Ribosomal Regulation in Axonal Development

Abstract

Por muitos anos, a ideia predominante era que todas as proteínas seriam traduzidas no corpo celular e depois transportadas para os seus destinos finais em dendrites e axónios. No entanto, a descoberta de poliribossomas na base das espículas dendríticas levou ao aparecimento de vários estudos contratiando esta visão. O processo de tradução proteica nos axónios é um mecanismo bastante dinâmico e regulado que muda ao longo do desenvolvimento. Axónios em desenvolvimento traduzem proteínas relacionadas com crescimento, elongamento e quimiotaxia axonal, necessárias á reorganização estrutural característica deste estádio. mRNAs e RNA ribosomal são difíceis de identificar em axónios adultos. Estudos apontam para um decréscimo da maquinaria de tradução á medida que os axónios se desenvolvem, no entanto é desconhecida a razão deste fenómeno. Postulámos a hipótese que os ribossomas diminuem durante a maturação axonal devido à formação de sinapses. Assim, o objectivo deste estudo foi estabelecer que axónios adultos apresentam níveis reduzidos de ribossomas e determinar se a formação de sinapses induz esta diminuição. Para tal, usámos FGF22, uma molécula organizadora da pré-sinapse, e câmaras microfluídas, um sistema que permite a separação física entre axónios e o corpo celular e dendrites. Primeiro, confirmámos a presença de proteínas e RNA ribossomais em axónios em desenvolvimento de neurónios motores espinhais e neurónios de hipocampo. Neurónios motores estimulados com FGF22, um estímulo sinaptogénico, apresentam uma diminuição do número de ribossomas. Esta redução foi confirmada em neurónios do hipocampo indicando que esta é uma característica comum ao sistema nervoso central e periférico. O nosso estudo preenche uma importante lacuna e identifica pela primeira vez o inductor molecular que leva á redução da maquinaria de tradução em axónios.

For many years, the predominant idea was that all proteins were translated in the cell body and then transported to their final destinations in dendrites and axons. However, the discovery of polyribosomes at the base of dendritic spines challenged this canonical view and the concept of local protein synthesis is now widely accepted. Axonal translation is a well-regulated process that dynamically changes during development. Developing axons actively translate proteins related to axon growth, elongation and pathfinding, consistent with the structural reorganization distinctive of this stage. In adult axons, both mRNAs and ribosomal RNA are more difficult to find. Evidences point towards a decrease of the translational machinery as axons mature. How this happens is currently not known. We hypothesize that the reason for this loss of ribosomes during neuronal maturation is synapse formation. Therefore, the aim of this study was to establish that mature neurons have decreased ribosomal levels and determine if synapse formation induces ribosomal loss from axons. We did so using FGF22, a presynaptic organizing molecule, and a novel platform, a microfluidic chamber system that allows the physical separation of axons from cell bodies and dendrites. We first confirmed the presence of ribosomal proteins and RNA in developing axons of spinal motor neurons and hippocampal neurons. Motor neurons stimulated with FGF22, a synaptogenic stimuli, presented a decrease in the number of ribosomes. This reduction was also confirmed in hippocampal neurons suggesting a common feature of the central nervous system and the peripheral nervous system. Our study fills an important gap in this field and identifies for the first time the molecular trigger that leads to the reduction of the translational machinery in axons.