The role of N-glycans in the structure and function of the C. elegans nervous system

Abstract

Glycans are the most diverse and complex organic compounds synthetized by living organisms. This diversity makes them complex regulatory and signaling molecules due to their high specificity. Their synthesis, generally termed glycosylation, is highly conserved throughout evolution in terms of enzymatic machinery; also the role of glycans is conserved, which stands for the relevance of these molecules for general cellular processes. Particularly in the case of the nervous system, a temporal expression of specific glycans that have an impact in neuronal development has been described, with abnormal composition often leading to lethal phenotypes. Furthermore, glycans are key intermediates in maintaining homeostasis, modulating processes such as axon guidance, transporter localization at the synapse and vesicular release. One particularly interesting group of glycans, in the context of the nervous system, are the N-glycans class that were shown to impact both nervous system development and function, from structural stability to synaptic transmission. Taking this into consideration, in this thesis we studied the role of N-glycans, focusing in the structure and function of the nervous system, through the elimination of the GNT-I enzyme in C. elegans. This targeted approach allowed us to find that disturbing N-glycans synthesis impacts the nervous system leading to structural and functional alterations. While motor neurons show no visible structural abnormalities, subtle changes in motor function were observed, namely an increase in average speed when the N-glycosylation enzymatic machinery is disturbed. Most interestingly, we observed that sensorial neurons present foci along their dendritic projections and that this is translated into deficits in assays that target the function of these specific neurons. Specifically, eliminating GNT-I enzymes elicited different behavioral outcomes in attractive and repulsive chemotaxis assays. Furthermore, it changes the response to a repulsive stimulus. This study is the first to address the role of N-glycans in the nervous system of the C. elegans model and reinforces the role of this class of glycans in nervous system function. Furthermore, the approach used and the data collected bring a novel perspective on the potential of using an invertebrate species to measure in vivo, and in adult animals with fully assembled nervous system, how glycosylation affects neuronal function; this may later be translated to mammalian models where the impact of disturbing glycosylation is often lethal.

Os glicanos são os compostos orgânicos mais diversos e complexos sintetizados por organismos. Esta diversidade permite que sejam moléculas regulatórias e de sinalização devido à sua elevada especificidade. A glicosilação, o processo de síntese dos glicanos, é altamente conservada em termos evolutivos o que mostra a sua relevância para os processos biológicos. No caso do sistema nervoso, a regulação da expressão temporal de glicanos específicos foi descrita como sendo essencial para o desenvolvimento neuronal, e alterações no padrão de expressão frequentemente resultam em fenótipos letais. Adicionalmente, os glicanos são intermediários essenciais na manutenção da homeostasia do sistema nervoso adulto modulando processos como navegação axonal, localização de proteínas na sinapse e libertação vesicular. Um grupo de glicanos particularmente interessante no contexto do sistema nervoso são os N-glicanos, que foram implicados no desenvolvimento e estabilidade estrutural de neurónios e na neurotransmissão sináptica. Nesta tese estudamos o papel dos N-glicanos na estrutura e função do sistema nervoso através da eliminação da enzima GNT-I em C. elegans. Esta abordagem permitiu-nos determinar que eliminar N-glicanos tem um impacto no sistema nervoso destes animais, nomeadamente conduzindo a alterações estruturais e funcionais. Especificamente verificamos que eliminar a enzima GNT-I resulta em alterações estruturais nos neurónios sensoriais, que apresentam foci ao longo das suas projeções dendríticas, e isto resulta em deficiências em testes comportamentais dependentes especificamente destes neurónios. Uma análise mais específica destas alterações mostrou que estes animais têm respostas comportamentais diferentes a um impulso repulsivo. Este trabalho mostra que os N-glicanos têm um papel no sistema nervoso de organismos invertebrados como a C. elegans, e que estudos funcionais neste modelo poderão ajudar a identificar os mecanismos moleculares e possivelmente transferir esta informação para a função desta classe de glicanos em mamíferos.