Faculté des sciences de la vie SV, Section des sciences du vivant, Institut des neurosciences INS

Membrane trafficking in neurons regulated by new syntaxin 13-interacting proteins

Steiner, Pascal ; Catsicas, Stefan (Dir.)

Thèse sciences Ecole polytechnique fédérale de Lausanne EPFL : 2004 ; no 3091.

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    Summary
    Recently, it has been shown that correct trafficking of neuronal plasma membrane receptors along the endosomal pathway is directly implicated in molecular mechanisms underlying synaptic plasticity and is fundamental for proper neuronal communication. To understand the molecular mechanisms that regulate neuronal trafficking through endosomes, we used syntaxin 13, an endosomal protein that we had previously characterized, as a bait to immunopurify protein complexes. Among the 5 new syntaxin 13-interacting proteins that we identified, my thesis work has focused on the characterization of 2 of them, Neuron-Enriched Endosomal Protein of 21 kDa (NEEP21) and Reticulon1-C (RTN1-C). NEEP21. Our work revealed that NEEP21 is expressed by neurons in their somatodendritic compartments, where it is mainly found in Rab4-positive subdomains of early endosomes. This domain has been implicated in the sorting of internalized surface receptors. We demonstrated that NEEP21 suppression strongly retards recycling of receptors including AMPA-type glutamate receptors. We recently identified a molecular link between NEEP21 and AMPA-receptor trafficking. NEEP21 is present in a complex with GRIP, a scaffold protein for GluR2, and GluR2, a subunit of AMPA receptors. Overexpression of the NEEP21 binding site for GRIP causes a retraction of dendrites, an effect partially compensated by GluR2 overexpression. In addition, expression of this fragment inhibits AMPA receptor recycling. Based on the recent findings of the importance of AMPA receptor trafficking between endosomes and the cell membrane during synaptic structural and functional plasticity, we postulate that NEEP21 modulates synaptic strength. RTN1-C. The second identified syntaxin 13-associated protein is RTN1-C. Reticulons constitute a family of membrane proteins localized primarily to the endoplasmic reticulum (ER). So far the cellular function of reticulons is little undertsood. We found that RTN1-C interacts with several SNARE proteins. In addition, we showed that overexpression of the RTN1-C binding site for syntaxin 1 significantly enhanced regulated secretion. Based on these findings, we hypothesized that RTN1-C could be a key actor in the regulation of SNARE-dependent membrane fusion processes. Together, our studies contribute to the elucidation of the roles of NEEP21 and RTN1-C in neurons and the molecular mechanisms of membrane protein trafficking that are at fundamental for synaptic plasticity.
    Résumé
    Il a récemment été démontré que le trafic des récepteurs des neurones à travers la voie endosomale, était un des événements « clés » de l'expression de la plasticité synaptique et de la transmission de l'information entre neurones. Afin d'élucider les mécanismes moléculaires du traffic endosomal des neurones, nous avons immunopurifié les complexes protéiques contenant syntaxin 13, une protéine des endosomes fortement exprimée dans le cerveau que nous avons récemment caractérisée. Parmi les 5 nouveaux partenaires de synatxin 13 que nous avons isolé d'extrait de cerveau correspondant au stade de maturation des synapses, mon travail de thèse s'est focalisé sur 2 d'entre eux, NEEP21 (Neuron-Enriched Endosomal Protein of 21 kDa) et RTN1-C (Reticulon1-C). NEEP21. Notre travail a montré que la protéine NEEP21 est exprimé dans le compartiment somatodendritic des neurones, où elle est majoritairment localisée dans un sous-domaine des endosomes précoces contenant Rab4. Ce domaine est impliqué dans l'adressage de la destination future des lipides et protéines membranaires. De plus, NEEP21 est essentiel pour le recyclage des récepteurs de surface internalisés. Nous avons démontré que la suppression de l'expression de NEEP21 retarde fortement le recyclage des récepteurs et notamment une classe de récepteurs au glutamate, les récepteurs AMPA. Nous avons récemment identifié un lien moléculaire entre NEEP21 et le trafic des récepteurs AMPA. NEEP21 est présent dans un complexe contenant la protéine GRIP, qui intéragit avec GluR2, et GluR2 elle-même qui est une des 4 sous-unités des récepteurs AMPA. L'expression du site d'interaction de NEEP21 pour GRIP cause la retraction des dendrites, un effet partiellement compensé par la surexpression de GluR2. La surexpression de ce fragment provoque aussi l'inhibition du recyclage des récepteurs AMPA. Sur la base de la récente découverte de l'importance du trafic des récepteurs AMPA entre la voie endosomale et la membrane cellulaire durant la plasticité synaptique fonctionnelle et structurale, nous postulons que NEEP21 est un modulateur de l'activité synaptique. RTN1-C. Le second partenaire de syntaxin 13 identifié est la protéine RTN1-C. Les réticulons constituent une famille de protéines membranaires localisées majoritairement sur le réticulum endoplasmique (RE). Cependant, la fonction des réticulons reste jusqu'à présent extrêmement mal comprise. Nous avons découvert que RTN1-C intéragit avec plusieurs protéines SNARE. De plus, nous avons montré que la surexpression du site d'intéraction de RTN1-C pour syntaxin 1 augmente de manière significative la sécrétion régulée. Sur la base de nos découvertes nous postulons que RTN1-C pourrait être un acteur clé dans la régulation des processus de fusion dépendents des SNAREs. Nos études contribuent à l'élucidation du rôle de NEEP21 et RTN1-C dans les neurones et à la compréhension des mécanismes moléculaires du trafic de protéines, une des bases de la plasticité synaptique.