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Autores
Orientador(es)
Resumo(s)
Abstract
Amyloid-β (Aβ) production is one of the earliest pathological alterations in the
Alzheimer’s disease (AD) patients’ brain and has been the primary focus of therapeutic
research. Yet, synapse loss best correlates with cognitive decline in AD; therefore,
identifying the mechanisms driving synapse dysfunction should become a major
therapeutic target.
BIN1, an endocytic regulator and a significant risk gene for in late-onset AD
(LOAD), has an unclear synaptic role. Our previous studies linked Bin1 to the endocytic
recycling of BACE1, thereby leading to BACE1 accumulation and increased Aβ42
production. We have shown that mutations in Bin1 associated with LOAD, rs754834233
(PL) and rs138047593 (KR), lead to Bin1 loss of function in amyloidogenesis.
However, Bin1’s synaptic function is ill-defined, with evidence suggesting roles at
both presynaptic and postsynaptic sites that could affect synaptic transmission. Indeed,
two previous studies suggest that Bin1 regulates the synaptic vesicle (SV) cycle,
especially during SV release. After SV release, SV endocytic recycling involves
compensatory endocytosis and SV reformation from an intermediate endosomal
compartment, which requires scission and may depend on Bin1 activity. Moreover, we
hypothesized that this function might be disrupted by the LOAD mutations, leading to
synapse dysfunction.
In this study, we assessed Bin1 function in inhibitory and excitatory synapses in
primary mouse cortical neuron cultures. We found that Bin1 localizes presynaptically and
has a crucial role in inhibitory synapses by regulating the SV exocytosis and endocytosis.
Bin1 knockdown reduced synaptic endosome size in inhibitory neurons, likely by
increasing SV exocytosis and endocytosis. In contrast, Bin1 knockdown only reduced
exocytosis in excitatory neurons. Interestingly, inhibitory synapse loss was not rescued
by the LOAD-associated Bin1 mutants or Aβ inhibition. Our results support that Bin1 loss
of function may disrupt synapses prior to Aβ-dependent synapse dysfunction.
Using immunoprecipitation coupled with mass spectrometry-based proteomic
analysis, we found that the LOAD mutations disrupted Bin1 interactions, particularly with
partners related to the SV cycle, actin dynamics, and intracellular trafficking. Using coimmunoprecipitation
and proximity ligation assay, we confirmed that Bin1 mutants
exhibited reduced interaction with regulators of SV cycle, VAMP2, SV2, dynamin, clathrin,
and synaptojanin-1. Notably, clathrin overexpression restored GABAergic synapse
density in Bin1 knockdown neurons, underscoring Bin1’s crucial role in the clathrin-mediated SV cycle.
Bin1 knockdown increased neuronal hyperexcitability, likely due to the loss of
inhibitory synapse function. This effect was mitigated by the antiepileptic levetiracetam,
suggesting that Bin1 risk variants may lower the threshold for the development of
seizures and contribute to AD development. Collectively, these findings suggest that the
Bin1 mutation’s main impact is on the regulation of inhibitory synapse function, possibly
contributing to the synaptic defects observed in Alzheimer’s disease.
Resumo A produção de amiloide-β (Aβ) é uma das alterações patológicas mais precoces no cérebro de pacientes com doença de Alzheimer e tem sido o principal foco de investigação terapêutica. No entanto, a perda de sinapses correlaciona-se melhor com o declínio cognitivo na doença de Alzheimer; portanto, identificar os mecanismos que impulsionam a disfunção sináptica deve tornar-se um importante alvo terapêutico. BIN1, um regulador endocítico e um gene de risco significativo para Alzheimer de início tardio, tem um papel sináptico pouco claro. Os nossos estudos anteriores implicaram o Bin1 na reciclagem endocítica de BACE1, levando à acumulação de BACE1 e ao aumento da produção de Aβ42. Demonstrámos que mutações no Bin1 associadas à Alzheimer de início tardio, rs754834233 (PL) e rs138047593 (KR), levam à perda de função do Bin1 na amiloidogénese. No entanto, a função sináptica do Bin1 está mal definida, com alguma evidência de função nos compartimentos pré-sináptico, mas também no pós-sináptico que podem afetar a transmissão sináptica. De facto, os primeiros estudos sugeriam que o Bin1 regula o ciclo das vesículas sinápticas, especialmente na libertação das vesículas. Após a exocitose, a reciclagem endocítica das vesículas sinápticas envolve endocitose compensatória e reconstituição das vesículas a partir de um endossoma intermediário, o que requer sisão que pode depender da atividade do Bin1. Além disso, propomos a hipótese que essa função pode ser perturbada pelas mutações no Bin1, levando à disfunção sináptica. Neste estudo, avaliámos a função do Bin1 nas sinapses inibitórias e excitatórias em culturas primárias de neurónios corticais de ratinho. Descobrimos que o Bin1 se localiza pré-sinapticamente e tem um papel crucial nas sinapses inibitórias, regulando a exocitose e a endocitose de vesiculas sinápticas. A redução do Bin1 diminuiu o tamanho dos endossomas sinápticos em neurónios inibitórios, provavelmente pelo aumento da exocitose e a endocitose. Em contraste, quando diminuída a sua expressão Bin1 apenas reduziu a exocitose em neurónios excitatórios. Curiosamente, os mutantes de Bin1 associados a Alzheimer de início tardio não recuperaram a perda de sinapses inibitórias, e sendo esta perda insensível à inibição de Aβ. Os nossos resultados suportam que a perda de função do Bin1 pode prejudicar as sinapses antes de Aβ. Usando imunoprecipitação acoplada à análise proteómica baseada em espectrometria de massa, descobrimos que as mutações no Bin1 perturbam o seu interatoma, particularmente relacionado com o ciclo das vesículas sinápticas, dinâmica de actina e tráfego intracelular. Usando co-imunoprecipitação e ensaio de ligação por proximidade, confirmámos que os mutantes do Bin1 apresentaram interação reduzida com VAMP2, SV2, dinamina, clatrina e sinaptojanina-1. Notavelmente, a sobrerexpressão de clatrina restaurou a densidade de sinapses GABAérgicas em neurónios com expressão reduzida de Bin1, ressaltando o papel crucial do Bin1 na reciclagem de vesiculas sinápticas mediada por clatrina. A redução do Bin1 aumentou a hiperexcitabilidade neuronal, provavelmente devido à perda de sinapses inibitórias. Este efeito foi mitigado pelo antiepilético levetiracetam. Concluímos que as que variantes de risco do Bin1 podem diminuir o limiar para o desenvolvimento de convulsões e contribuir para o desenvolvimento da doença de Alzheimer. Coletivamente, descobrimos que as mutações no Bin1 prejudicam a sua capacidade de regular a função sináptica inibitória, potencialmente contribuindo para os defeitos sinápticos observados na doença de Alzheimer.
