THE ROLE OF ACTIN CYTOSKELETON IN REGULATING NEURONAL FUNCTION IN PHYSIOLOGY AND DISEASE: ZOOM IN ON THE CYCLASE-ASSOCIATED PROTEIN 2

Alzheimer’s disease (AD) is a progressive neurodegenerative disorder characterized by the deposition of extracellular amyloid-beta (Aβ) plaques and intracellular accumulation of hyperphosphorylated tau protein. Recent studies point out synaptic loss as the strongest indicator of cognitive impairment in AD, leading to the classification of AD as a “synaptopathy”. The actin cytoskeleton plays a critical role in synaptic plasticity, and disruptions in actin dynamics contribute to synaptic failure in AD. We focused on cyclase-associated protein 2 (CAP2), an actin-modifier essential for spine architecture and synaptic transmission and altered in AD patients. Indeed, CAP2 expression is reduced in AD and, thereby, the synaptic availability of CAP2 dimer is decreased, having an impact of cofilin association with the CAP2 dimer/monomer. Additionally, actin and its associated proteins regulate mitochondrial dynamics, therefore actin cytoskeleton dysfunction may further contribute to AD pathology, adding another layer of complexity to the disease pathology. Here, we reported that AD patients show higher CAP2 CSF levels compared to controls and non-AD patients, that positively correlate with total and tau phosphorylated at Thr181 (p-tau181). CAP2 mRNA levels are reduced in the hippocampus of AD patients. Therefore, to assess a potential biological link between CAP2 and tau, we downregulated CAP2 expression in hippocampal neurons and we measured a significant increase in p-tau181 and a concomitant increase of caspase-3 activation without affecting cell viability. In addition, we demonstrated a higher variance, suggesting increased instability, of dendritic spine actin cytoskeleton upon CAP2 down-regulation. Moreover, we show the involvement of CAP2 in those mechanisms relevant for actin-dependent mitochondrial dynamics. Indeed, the ablation of CAP2 triggers an evident alteration of mitochondrial morphology, mediated by the suppression of Drp1-dependent fission dynamics, and a simultaneous loss of mitochondrial mass caused by alterations in mitobiogenesis processes. Given the downregulation of CAP2 in AD, we described that CAP2 gene delivery in AD mice restores synaptic CAP2/cofilin and plasticity pathways, thus preserving cognitive function. CAP2 overexpression reduces cofilin actin rods formation and mitigates tau abnormalities. CAP2 is accumulated within cofilin-actin rods specifically induced by Aβ oligomers. Furthermore, CAP2 dimerization is required for preventing Aβ-induced synaptic loss but not to protect neurons from cofilin-actin rods formation. Taken together, these findings strengthen the role of synaptic pathology in the early stages of AD and support the correlation of AD synaptic failure with actin cytoskeleton dysfunction, highlighting CAP2 at the crossroad of multiple pathways underlying AD pathogenesis.

La malattia di Alzheimer (AD) è una patologia neurodegenerativa progressiva caratterizzata dalla deposizione di placche extracellulari di beta amiloide (Aβ) e dall'accumulo intracellulare di proteina tau iperfosforilata. Recenti studi indicano la perdita di sinapsi come il più significativo indicatore del declino cognitivo nell'AD, portando alla classificazione dell'AD come “sinaptopatia”. Il citoscheletro di actina svolge un ruolo critico nella plasticità sinaptica e le alterazioni delle dinamiche di actina contribuiscono al deterioramento sinaptico nell'AD. Il mio progetto si è focalizzato sul ruolo della proteina Cyclase associated protein 2 (CAP2), un modulatore dell'actina essenziale per l'architettura delle spine e la trasmissione sinaptica e che risulta alterato nei pazienti con AD. In effetti, l'espressione di CAP2 è ridotta nell'AD e, di conseguenza, i livelli sinaptici della forma dimerica di CAP2 sono ridotti, alterando quindi l'associazione di cofilin con il dimero/monomero di CAP2. Inoltre, l'actina e le proteine ad essa associate regolano la dinamica mitocondriale, per cui la disfunzione del citoscheletro di actina può contribuire ulteriormente alla patologia dell'AD, aggiungendo un altro livello di complessità alla malattia. In questa tesi abbiamo riportato che i pazienti affetti da AD presentano livelli di CAP2 nel liquor più elevati rispetto ai controlli e ai pazienti affetti da altre patologie neurodegenerative, che correlano positivamente con la tau totale e la tau fosforilata in Thr181 (p-tau181). I livelli di mRNA di CAP2 sono ridotti nell'ippocampo dei pazienti con AD. Pertanto, per evidenziare un potenziale legame biologico tra CAP2 e tau, abbiamo ridotto l'espressione di CAP2 nei neuroni ippocampali e abbiamo misurato un aumento significativo di p-tau181 e un concomitante aumento dell'attivazione della caspasi-3, senza influire sulla vitalità cellulare. Inoltre, abbiamo dimostrato una maggiore variabilità, che suggerisce una maggiore instabilità, del citoscheletro di actina delle spine dendritiche in seguito al silenziamento di CAP2. Inoltre, abbiamo dimostrato il coinvolgimento di CAP2 nei meccanismi rilevanti per la dinamica mitocondriale actina-dipendente. Infatti, la delezione di CAP2 innesca un'evidente alterazione della morfologia mitocondriale, mediata dalla inibizione delle dinamiche di fissione Drp1-dipendenti, e una contemporanea perdita di massa mitocondriale causata da alterazioni nei processi di biogenesi. Data la ridotta espressione di CAP2 nell'AD, abbiamo verificato gli effetti di un'aumentata espressione di CAP2 nei topi AD e abbiamo osservato che questo approccio ripristina le vie sinaptiche mediate dal complesso CAP2/cofilin e le vie di plasticità sinaptica, preservando così la funzione cognitiva. L’overespressione di CAP2 riduce la formazione di cofilin-actin rods e attenua le anomalie della proteina tau. CAP2 si accumula all'interno dei cofilin-actin rods specificamente indotti dagli oligomeri di Aβ. Inoltre, la dimerizzazione di CAP2 è necessaria per prevenire la perdita di sinapsi indotta da Aβ, ma non per proteggere i neuroni dalla formazione degli actin rods. Nel complesso, questi risultati rafforzano il ruolo della disfunzione sinaptica nelle prime fasi dell'AD e supportano la correlazione del deterioramento sinaptico dell'AD con le alterazioni del citoscheletro di actina, evidenziando che CAP2 si trova al crocevia di molteplici vie biologiche alla base della patogenesi dell'AD.