Characterization of mRNA expression and localization in synaptic plasticity

Abstract

[eng] Neurons are highly polarized cells that require protein synthesis in distal dendrites to fulfil local protein requirements on short timescales. The regulation of this process relies in two major sub processes: the transport of mRNAs from the soma to dendritic spines, and the regulation of protein translation. Studies on the regulation of protein translation have traditionally focused on the initiation step. There is, however, growing evidence that the elongation step is also tightly regulated to achieve a more robust and tra nsient control of the translational machinery in response to synaptic activity. In the first chapter of this doctoral thesis, we have focused on the regulation of protein translation by the eukaryotic elongation factor 1A (eEF1A). We have demonstrated that the neuron specific isoform eEF1A2 is regulated by phosphorylation in an activity dependent manner to regulate synaptic plasticity. Specifically, we show that glutamatergic stimulation opens a time window in which eEF1A2 dissociates from both its GEF prot ein and F actin, thus decreasing protein synthesis and increasing actin cytoskeleton remodeling. In summary, we propose that eEF1A2 establishes a crosstalk mechanism that coordinates translation and actin dynamics during spine remodeling. In the second ch apter, we have studied the molecular mechanisms involved in the local capture of RNA granules. To date, how neuronal RNA granules are locally anchored in response to neuronal activity to enable mRNA translation specifically in dendritic spines is unclear. We have hypothesized that proteins present in the postsynaptic density could response to neuronal activity and interact with RNA granules components to anchor these membrane less organelles within dendritic spines. To address this, we searched for protein candidates and identified the actin binding protein DrebrinA as a potential candidate for attracting and anchoring RNA granules. Live imaging microscopy combined with biochemical approaches suggest that DrebrinA is mediating RNA granules attraction to spin es in a concentration dependent manner through its low complexity region. Together, our results provide new insights on the molecular mechanisms involved in the regulation of local translation at synapses.

[spa] Las neuronas son células altamente polarizadas que requieren síntesis de proteínas en dendritas distales para cumplir con los requisitos locales de proteínas en plazos cortos de tiempo. La regulación de este proceso se basa en dos subprocesos principales: el transporte de ARNm desde el soma hacia las espinas dendríticas y la regulación de la traducción de proteínas. Los estudios sobre la regulación de la traducción tradicionalmente se han centrado en el paso de iniciación. Sin embargo, existe cada vez más evidencia de que el paso de elongación también está estrechamente regulado para lograr un control más sólido y transitorio de la maquinaria de traducción en respuesta a la actividad sináptica. En el primer capítulo de esta tesis doctoral, nos hemos enfocado en la regulación de la traducción de proteínas por el factor de elongación eucariota 1A (eEF1A). Hemos demostrado que la isoforma específica de neuronas, eEF1A2, está regulada por fosforilación de manera dependiente de actividad para regular la plasticidad sináptica. Específicamente, mostramos que la estimulación glutamatérgica abre una ventana temporal en la que eEF1A2 se disocia tanto de su proteína GEF como de la F-actina, disminuyendo así la síntesis de proteínas y aumentando la remodelación del citoesqueleto de actina. En resumen, proponemos que eEF1A2 establece un mecanismo de coordinación entre la traducción de proteínas y la dinámica de actina durante la remodelación de las espinas dendríticas. En el segundo capítulo, hemos estudiado los mecanismos moleculares involucrados en la captura local de gránulos de ARN. Hasta la fecha, no está claro cómo se anclan localmente los gránulos de ARN neuronales en respuesta a la actividad neuronal para permitir la traducción de ARNm específicamente en las espinas dendríticas. Hipotetizamos que las proteínas presentes en la densidad postsináptica podrían responder a la actividad neuronal e interactuar con componentes de los gránulos de ARN para anclar estos complejos dentro de las espinas dendríticas. Para abordar esto, buscamos candidatos de proteínas e identificamos una proteína de unión a actina, DrebrinA, como candidata potencial para atraer y anclar gránulos de ARN. Aproximaciones de microscopía in vivo combinadas con enfoques bioquímicos sugieren que DrebrinA media la atracción de los gránulos de ARN hacia las espinas de manera dependiente de su concentración a través de su dominio desordenado. En conjunto, nuestros resultados proporcionan nuevas perspectivas sobre los mecanismos moleculares involucrados en la regulación de la traducción local en las sinapsis.