Modulating actin dynamics during axon formation, growth and regeneration : the role of Adducin

Abstract

Although actin is well recognized as a key player in axonal growth, how different actin-binding proteins control its dynamics is still not fully understood. In the adult CNS axonal regeneration may occur under specific conditions, namely when the intrinsic neuronal growth capacity is increased by a priming lesion. Using the conditioning lesion model, we determined by proteomics that the levels of some actin-binding proteins were differently regulated in regenerating axons. From these proteins, two different forms of phospho-adducin (alpha and gamma) were identified as being increased in its C-terminus serine residue. Adducins are actin capping proteins, that once phosphorylated are released from F-actin, promoting actin dynamics. In vivo, α-adducin knockout (KO) mice have impaired neuronal migration and decreased axonal density in the optic nerve. It is also known that the adducin KO mice develop hydrocephaly in 50% of the animals, further suggesting an important role of adducin in nervous system homeostasis. In this work we evaluated other aspects of neuron biology that could be impaired by the absence of adducin. Namely, we assessed the role of adducin in axonal polarization, growth, synapse formation and regeneration. Our results revealed that adducin is required for the proper nervous system development and regeneration. Although in α-adducin KO neurons the axon initial segment was correctly formed, in vitro relocation after chronic depolarization was impaired, suggesting that the absence of adducin inhibits axonal plasticity. Besides, neuromuscular junction maturation was delayed in the α-adducin KO mice with neuromuscular junctions displaying a decreased volume and complexity. Adducin revealed also to be an important molecule in the regeneration context. Using α-adducin KO mice to mimic the decreased adducin activity after conditioning injury, we found that the absence adducin enhances the capability of axons to extend into the inhibitory glial Schwann cellar. This suggests that regulation of adducin activity could be a target to improve axonal regeneration.

Apesar de o citoesqueleto de actina ser um importante fator no crescimento axonal, a forma como as diferentes proteínas de ligação à actina controlam a sua dinâmica não é ainda completamente conhecida. No sistema nervoso central adulto a regeneração axonal pode ocorrer em condições específicas, nomeadamente aumentando o potencial regenerativo intrínseco de alguns neurónios através de uma lesão prévia. Utilizando o modelo de lesão condicionada foi determinado que certas proteínas de ligação à actina estão diferentemente reguladas em neurónios durante a regeneração. Dessas proteínas, duas diferentes formas (alfa e gama) da aducina fosforilada no seu resíduo serina C-terminal foram identificadas como estando aumentadas. As aducinas são proteínas que se ligam à extremidade positiva dos filamentos de actina, impedindo a sua polimerização e despolimerização. Quando fosforilada a aducina perde a capacidade de ligação à actina filamentosa, promovendo um aumento da dinâmica do citoesqueleto de actina. Murganhos deficientes para a produção da aducina têm um défice na migração neuronal e um decréscimo na densidade axonal no nervo ótico. Estes murganhos desenvolvem em 50% dos casos hidrocefalia, sugerindo o papel preponderante que a aducina tem na homeostasia do sistema nervoso. Neste projeto procurámos dissecar o papel da aducina na polarização crescimento axonal, na formação sináptica e na regeneração. Os nossos resultados demonstram que a aducina é necessária para o correto desenvolvimento e regeneração do sistema nervoso. Em neurónios deficientes para a α-aducina o segmento inicial axonal é corretamente formado embora in vitro a sua capacidade de recolocação após despolarização crónica seja deficiente, sugerindo que a ausência de aducina desregula a plasticidade axonal. Os processos de maturação neuromuscular apresentam um atraso nos animais deficientes para a produção de α-aducina, visto que junções neuromusculares apresentam um decréscimo no volume e na complexidade da estrutura durante a sua maturação. A α-aducina revelou-se também importante no contexto de regeneração axonal. O uso de animais deficientes para a α-aducina para mimetizar a diminuição da atividade da proteína após lesão condicionada revelou que estes animais possuem uma maior capacidade de estenderem axónios dentro da cicatriz glial. Estes dados sugerem, que a regulação da atividade da aducina pode ser um alvo a ter em consideração para melhorar a regeneração axonal