Spatial regulation of proteostasis and lysosome biogenesis in dendrites

University Of Virginia, Charlottesville VA

Investigators

Linked publications & trials

Abstract

Project  Summary/Abstract.  Neurons  are  exceptionally  large  and  exceptionally  long-­lived.  They  thus  face  unusual  challenges  when  it  comes  to  regulating  their  proteome  in  time  and  space.  Regulated  proteostasis  is  required  to  establish,  remodel,  and  maintain  the  complex  dendritic  arbors  and  synapses.  In  addition,  neurons  need to avoid build-­up of intracellular waste over time which can become toxic. Not surprisingly then, dysfunction  of lysosomal pathways can lead to nervous system dysfunction. The trafficking of lysosomal constituents is well  studied in fibroblasts where lysosomal proteases, such as cathepsins, are initially delivered to early endosomes  by  both  mannose-­6-­phosphate  (M6P)-­dependent  and  ?independent  pathways.  Subsequent  delivery  to  lysosomes  occurs  from  early  and  late  endosomes.  However,  significant  gaps  in  our  knowledge  exist  with  respect  to  how  the  delivery  of  both  cathepsins  and  lysosome-­associated  membrane  proteins  (LAMPs)  are  spatially coordinated in dendrites. The premise for this application rests on our own recent data:  1) Degradative capacity along dendrites is high proximally and very low distally.  Recent publications describe the importance of lysosomes traveling along dendrites and even into spines. In our  own  work,  we  discovered  that  terminal  degradation  of  short-­lived  dendritic  membrane  proteins  did  not  occur  locally  along  dendrites.  Rather,  it  overwhelmingly  took  place  in  degradative  lysosomes  clustered  in  the  soma  and in the first 25 µm of the proximal major dendrite.   2) Different constituents of lysosomes are found in distinct spatial patterns.  In  fibroblasts,  all  cathepsins  traffic  to  lysosomes  by  the  same  pathway.  Surprisingly,  our  data  show  that  CatD  shows  a  different  distribution  from  CatB.  Furthermore,  the  popular  marker  LAMP1,  is  not  a  reliable  marker  of  lysosomes  in  distal  dendrites,  but  found  distally  in  compartments  devoid  of  active  cathepsins.  There  is  thus  divergence  of  multiple  lysosomal  constituents  to  distinct  compartments  in  the  soma  and  along  dendrites,  both  for LAMP1 vs CatB, and for CatB vs CatD.  We will test the mechanisms for divergent pathways of lysosome biogenesis in dendrites in two specific aims:  Specific  Aim  1:  We  will  test  the  hypothesis  that  CatB  is  delivered  directly  to  soma-­near  early  endosomes  via  MPRs, but does not travel to distal dendrites, whereas LAMP1 is trafficked throughout the lengths of dendrites  to early and late endosomes. The convergence point of LAMP1 and CatB to form degradative lysosomes might  thus be a soma-­near late endosome rather than early endosomes, as the fibroblast literature would suggest.   Specific Aim 2: We will test the hypothesis that CatD, and L use distinct machinery from CatB to establish their  spatial dendritic profiles, in particular MPR-­independent pathways.  Our  long-­term  goal  is  to  understand  the  regulation  of  neuronal  proteostasis  in  space  along  dendrites  and  to  uncover the physiological consequences of spatially diversified endo-­lysosomes in health and disease.