Resumo A produção de amiloide-β (Aβ) é uma das alterações patológicas mais precoces no cérebro de pacientes com doença de Alzheimer e tem sido o principal foco de investigação terapêutica. No entanto, a perda de sinapses correlaciona-se melhor com o declínio cognitivo na doença de Alzheimer; portanto, identificar os mecanismos que impulsionam a disfunção sináptica deve tornar-se um importante alvo terapêutico. BIN1, um regulador endocítico e um gene de risco significativo para Alzheimer de início tardio, tem um papel sináptico pouco claro. Os nossos estudos anteriores implicaram o Bin1 na reciclagem endocítica de BACE1, levando à acumulação de BACE1 e ao aumento da produção de Aβ42. Demonstrámos que mutações no Bin1 associadas à Alzheimer de início tardio, rs754834233 (PL) e rs138047593 (KR), levam à perda de função do Bin1 na amiloidogénese. No entanto, a função sináptica do Bin1 está mal definida, com alguma evidência de função nos compartimentos pré-sináptico, mas também no pós-sináptico que podem afetar a transmissão sináptica. De facto, os primeiros estudos sugeriam que o Bin1 regula o ciclo das vesículas sinápticas, especialmente na libertação das vesículas. Após a exocitose, a reciclagem endocítica das vesículas sinápticas envolve endocitose compensatória e reconstituição das vesículas a partir de um endossoma intermediário, o que requer sisão que pode depender da atividade do Bin1. Além disso, propomos a hipótese que essa função pode ser perturbada pelas mutações no Bin1, levando à disfunção sináptica. Neste estudo, avaliámos a função do Bin1 nas sinapses inibitórias e excitatórias em culturas primárias de neurónios corticais de ratinho. Descobrimos que o Bin1 se localiza pré-sinapticamente e tem um papel crucial nas sinapses inibitórias, regulando a exocitose e a endocitose de vesiculas sinápticas. A redução do Bin1 diminuiu o tamanho dos endossomas sinápticos em neurónios inibitórios, provavelmente pelo aumento da exocitose e a endocitose. Em contraste, quando diminuída a sua expressão Bin1 apenas reduziu a exocitose em neurónios excitatórios. Curiosamente, os mutantes de Bin1 associados a Alzheimer de início tardio não recuperaram a perda de sinapses inibitórias, e sendo esta perda insensível à inibição de Aβ. Os nossos resultados suportam que a perda de função do Bin1 pode prejudicar as sinapses antes de Aβ. Usando imunoprecipitação acoplada à análise proteómica baseada em espectrometria de massa, descobrimos que as mutações no Bin1 perturbam o seu interatoma, particularmente relacionado com o ciclo das vesículas sinápticas, dinâmica de actina e tráfego intracelular. Usando co-imunoprecipitação e ensaio de ligação por proximidade, confirmámos que os mutantes do Bin1 apresentaram interação reduzida com VAMP2, SV2, dinamina, clatrina e sinaptojanina-1. Notavelmente, a sobrerexpressão de clatrina restaurou a densidade de sinapses GABAérgicas em neurónios com expressão reduzida de Bin1, ressaltando o papel crucial do Bin1 na reciclagem de vesiculas sinápticas mediada por clatrina. A redução do Bin1 aumentou a hiperexcitabilidade neuronal, provavelmente devido à perda de sinapses inibitórias. Este efeito foi mitigado pelo antiepilético levetiracetam. Concluímos que as que variantes de risco do Bin1 podem diminuir o limiar para o desenvolvimento de convulsões e contribuir para o desenvolvimento da doença de Alzheimer. Coletivamente, descobrimos que as mutações no Bin1 prejudicam a sua capacidade de regular a função sináptica inibitória, potencialmente contribuindo para os defeitos sinápticos observados na doença de Alzheimer.
Descrição
Palavras-chave
Alzheimer’s disease