Tau pathology : secretion and internalization as the key for understanding protein propagation

Abstract

Abnormal regulation of the microtubule-associated protein Tau leads to its misfolding, aggregation, and impairment of its physiological functions. Deposits of insoluble Tau are the hallmark of several neurodegenerative disorders called tauopathies. Tauopathies are characterized by the transcellular transfer of phosphorylated oligomeric Tau, which propagates the pathology along connected areas of the brain and promotes the conversion of healthy endogenous Tau molecules into misfolded pathological aggregates in the recipient cells. However, the mechanisms of Tau secretion and internalization between neuronal cells, as well as the templated-conformational modification of physiological Tau in presence of the pathological one, are still poorly understood.

The aim of this thesis was to investigate the molecular mechanisms of Tau secretion and internalization in cultured cell lines and in primary cortical neurons.

The main conclusions of the study are: (1) Knock down of FRMD4A, one of the risk genes that confer susceptibility for late onset Alzheimer’s disease (LOAD), reduces Tau secretion. Cytohesins, which interact with both FRMD4A and Arf6, mediates the modulation of Tau release. FRMD4A/cytohesin-dependent Arf6 activity via the polarity signaling complex, constituted by Par6 and PKCζ, stimulates Tau release. This provides for the first time a functional connection between genetic susceptibility of Alzheimer’s disease (AD) to Tau pathology. (2) Overexpressed pathological Tau localizes at the plasma membrane in discrete microdomains. The modulation of lipid composition in the plasma membrane affects Tau secretion. Ordered phases of the membrane, promoted by sphingolipids and cholesterol, favor Tau release to the extracellular space, while disordered and fluid phases, promoted by unsaturated fatty acids and depletion of cholesterol and sphingolipids, decrease it. Membrane-bound heparan sulphate proteoglycans (HSPGs) mediate the extraction from the membrane and the release of Tau to the extracellular space. (3) Hyperphosphorylated and oligomerized Tau internalized from the extracellular space localizes to and promotes formation of stress granules in a TIA-1-dependent manner. Additionally, Tau-containing stress granules persist longer in the cytoplasm compared to physiological stress granules and sensitize cells to secondary stress.

Taken together, the results presented in this thesis provide novel findings that can help to elucidate the molecular mechanisms of cell-to-cell propagation of Tau pathology and to open new possibilities for treatments against tauopathies.

Epänormaali mikrotubuluksiin liittyvän tau-proteiinin säätely johtaa tau-proteiinin virheelliseen laskostumiseen ja aggregoitumiseen, sekä taun fysiologisten toimintojen häiriintymiseen. Toiminnaltaan häiriöitynyt tau ja liukenemattoman taun kertymät ovat useiden tautopatioiksi kutsuttujen hermostorappeumasairauksien tunnusmerkki. Tautopatioille tunnusomaista on fosforyloituneen oligomeerisen taun transsellulaarinen kuljetus, mikä saa patologian leviämään yhteydessä olevia aivoalueita pitkin ja edistää terveen endogeenisen taun muuntumista väärin laskostuneiksi patologisiksi aggregaateiksi vastaanottavissa soluissa. Taun erittämisen ja sisäänoton mekanismit hermosolujen välillä, sekä fysiologisen taun konformaation muutos patologisen taun läsnä ollessa, tunnetaan kuitenkin huonosti.

Tämän väitöskirjan tavoitteena oli tutkia taun erityksen ja sisäänoton molekulaarisia mekanismeja viljellyissä solulinjoissa sekä primäärisissä kortikaalineuroneissa. Tutkimuksen pääasialliset johtopäätökset ovat:

(1) myöhäisiässä puhkeavalle Alzheimerin taudille alttiutta lisäävän FRMD4A- geenin knockdown vähentää taun erittymistä. Sytohesiinit, jotka ovat vuorovaikutuksessa sekä FRMD4A:n että Arf6:n kanssa, säätelevät taun eritystä. FRMD4A/sytohesiini-riippuvainen Arf6:n aktiivisuus stimuloi taun vapauttamista polaarisuussignalointi-kompleksin kautta, joka koostuu Par6:sta ja PKCz:sta Tämä tarjoaa ensimmäistä kertaa toiminnallisen yhteyden Alzheimerin taudille geneettisen alttiuden ja tau-patologian välille. (2) Yliekspressoitu patologinen tau lokalisoituu solukalvolla erillisiin mikrodomeeneihin. Solukalvon lipidikoostumuksen muuttaminen vaikuttaa taun eritykseen. Solukalvon järjestäytyneet faasit, joita sfingolipidit ja kolesteroli edesauttavat, suosivat taun vapauttamista solunulkoiseen tilaan, kun taas epäjärjestäytyneet ja nestemäisemmät faasit, joita tyydyttymättömät rasvahapot sekä kolesterolin ja sfingolipidien puute edistävät, vähentävät taun eritystä. Solukalvoon sitoutuneet heparaanisulfaatti-proteoglykaanit säätelevät taun erittymistä solukalvolta ja vapauttamista solunulkoiseen tilaan. (3) Solunulkoisesta tilasta sisään otettu hyperfosforyloitunut ja oligomerisoitunut tau lokalisoituu stressijyväsiin sekä edesauttaa näiden muodostumista TIA-1 –riippuvaisella tavalla. Lisäksi tau-proteiinia sisältävät stressijyväset kestävät fysiologisia stressijyväsiä kauemmin sytoplasmassa sekä herkistävät solut sekundaariselle stressille.

Tässä tutkimuksessa esitetyt tulokset tarjoavat uusia löydöksiä, jotka voivat auttaa selventämään taun solusta soluun leviämisen molekulaarisia mekanismeja ja avaamaan uusia mahdollisuuksia tautopatioiden hoitoon.