The role of RNA in synapse physiology and neurodegeneration in models of Parkinson´s disease

Abstract

Synaptic dysfunction is an early alteration in multiple neurodegenerative disorders. Parkinson’s disease (PD) is characterised by the accumulation of α-synuclein (αsyn) in pathological inclusions known as Lewy bodies and Lewy neurites. αsyn is involved in synaptic vesicle trafficking, and SNARE complex formation at the nerve terminals. In pathological conditions, it is associated with alterations of synaptic function. Interestingly, αsyn also occurs in the nucleus where it induces epigenetic changes. RNA-mediated processes contribute to synaptic remodelling by RNA translocation to the synaptic compartment. This is particularly relevant for microRNAs (miRNAs) that can regulate mRNA expression by complementary binding. Here, we sought to identify miRNAs associated with synaptic processes that may contribute to synapse degeneration. We performed small RNA-Sequencing of the midbrain of 6-month-old transgenic mice expressing A30P mutant αsyn, present in familial forms of PD. Gene ontology (GO) functional annotation and pathway analysis of differentially expressed genes and miRNAs revealed several deregulated biological processes linked with the synaptic compartment. A negative correlation between deregulated miRNAs and gene targets highlighted the top interacting miRNAs and identified miR-101a-3p as a prominent regulator of synaptic plasticity. MiR-101a-3p was validated by qPCR in the transgenic mouse midbrain and in the cortex of Dementia with Lewy Bodies (DLB) patients. Confocal imaging of primary cortical neurons overexpressing miR-101a-3p showed reduced dendritic length and altered spine morphology. Further correlation with synaptic plasticity was provided by wild-type mice exposed to enriched environment which showed reduced levels of miR-101a-3p. Finally, exposure of primary cortical neurons to recombinant αsyn species showed a direct effect of αsyn on miR-101a-3p levels. Our data support the emerging role of specific microRNAs as key regulators of gene expression alterations associated with αsyn. Identification of RNA based processes leading to synaptic compromise may reveal novel targets for therapeutic intervention in synucleinopathies, and may also result in the development of novel biomarkers.

Η συναπτική δυσλειτουργία είναι μια πρώιμη αλλαγή σε πολλαπλές νευροεκφυλιστικές διαταραχές. Η νόσος του Πάρκινσον (ΝΠ) χαρακτηρίζεται από τη συσσώρευση α-συνουκλεΐνης (ασυν) σε παθολογικά συσσωματώματα γνωστά ως σώματα Lewy και νευρίτες Lewy. Η ασυν εμπλέκεται στη διακίνηση συναπτικών κυστιδίων και στο σχηματισμό συμπλόκου SNARE στις νευρικές απολίξεις. Σε παθολογικές καταστάσεις, σχετίζεται με αλλοιώσεις της συναπτικής λειτουργίας. Είναι ενδιαφέρον ότι η ασυν εμφανίζεται επίσης στον πυρήνα όπου προκαλεί επιγενετικές αλλαγές. Οι διαδικασίες που διαμεσολαβούνται από RNA συμβάλλουν στη συναπτική αναδιαμόρφωση με τη μετατόπιση του RNA στο συναπτικό διαμέρισμα. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό για τα microRNA (miRNAs) που μπορούν να ρυθμίσουν την έκφραση του mRNA με συμπληρωματική δέσμευση. Στην παρούσα εργασία, προσπαθήσαμε να εντοπίσουμε τα miRNAs που σχετίζονται με συναπτικές διεργασίες που μπορεί να συμβάλλουν στον εκφυλισμό των συνάψεων. Πραγματοποιήσαμε μικρή αλληλουχία RNA του μεσεγκεφάλου διαγονιδιακών μυών ηλικίας 6 μηνών που εκφράζουν τη μεταλλαγμένη ασυν A30P, που οδηγεί σε οικογενείς μορφές ΝΠ. Ο λειτουργικός προσδιορισμός γονιδιακής οντολογίας (GO) και η ανάλυση μονοπατιών διαφορετικά εκφραζόμενων γονιδίων και miRNAs έδειξε αρκετές απορυθμισμένες βιολογικές διεργασίες που συνδέονται με το συναπτικό διαμέρισμα. Μια αρνητική συσχέτιση μεταξύ απορυθμισμένων miRNAs και γονιδιακών στόχων ανέδειξε τα κορυφαία αλληλεπιδρώντα miRNA και προσδιόρισε το miR-101a-3p ως σημαντικό ρυθμιστή της συναπτικής πλαστικότητας. Το MiR-101a-3p επιβεβαιώθηκε με qPCR στον μεσεγκέφαλο διαγονιδιακών μυών και στον φλοιό ασθενών με άνοια με σωμάτια Lewy. Η συνεστιακή απεικόνιση των πρωτογενών νευρώνων του φλοιού που υπερεκφράζουν το miR-101a-3p έδειξε μειωμένο δενδριτικό μήκος και αλλοιωμένη μορφολογία των δενδριτικών ακανθών. Περαιτέρω συσχέτιση με τη συναπτική πλαστικότητα δόθηκε από μύεσ άγριου τύπου μετά απο έκθεση σε εμπλουτισμένο περιβάλλον παρουσιάζοντας μειωμένα επίπεδα miR-101a-3p. Τέλος, η έκθεση των πρωτογενών νευρώνων του φλοιού σε ανασυνδυασμένες μορφές ασυν έδειξε άμεση επίδραση της ασυν στα επίπεδα του miR-101a-3p. Τα δεδομένα μας υποστηρίζουν τον αναδυόμενο ρόλο συγκεκριμένων miRNA ως βασικών ρυθμιστών των αλλοιώσεων της γονιδιακής έκφρασης που σχετίζονται με την ασυν. Η αναγνώριση διαδικασιών που βασίζονται στο RNA και οδηγούν σε συναπτική αλλοίωση μπορεί να αποκαλύψει νέους στόχους για θεραπευτική παρέμβαση σε συνουκλεινοπάθειες και να οδηγήσει στην ανάπτυξη νέων βιοδεικτών.