Endolysosomal dysfunction and exosome secretion: implications for neurodegenerative disorders

Abstract

Defects in endolysosomal and autophagic functions are increasingly viewed as key pathological features of neurodegenerative disorders. A master regulator of these functions is phosphatidylinositol- 3-phosphate (PI3P), a phospholipid synthesized primarily by class III PI 3-kinase Vps34. Here we report that disruption of neuronal Vps34 function in vitro and in vivo impairs autophagy, lysosomal degradation as well as lipid metabolism, causing endolysosomal membrane damage. PI3P deficiency also promotes secretion of unique exosomes enriched for undigested lysosomal substrates, including amyloid precursor protein C-terminal fragments (APP-CTFs), specific sphingolipids and the phospholipid bis(monoacylglycero)phosphate (BMP), which normally resides in the internal vesicles of endolysosomes. Secretion of these exosomes requires neutral sphingomyelinase 2 and sphingolipid synthesis. Our results reveal a homeostatic response counteracting lysosomal dysfunction via secretion of atypical exosomes eliminating lysosomal waste and define exosomal APP-CTFs and BMP as candidate biomarkers for endolysosomal dysfunction associated with neurodegenerative disorders. Moreover, we characterized the lipid profile of several brain regions and along the longitudinal axis of the hippocampus, specifically. We observed regional molecular identity and identified a continuous molecular gradient along the dorsal and ventral extremities of the hippocampus, subject to differential modulation of lipid pathways upon treatment with corticosterone, a known mediator of the pathological effects of chronic stress. Thus, our results suggest a multipartite view of the brain based on its lipid signature and highlight lipid metabolism as an important mediator of stress, with potential implications for mood and neurodegenerative disorders. Altogether, our findings highlight the importance of the study of basic cellular mechanisms such as endolysosomal traffic, lipid metabolism and exosome secretion for a better understanding of the pathophysiology of neuronal loss and identification of new biomarkers and therapeutic targets in neurodegenerative disorders associated with endolysosomal dysfunction.

Defeitos na função endolisossomal e autofagia têm sido cada vez mais associados aos achados patológicos de doenças neurodegenerativas. Um dos principais reguladores destes sistemas é o fosfatidilinositol-3-fosfato (PI3P), um fosfolípido sintetizado primariamente pela PI-3 cinase classe III Vps34. Neste estudo relatamos que a inibição da função da Vps34 em neurónios in vitro e in vivo bloqueia a autofagia, degradação lisossomal e o metabolismo lipídico, causando o dano de membranas endolisossomais. O défice de PI3P promove a secreção de exossomas únicos, enriquecidos em substratos lisossomais não degradados, incluindo o fragmento C-terminal da proteína precursora da amiloide (APP-CTFs), esfingolípidos específicos e o fosfolípido bis(monoacilglicerol)fosfato (BMP), exclusivamente localizado nas vesículas internas de endolisossomas. A secreção dos referidos exossomas requer a enzima esfingomielinase neutra 2 e a síntese de esfingolípidos. Assim, os nossos resultados revelam uma resposta homeostática combatendo a disfunção lisossomal. por meio de secreção de exossomas atípicos que facilitam a eliminação de material não degradado, e definem os APP-CTFs e BMP como potenciais biomarcadores de disfunção endolisossomal associada a doenças neurodegenerativas. Adicionalmente, caracterizamos o perfil lipídico de várias regiões cerebrais e especificamente ao longo do eixo longitudinal do hipocampo. Além de observar uma identidade molecular regional, identificamos um gradiente molecular ao longo da região dorsal-ventral do hipocampo, sujeito a modulação diferencial de vias lipídicas após tratamento com corticosterona, um conhecido mediador dos efeitos patológicos de stress crónico. Como tal, os nossos resultados apontam para uma visão multipartida do cérebro, com base na sua composição lipídica, e destacam o metabolismo lipídico como importante mediador dos efeitos do stress, potencialmente com implicação para distúrbios do humor e doenças neurodegenerativas. Sumariamente, os nossos resultados destacam a importância do estudo de mecanismos celulares básicos, como o tráfego endolisossomal, metabolismo lipídico e secreção de exossomas, para uma melhor compreensão da fisiopatologia da morte neuronal e identificação de novos biomarcadores e alvos terapêuticos em doenças neurodegenerativas associadas a disfunção endolisossomal.