Universität zu Köln

Negrete Hurtado, Alberto ORCID: 0000-0001-6971-3963 (2019). Autophagy lipidation machinery regulates axonal microtubule dynamics but is dispensable for survival of mammalian neurons. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Macroautophagy, hereafter referred to as autophagy, is a conserved degradation pathway that engulfs defective protein and cytoplasmic contents within autophagosomes for subsequent degradation intolysosomes. Such housekeeping role is especially important in neurons for two main reasons: First, neurons are postmitotic cells unable to dilute detrimental proteins and organelles by cell division. Second, these cells have extremely polarized structures, such as axons, which in humans can extend more than a meter long. Thus, neurons have evolved efficient and specialized mechanisms for the transport of cargo along axons, including autophagosomes, which must travel long distances along the microtubule (MT) cytoskeleton to finally fuse with lysosomes located at the cell soma. Impaired autophagosomal trafficking in axons hallmarks the pathology of many neurodegenerative disorders, whereas neuronal-confined knockout (KO) of several AuTophaGy (ATG)-related genes causes axonal pathology and neurodegeneration. Despite the critical importance of autophagy for the brain function, the precise physiological mechanism by which neurons with impaired autophagy undergo neurodegeneration remains obscure. Here in this thesis, I report on a novel role of core ATG proteins in the regulation of MT dynamics by using brain-confined mouse models and primary neuronal cultures lacking autophagy. Specifically, I found that ATG proteins required for the LC3 lipid conjugation are dispensable for the survival of forebrain excitatory neurons. Besides, the loss of the LC3 conjugation machinery impairs axonal trafficking and reveals axonal pathology. This phenotype is found to be independent of defective protein degradation and instead caused by the accumulation of a complex comprised by LC3, the active zone protein ELKS1, and the MT-stabilizing protein CLASP2. Finally, this thesis reveals that LC3-ELKS-mediated hyperstablilization of MTs impair the normal neurotrophic signaling in neurons. Taken together, this work reveals a new role for the LC3 function in the stabilization of MTs along the axon, which may help to understand better the physiopathology on neurodegenerative diseases.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Makroautophagie, im Folgenden nur noch als Autophagie bezeichnet, ist ein evolutionär konservierter Prozess zum Abbau von mangelhaften Proteinen und cytoplasmischen Inhalten in Autophagosomes, mit anschließender Degradierung in Lysosomen. Dieser Prozess ist besonders wichtig für Neuronen, da es sich bei ihnen um postmitotische Zellen handelt. Sie untergehen keine Zellteilung und können die schädlichen Proteine somit nicht verdünnen. Zudem besitzen sie extrem polarisierte Strukturen, wie zum Beispiel Axone, welche in Menschen länger als einen Meter sein können. Deswegen haben Neuronen einen effizienten und hochspezialisierten Mechanismus entwickelt um Zellinhalte entlang des Axons zu transportieren, darunter auch Autophagosomen. Diese werden entlang des Mikotubuli (MT) Cytoskeletts zum Zellsoma transportiert wo sie mit den dort lokalisierten Lysosomen verschmelzen. In zahlreichen Neurodegenerativen Erkrankungen dient der beeinträchtigte Transport von Autophagosomes entlang des Axons als Kennzeichen, während der knock-out (KO) von verschiedenen AuTophaGy (ATG) zugehörigen Genen zu Neurodegeneration führt. Obwohl der Prozess der Autophagie in Neuronen von besonderer Wichtigkeit für die Gehirnfunktionalität ist, sind die physiologischen Mechanismen, durch die Neuronen bei eingeschränkter Autophagie zugrunde gehen, noch immer unklar. Mit dieser Arbeit möchte ich eine neue Funktion der wichtigsten ATG Proteine aufzeigen. Dazu arbeite ich mit auf das Gehirn begrenzten Mausmodellen und primären Neuronen in Kultur, in denen einzelne ATG Proteine nicht mehr exprimiert werden. In diesen Modellen zeige ich den Einfluss von ATG Proteinen auf die MT Dynamiken. Genauer gesagt habe ich herausgefunden, dass ATG Proteine, die für die Lipid Konjugation von LC3 notwendig sind, verzichtbar für das Überleben von exzitatorischen Vorderhirnneuronen sind. Jedoch führt ein Fehlen dieser zur Beeinträchtigung des Transportes entlang des Axons, sowieSchwellungen. Dieser Phänotyp präsentiert sich unabhängig von dem Prozess der Degradierung und ist begründet in der Anhäufung eines Komplexes bestehend aus LC3, dem aktiven Zonen Protein ELKS1, und dem MT stabilisierenden Protein CLASP2. Diese Arbeit zeigt, dass LC3-ELKS vermittelte Hyperstabilisierung von MTs die normale neurotrophe Signalübertragung in Neuronen beeinträchtigt.Zusammengefasst wurde eine neue Funktion von LC3 in der Stabilisierung der MT entlang des Axons aufgedeckt, welche zu einem besseren Verständnis der Pathologie von Neurodegenerativen Erkrankungen beitragen könnte. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Negrete Hurtado, Alberto albertnh92@gmail.com orcid.org/0000-0001-6971-3963 UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-113782
Date:	2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	CECAD - Cluster of Excellence Cellular Stress Responses in Aging-Associated Diseases
Subjects:	Life sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Autophagy English Neuron English Axonopathy English
Date of oral exam:	19 September 2019
Referee:	Name Academic Title Kononenko, Natalia L. Dr. Hoppe, Thorsten Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/11378