α-Synuclein acetylation and deacetylation - impact on mitochondrial dynamics in Parkinson’s Disease

Abstract

Parkinson’s disease (PD) is a neurodegenerative movement disorder, affecting more than 10 million people worldwide. Clinically, PD progression is characterized by both non-motor symptoms, such as cognitive decline, depression, dementia, gastrointestinal symptoms, and sleep disorders; and motor symptoms, which include tremor while resting, bradykinesia, muscle rigidity, postural instability and gait dysfunction, occurring due to somatomotor system deregulation. About 80% of PD patients report cognitive impairments and dementia after 15 to 20 years of disease progression. The distinctive pathological hallmarks of PD are the progressive death of dopaminergic (DAergic) neurons in the substantia nigra pars compacta (SNpc) and the intracellular accumulation of α-synuclein (α-Syn) in Lewy Bodies (LBs). α-Syn is a protein involved in both sporadic and some familial forms of PD that can undergoes different post-translational modifications (PTMs) and influence its aggregation. One of the major disease-associated PTMs is N-terminal acetylation. It has been recognized that α-Syn is acetylated in lysines 6 and 10, and, importantly, mutants blocking acetylation induce α-Syn aggregation and toxicity in vivo. Mitochondrial dysfunction, particularly mitochondrial dynamic alterations, play an important role in PD pathogenesis, both in sporadic and familial forms. Emerging data from human and animal models of PD highlight a role for α-Syn in the control of neuronal mitochondrial dynamics, however it is unclear what is the role of α-Syn acetylation/deacetylation in this cellular process.Thus, in this study, using primary cortical neurons transfected with lentiviral plasmids, we evaluated the influence of α-Syn N-terminal acetylation (KQ mutants) or deacetylation (KR mutants) in mitochondrial morphology and movement.We evidenced that although N-terminal acetylation/deacetylation does not have a significant impact on α-Syn total and mitochondrial protein levels or on mitochondrial morphology (evaluated using the aspect ratio (AR) and connectivity), the results show a potential improvement of mitochondrial movement by α-Syn N-terminal acetylation.Future studies may help to reveal the impact of α-Syn N-terminal acetylation on mitochondrial transport, and whether it can constitute a potential therapeutic target.

A doença de Parkinson (DP) é uma doença neurodegenerativa do movimento que afeta mais de 10 milhões de pessoas em todo o mundo. Clinicamente, a progressão da DP é caraterizada por sintomas não motores, como o declínio cognitivo, depressão, demência, sintomas gastrointestinais e distúrbios do sono, e por sintomas motores, que incluem o tremor de repouso, bradicinésia, rigidez muscular, instabilidade postural e disfunção da marcha, devido à desregulação do sistema somatomotor. Cerca de 80% dos doentes com DP apresentam défices cognitivos e demência após 15 a 20 anos de progressão da doença. As características neuropatológicas distintivas da DP são a morte progressiva de neurónios dopaminérgicos (DAérgicos) na substantia nigra pars compacta (SNpc) e a acumulação intracelular de α-sínucleina (α-Syn) nos corpos de Lewis (LBs, do inglês ‘Lewy bodies’). A α-Syn é uma proteína envolvida tanto nas formas esporádicas como em algumas formas familiares da DP e pode sofrer diferentes modificações pós-traducionais (PTMs), que podem influenciar o seu processo de agregação. A acetilação do terminal amínico está associada com o desenvolvimento de diversas doenças. A α-Syn pode ser acetilada nas lisinas 6 e 10 e demonstrou-se que o bloqueio da acetilação nestes resíduos conduz à agregação e toxicidade da α-Syn in vivo. A disfunção mitocondrial, particularmente alterações da dinâmica mitocondrial, desempenham um papel importante na patogénese da DP, tanto na forma esporádica como familiar da doença. Dados emergentes obtidos em modelos humanos e animais da DP destacam um papel importante da α-Syn no controlo da dinâmica mitocondrial, contudo ainda não é claro qual o papel da acetilação/deacetilação da α-Syn neste processo. Desta forma, neste estudo, usando neurónios corticais primários transfetados com plasmídeos lentivirais, avaliamos a influência da expressão de α-Syn acetilada (mutantes KQ) e da deacetilada (mutantes KR) da α-Syn na morfologia e movimento mitocondrial, comparativamente à α-Syn não modificada. Embora a acetilação ou deacetilação do terminal amínico da α-Syn não tenha um impacto significativo nos níveis totais e mitocondriais da α-Syn ou na morfologia mitocondrial, os resultados mostram que a acetilação da α-Syn conduz a uma potencial melhoria do movimento mitocondrial. Estudos futuros poderão ajudar a revelar o impacto da acetilação do terminal amínico da α-Syn no transporte mitocondrial, e se este processo poderá constituir um potencial alvo terapêutico.