Papel de la proteína de supervivencia de la motoneurona (SMN) en la maduración sináptica

Abstract

La atrofia muscular espinal (AME), la causa genética más frecuente de mortalidad infantil, es una enfermedad neurodegenerativa caracterizada por la pérdida de neuronas motoras espinales. La AME causa debilidad muscular progresiva y parálisis y se debe a la pérdida o mutación de SMN1, que codifica la supervivencia de la proteína de la neurona motora (SMN). SMN se expresa de forma ubicua y participa en múltiples procesos del metabolismo del ARN. Aunque aún no se ha demostrado su función fisiológica en axones y terminales presinápticos, diferentes estudios in vitro sugieren que participa en la síntesis local de proteínas. La caracterización de las alteraciones estructurales, funcionales y moleculares en modelos de ratón SMA ha contribuido en gran medida a la comprensión de la fisiopatología de la enfermedad. El objetivo del presente trabajo ha sido doble. Primero, estudiar la organización espacial y temporal de SMN en axones motores y terminales y, segundo, investigar los mecanismos implicados en la disfunción sináptica de la unión neuromuscular (NMJ). Nuestros resultados revelan la existencia de gránulos de proteína SMN endógena y heteróloga a lo largo de los axones y dispuestos de manera ordenada dentro de el terminal nervioso motor. Demostramos que los gránulos de SMN coexisten con dos elementos de la maquinaria de síntesis de proteínas en el preterminal: los ribosomas y el ARNm. En ratones WT, los gránulos axonales y preterminales disminuyen durante las dos primeras semanas de vida, volviéndose imperceptibles en la edad adulta. Sin embargo, la expresión heteróloga de SMN permanece constante durante este período. Asi mismo, nuestros resultados revelan una posible asociación entre los gránulos y el citoesqueleto, especialmente con los NF. A medida que avanza la enfermedad, SMN y NF forman agregados en axones y terminales, posiblemente contribuyendo al colapso del terminal nervioso. Proponemos que SMN participa en la maduración de la sinapsis regulando el transporte y el metabolismo del ARNm en este compartimento. En la segunda parte de nuestro trabajo, investigamos las alteraciones funcionales del terminal motor en la AME mediante el análisis electrofisiológico de la neurotransmisión y registros de imagen dinámica de la exo-endocitosis y la función mitocondrial. Nuestros resultados muestran que la mitocondria es fundamental para mantener la neurotransmisión y reciclar las vesículas sinápticas, tanto en controles como en mutantes, y que la producción de ATP por la vía glucolítica no juega un papel importante en esta sinapsis. Finalmente, hemos investigado la capacidad de GV-58, un agonista de los canales de calcio dependiente del voltaje, para aumentar la liberación de neurotransmisores. Encontramos que GV-58 prolonga la duración de los potenciales postsinápticos en ratones SMA de una manera dependiente de la dosis.

Spinal muscular atrophy (SMA), the most frequent genetic cause of infant mortality, is a neurodegenerative disease characterized by spinal motoneuron loss. SMA causes progressive muscle weakness and paralysis, and it is due to the loss or mutation of the SMN1, which encodes the survival of motor neuron (SMN) protein. SMN is ubiquitously expressed and participates in multiple processes of RNA metabolism. Although its physiological function in axons and presynaptic terminals has not been demonstrated yet, different in vitro studies suggest that it participates in local protein synthesis. The characterization of the structural, functional, and molecular alterations in SMA mouse models contributes highly to understanding the disease's pathophysiology. The objective of the present work has been double. First, to study the spatial and temporal organization of SMN in motor axons and nerve terminals and, second, to investigate the mechanisms involved in the synaptic dysfunction of the neuromuscular junction (NMJ). Our results reveal both endogenous and heterologous SMN protein granules distributed along the axons and arranged in an orderly manner inside the nerve motor terminal. We demonstrate that SMN granules coexist with two elements of the protein synthesis machinery at the preterminal: ribosomes and mRNA. In WT mice, the number of Smn granules decreases during the first two weeks of life, becoming imperceptible in adulthood. However, the heterologous expression of the SMN protein in the transgenic mice remains constant during this period. Likewise, our results reveal a potential association between Smn-SMN granules and the cytoskeleton, especially with NFs. As the disease progresses in the mouse SMA model, SMN and NFs form aggregates in axons and terminals, possibly contributing to the nerve terminal collapse. We propose that SMN participates in synapse maturation by regulating the transport to and metabolism of the mRNA at this compartment In the second part of our work, we investigated the functional alterations of the motor nerve terminal in SMA. We characterized neurotransmission defects with electrophysiological techniques and exo- endocytosis and mitochondrial homeostasis alterations by dynamic imaging. Our results show that mitochondrial activity is critical for maintaining neurotransmission and recycling synaptic vesicles, both in controls and in mutants. ATP production by the glycolytic pathway does not play an important role in this synapse. Finally, we have investigated the capability of GV-58, a voltage-dependent calcium channel agonist, to increase neurotransmitter release. We found that GV-58 prolongs the duration of the post-synaptic potentials in SMA mice in a dose-dependent manner.