Dissecting the neuronal function of IgLONS, an uncharacterized cell adhesion molecule

Abstract

Cell adhesion molecules (CAMs) mediate key aspects of neuronal function, including synaptic formation, structure and plasticity. Thus, defects in CAM's function can lead to severe neurological disorders. Namely, IgLON5, a glycosylphosphatidylinositol (GPI)-anchored CAM belonging to the Immunoglobulin superfamily (IgSF), has been recently linked to an atypical autoimmune encephalitis affecting the central nervous system (CNS). This condition is known by anti-IgLON5 disease and it is characterized by the presence of autoantibodies against IgLON5 (anti-IgLON5 IgGs) in the patient’s serum or cerebrospinal fluid (CSF) and signs of neurodegeneration, which leads to its high mortality rate.Consistently, previous work has shown that incubation with anti-IgLON5 IgGs in cultured neurons induced synaptic activity impairment, accumulation of pTau, and neurodegeneration. Moreover, the IgLON family is known to mediate essential processes of neuronal function. These observations support the idea that IgLON5 has critical functions in the brain. However, this has never been explored before.Taking this into account, I have characterized the function of IgLON5 in critical aspects of neuronal function, such as neuronal outgrowth, synapse modulation and neuronal survival by using gain- and loss-of-function approaches in cortical and hippocampal neurons. These methods allow us to assess the cell-autonomous effects of IgLON5. Additionally, to investigate the possibility of non-cell-autonomous IgLON5 activity, I have also conducted an experiment with incubation with the ectodomain of IgLON5.This work demonstrated that IgLON5 has different expression patterns in cortical and hippocampal neurons and that it localizes to synaptosomes from adult mouse hippocampi. This protein also showed to mediate key aspects of neuronal function in cortical and hippocampal neurons, however, in distinct ways. In cortical neurons, IgLON5 has an inhibitory effect in neuronal outgrowth and is a negative regulator of excitatory and inhibitory synapses. In addition, I observed that it is not involved in synaptogenesis. In hippocampal neurons, preliminary results showed that IgLON5 overexpression has a negative effect specifically on axonal growth and, on the other hand, positively regulates excitatory synapses. Furthermore, IgLON5 did not affect neuronal survival.Altogether, this work sheds light into the function of IgLON5, an uncharacterized CAM with great clinical relevance. This could lead to a better understanding of the pathological mechanisms induced by anti-IgLON5 IgGs and pave the way for the development of potential therapeutic strategies, as the current interventions have no positive outcomes. Moreover, it will significantly enhance our comprehension of IgLON5 as a novel regulator of neuronal function, which will undoubtedly contribute to the advancement of our understanding of its neurobiology and its impact on neurological disorders.

As moléculas de adesão celular (CAM) medeiam aspectos fundamentais da função neuronal, incluindo a formação sináptica, a sua estrutura e plasticidade. Assim, defeitos na função das CAMs podem levar a distúrbios neurológicos graves. Nomeadamente, a IgLON5, uma CAM ancorada por uma ligação de glicosilfosfatidilinositol (GPI), pertencente à superfamília das imunoglobulinas (IgSF), foi recentemente associada a uma encefalite autoimune atípica que afecta o sistema nervoso central (SNC). Esta condição é conhecida por doença anti-IgLON5 e caracteriza-se pela presença de auto-anticorpos contra IgLON5 (IgGs anti-IgLON5) no soro ou no líquido cefalorraquidiano (LCR) do doente e por sinais de neurodegeneração, o que conduz à sua elevada taxa de mortalidade.Trabalhos anteriores demonstraram que a incubação com IgGs anti-IgLON5 derivados de pacientes em neurónios em cultura induziu uma diminuição da atividade sináptica, acumulação de pTau e neurodegeneração. Além disso, a família de proteínas IgLON é conhecida por mediar processos essenciais da função neuronal. Estas observações apoiam a ideia de que o IgLON5 tem funções críticas no cérebro. No entanto, essas funções nunca foram exploradas.Neste estudo, eu caracterizei a função da IgLON5 em aspectos críticos da função neuronal, como crescimento neuronal, modulação de sinapses e sobrevivência neuronal, utilizando métodos de ganho e perda de função em neurónios do córtex e hipocampo. Estes métodos permitem-nos avaliar os efeitos da função autónoma da IgLON5, na célula onde é produzida. Além disso, para investigar a possibilidade de uma atividade celular não autónoma da IgLON5 (sobre outras células), realizei também uma experiência de incubação com o ectodomínio da IgLON5.Este trabalho demonstrou que a IgLON5 tem diferentes padrões de expressão em neurónios do córtex e hipocampo e que se localiza em sinaptossomas de hipocampos de murganhos adultos. Esta proteína também demonstrou mediar aspectos chave da função neuronal em culturas primárias de neurónios do córtex e hipocampo, no entanto, de formas distintas. Em neurónios do córtex, a IgLON5 tem um efeito inibitório no crescimento neuronal e é um regulador negativo das sinapses excitatórias e inibitórias. Além disso, não está envolvida na sinaptogénese. Em neurónios de hipocampo, resultados preliminares mostraram que a sobreexpressão da IgLON5 tem um efeito negativo especificamente no crescimento axonal e, por outro lado, regula positivamente as sinapses excitatórias. Além disso, a IgLON5 mostrou não afectar a sobrevivência neuronal.Em suma, este trabalho investiga a função neuronal da IgLON5, uma CAM não caracterizada e com grande relevância clínica, o que poderá levar a uma melhor compreensão dos mecanismos patológicos induzidos pelas IgGs anti-IgLON5. Este estudo e a compreensão da função fisiológica da IgLON5 poderão abrir caminho para o desenvolvimento de potenciais estratégias terapêuticas necessárias, uma vez que os tratamentos actuais não têm resultados positivos no tratamento da doença anti-IgLON5. Além disso, melhorará significativamente a nossa compreensão da IgLON5 como um novo regulador da função neuronal, o que contribuirá para o avanço da nossa compreensão da neurobiologia e do seu impacto nas doenças neurológicas.