Assessing the role of Sorting Nexins in the nervous system: insights from “stressed” synapses

Abstract

As Sorting Nexins (SNXs) surgiram como uma família de proteínas que facilitam o tráfego proteico e sinalização intracelular sendo reguladoras chave de processos endocíticos subjacentes à plasticidade sináptica e cognição. Curiosamente, a sua desregulação tem sido associada a doenças neurológicas, nomeadamente doença de Alzheimer (AD) e doença de Parkinson (PD). Particularmente, a SNX27 contribui para os défices cognitivos observados no Síndrome de Down (DS). Um estudo desenvolvido num modelo animal de DS demonstrou que a sua expressão reduzida contribui para disfunções sinápticas e défices cognitivos através da redução da reciclagem de recetores de glutamato para a superfície celular. Outras SNXs, como a SNX3 e SNX12, mostraram ser relevantes para a regulação da homeostasia do sistema nervoso sendo associadas a processos de neurodesenvolvimento e neurodegeneração. Apesar disto, pouco se sabe relativamente à expressão e função das SNXs no sistema nervoso, em particular, como são moduladas pelo stress, condição associada à desregulação endocítica, e um conhecido potenciador de défices cognitivos e disfunção sináptica. Recorrendo ao estudo de roedores e de uma linha celular, propomos desvendar o papel das SNXs no sistema nervoso central e estudar os efeitos modulatórios do stress na performance comportamental, morfologia neuronal e na localização subcelular de reguladores da plasticidade sináptica. Para tal, geramos um modelo de murganho heterozigótico para a SNX27 com background em C57BL/6J e caracterizamos o impacto da redução da SNX27 durante o desenvolvimento pós-natal e na performance comportamental durante exposição a stress crónico. Adicionalmente, exploramos os efeitos da modulação dos níveis de PI3P e glucocorticoides (GC) na função das SNXs numa linha celular de neuroblastoma. Neste trabalho demonstramos que a redução dos níveis de SNX27 não interfere com o desenvolvimento somático e neurológico animal. A avaliação comportamental demonstrou que o bem-estar de animas heterozigóticos é afetado e que estes animais apresentam aumento de comportamentos do tipo ansioso no teste NSF. Curiosamente, não foram encontrados défices cognitivos nestes animais. Resultados in vitro indicam que, sob condições de redução de PI3P e aumento de GC, os níveis de SNX27 estão aumentados, facto não observado para a SNX3. Este facto pode ser indicativo de papéis opostos para a SNX27 e SNX3 após modulação do tráfego endolisossomal. Em suma, este trabalho fornece novas perspetivas sobre o papel da SNX27 durante o desenvolvimento e performance comportamental e como é modulada por processos associados ao stress assim como a localização subcelular e modulação de várias SNXs.

Sorting Nexins (SNXs) have emerged as a family of highly conserved proteins that facilitate protein trafficking and intracellular signaling being key regulators of endocytic processes underlying synaptic plasticity and cognition. Interestingly, SNXs mis-regulation has been associated with neurological disorders such as Alzheimer’s disease (AD) and Down’s syndrome (DS). Particularly, SNX27 was shown to be a major contributor to intellectual impairments in DS. A study developed in a DS mouse model demonstrated that downregulation of SNX27 contributes to synaptic dysfunction and cognitive deficits by decreasing the recycling of glutamate receptors to the cell surface. Other SNXs, such as SNX3 and SNX12, have also been shown to be relevant for nervous system homeostasis regulation being associated with neurodevelopment and neurodegeneration. Despite this, much is unknown concerning SNXs’ expression and function within the nervous system, and particularly how they are modulated by stress, a condition linked to endocytic dysregulation, and a known inducer of cognitive decline and synaptic malfunction. Using both rodents and an established cell line, we set out to unveil SNXs role on the central nervous system and to study the modulatory effects of stress on behavioral performance, neuronal morphology and subcellular localization of regulators of synaptic plasticity. For such, we generated a SNX27+/- mouse model backcrossed to C57BL/6J background and characterized the impact of SNX27 reduction on postnatal development and behavioral performance, particularly under chronic stress-exposure. Furthermore, we explored the pharmacological modulation of phosphatidylinositol-3-phosphate (PI3P) and glucocorticoids (GC) on SNXs expression in an established neuronal-like cell line. Our results indicate that reduced levels of SNX27 do not interfere with the acquisition of somatic and neurological development milestones. Concomitantly, behavioral analysis showed that the well-being of SNX27+/- C57BL/6J animals is affected and that these animals display increased anxious-like behaviors in the NSF test. Interestingly, we did not find any cognitive deficits in SNX27+/- C57BL/6J mice. In vitro findings indicate that SNX27 levels are increased under conditions of PI3P reduction or elevation of GC levels, which is not observed for SNX3. This might be indicative of opposing roles of SNX3 and SNX27 upon endolysosomal trafficking modulation. Overall, this work provides new insights on SNX27 role during development and behavioral performance in a pure genetic background, and how SNX27 is affected by stress-related processes as well as on the subcellular localization and modulation of additional SNXs by the above-mentioned.