The role of CLN3 and CLN5 in endosomal function

Yasa, Seda (2021). The role of CLN3 and CLN5 in endosomal function Thèse. Québec, Université du Québec, Institut national de la recherche scientifique, Doctorat en biologie, 138 p.

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Résumé

Recessive inheritance of CLN3 and CLN5 monogenic gene mutations are the cause of CLN3 and CLN5 diseases, respectively. They are rare neurodegenerative diseases grouped under the Neuronal Ceroid Lipofuscinosis (NCL) disorder. Being the most common cause of childhood dementia, NCL significantly reduces the patient lifespan resulting in inevitable death at a young age. The principal characteristics of NCL are aberrant lysosomal function and excess accumulation of autofluorescent ceroid lipopigments in neurons and peripheral tissues. CLN5 is a soluble endolysosomal protein, while CLN3 is an integral membrane protein localized to the same compartment. Although they have been implicated in lysosomal homeostasis and intracellular trafficking, none of their exact cellular functions have been demonstrated. The work presented in this thesis elucidates some of the functional roles of CLN3 and CLN5 proteins at endosomes, which provides a molecular explanation behind phenotypes observed in CLN3 and CLN5 disorders and gives an indication of the pathogenic mechanism behind Batten disease.

Lysosomal sorting receptor (LSR) retrieval from endosomes back to the trans Golgi Network (TGN) is crucial for lysosomal homeostasis by preventing their lysosomal degradation, and maintaining transport of soluble lysosomal proteins needed for normal lysosomal function. We have shown that CLN3 is required for the efficient endosome-to-TGN trafficking of the LSRs by regulating the RAB7A/retromer interaction. GTP bound RAB7A is localized to late endosomes and regulates the spatiotemporal recruitment of retromer, which subsequently interacts with the LSRs and is required for retrieval. In cells lacking CLN3 or expressing CLN3 harboring a disease-causing mutation, retromer did not bind the LSRs, which were degraded. We also demonstrated that CLN3 is required for the Rab7A–PLEKHM1 interaction, which is required for the fusion of autophagosomes to lysosomes.

We previously found that depletion of CLN5 also leads to dysfunctional retromer, resulting in the degradation of the LSRs. However, how a soluble lysosomal protein can modulate the function of a cytosolic protein, retromer, is not known. In this work, we show that CLN5 is required for the palmitoylation of Rab7A, which is required for retromer membrane recruitment. Furthermore, we demonstrate that CLN5 regulates retromer function by modulating key interactions between CLN3, RAB7A, retromer, and sortilin. Moreover, we observed impaired endolysosome fusion events in CLN5 deficient cells. This results in delayed degradation of endocytic proteins and defective autophagy.

Overall, this work demonstrates that CLN3 and CLN5 are required for downstream interactions of Rab7A. Their cooperative work at endosomes acts as an endosomal switch to coordinate endosome-to-TGN retrieval of the LSRs. Taken together, our findings provide a molecular explanation for the reported abnormal lysosomal function in CLN3 disease and CLN5 disease patients.

L’hérédité récessive des mutations génétiques monogéniques CLN3 et CLN5 est la cause d’une maladie neurodégénérative rare appelée lipofuscinose neuronale des céroïdes (NCL), ou maladie de Batten. Étant la cause la plus fréquente de démence infantile, la NCL réduit considérablement la durée de vie des patients, entraînant leur décès inévitable au cours des premières années. Les principales caractéristiques de la NCL sont une fonction lysosomale aberrante et une accumulation excessive de lipopigments céroïdes auto-fluorescents dans les neurones et les tissus périphériques. CLN5 est une protéine endolysosomale soluble, tandis que CLN3 est une protéine membranaire intégrale localisée dans le même compartiment. Bien que leur rôle soit impliqué dans l’homéostasie lysosomale et le trafic intracellulaire, aucune de leur fonction cellulaire exacte n’a été démontrée. Avec mon projet de doctorat, j’ai élucidé certains des rôles fonctionnels des protéines CLN3 et CLN5 au niveau des endosomes, ce qui fournit une explication moléculaire des phénotypes observés dans les troubles CLN3 et CLN5 et donne une indication du mécanisme pathogène derrière la maladie de Batten.

Le recyclage du récepteur de tri lysosomal (LSR) vers Golgi est crucial pour l’homéostasie lysosomale. Ainsi, les LSR ne seront pas dégradés dans l’environnement acide, mais continueront à transporter les enzymes vers les lysosomes nécessaires à la fonction lysosomale normale. Dans mon premier article, nous avons montré que CLN3 est nécessaire pour le trafic endosome-TGN efficace des LSR car il régule l’interaction de Rab7A avec le rétromère. GTP lié Rab7 est localisé aux endosomes tardifs et régule le recrutement spatio-temporel du rétromère pour le trafic rétrograde des LSR. Dans les cellules dépourvues de CLN3 ou exprimant CLN3 portant une mutation pathogène, les LSR étaient dégradés. Nous avons également démontré que CLN3 est nécessaire pour l’interaction Rab7A – PLEKHM1, qui est nécessaire pour la fusion des autophagosomes aux lysosomes.

Nous avons précédemment constaté que l’épuisement du CLN5 conduit également à un rétomère dysfonctionnel, entraînant la dégradation du LSR, la sortiline. Cependant, la façon dont une protéine lysosomale soluble peut moduler la fonction d’une protéine cytosolique, le rétomère, n’est pas connue. Dans mon deuxième travail, nous montrons que CLN5 est nécessaire pour la palmitoylation de Rab7A, qui est nécessaire pour le recrutement de la membrane rétromère. Et par son interaction CLN3, CLN5 régule la fonction du rétomère en modulant les interactions clés entre CLN3, Rab7A, rétomère et sortiline. De plus, nous avons observé des événements de fusion d’endolysosomes altérés dans les cellules déficientes en CLN5. Cela entraîne une dégradation retardée des protéines endocytaires et une autophagie défectueuse. Dans l’ensemble, mes travaux ont démontré que CLN3 et CLN5 régulent le tri rétrograde de la sortiline au niveau des endosomes. Leur travail coopératif au niveau de l’endosome agit comme un commutateur endosomal pour coordonner le trafic endosome-TGN et diverses fonctions de Rab7A.

Type de document:	Thèse Thèse
Directeur de mémoire/thèse:	Lefrançois, Stephane
Mots-clés libres:	endosomes, CLN5, CLN3, retromer, sortilin, palmitoylation, Rab7A
Centre:	Centre INRS-Institut Armand Frappier
Date de dépôt:	09 juill. 2024 15:19
Dernière modification:	09 juill. 2024 15:19
URI:	https://espace.inrs.ca/id/eprint/15832

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