The role of the deubiquitinase cyld in neuronal physiology and ageing

Abstract

Ubiquitination is a critical regulator of cellular homeostasis, coordinating protein turnover and signal transduction. The concerted function of ubiquitinating and deubiquitinating enzymes dynamically shapes the proteomic landscape. Lysine63 polyubiquitination is highly abundant in the mammalian brain, fine-tuning synaptic scaffolding, efficacy and plasticity, thereby supporting fundamental neuronal functions. In the current PhD dissertation, we investigated the diverse functions of CYLD in neuronal physiology in the nematode Caenorhabditis elegans. CYLD is a lysine63-specific deubiquitinase recently implicated in the pathogenesis of neurodegenerative disorders, such as Alzheimer’s disease and frontotemporal dementia. We demonstrate that CYLD-1, the C. elegans CYLD homologue, is expressed in the nervous system and peripheral tissues and functions as a lysine63-specific DUB in vivo. During ageing, CYLD-1 protects against age-dependent motor neuron degeneration and promotes longevity and healthspan. In young nematodes, CYLD-1 plays a vital role in synaptic homeostasis, preserving synaptic number and neurotransmission through its catalytic DUB function. Depletion of CYLD from the nervous system results in behavioral deficits, impairing associative short-term memory. Mechanistically, our study reveals that CYLD-1 promotes autophagic flux in the nervous system and other tissues of the nematode. CYLD-1 deficiency leads to the accumulation of autolysosomes, which adopt an abnormal elongated morphology. In addition, we report perturbations of lysosomal morphology and acidification in cyld-1 mutant nematodes, indicative of lysosomal dysfunction. Our findings emphasize the pivotal role of lysine63 polyubiquitination as a master regulator of neuronal homeostasis and highlight CYLD and other deubiquitinating enzymes as potential therapeutic targets to alleviate age-related neurodegeneration and cognitive decline.

Η ουβικιτινιλίωση διαδραματίζει κομβικό ρόλο στη διατήρηση της ομοιόστασης κυττάρων και οργανισμών, συντονίζοντας την αποικοδόμηση των πρωτεϊνών και την κυτταρική σηματοδότηση. Τα επίπεδα ουβικιτινιλίωσης διαμορφώνονται δυναμικά μέσω της δράσης ουβικιτινασών και αποουβικιτινασών, ενζύμων που προσθέτουν ή αφαιρούν μόρια ουβικιτίνης από πρωτεϊνικά υποστρώματα. Η πολυουβικιτινιλίωση μέσω αλυσίδων συζευγμένων στη λυσίνη 63 συναντάται σε υψηλά επίπεδα στον εγκέφαλο των θηλαστικών, όπου ρυθμίζει τη δομή και λειτουργία των συνάψεων υποστηρίζοντας θεμελιώδεις νευρικές λειτουργίες. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, διερευνήσαμε τον ρόλο της αποουβικιτινάσης CYLD στη φυσιολογία των νευρώνων στον νηματώδη Caenorhabditis elegans. Η CYLD, μία αποουβικιτινάση με ειδικότητα έναντι αλυσίδων πολυουβικιτίνης συζευγμένων στη λυσίνη 63, έχει πρόσφατα συσχετιστεί με την εμφάνιση νευροεκφυλιστικών διαταραχών, όπως η νόσος του Alzheimer και η μετωποκροταφική άνοια. Αποδείξαμε ότι η CYLD-1, η ομόλογη πρωτεΐνη της CYLD στους νηματώδεις, εκφράζεται στο νευρικό σύστημα και σε περιφερικούς ιστούς του C. elegans και αποικοδομεί αλυσίδες πολυουβικιτίνης συζευγμένες στη λυσίνη 63 in vivo. Κατά τη διάρκεια της γήρανσης, η CYLD-1 προστατεύει από τον νευροεκφυλισμό, διατηρεί την κινητική λειτουργία και προάγει τη μακροζωία. Κατά τη νεαρή ηλικία, η CYLD-1 συνεισφέρει στην ομοιόσταση της νευρικής σύναψης, διατηρώντας τον αριθμό των συνάψεων και τη νευροδιαβίβαση μέσω της καταλυτικής της λειτουργίας. Απαλοιφή της CYLD από το νευρικό σύστημα προκαλεί συμπεριφορικά ελλείμματα, περιορίζοντας τη συνειρμική βραχυπρόθεσμη μνήμη. Αναφορικά με τους μοριακούς μηχανισμούς δράσης της CYLD-1, η μελέτη μας αποκάλυψε τη συμμετοχή της στην προώθηση της αυτοφαγικής ροής, τόσο στο νευρικό σύστημα όσο και σε άλλους ιστούς. Μεταλλαγές απώλειας λειτουργίας της CYLD επιφέρουν συσσώρευση αυτολυσοσωμάτων, τα οποία παρουσιάζουν μη φυσιολογική επιμήκη μορφολογία. Επιπλέον, προκαλούν μορφολογικές αλλοιώσεις και απώλεια του φυσιολογικού όξινου pH των λυσοσωμάτων, ευρήματα που συνάδουν με διατάραξη της λυσοσωμικής ενεργότητας. Η μελέτη μας υποστηρίζει τον σημαίνοντα ρόλο της πολυουβικιτινιλίωσης μέσω αλυσίδων συζευγμένων στη λυσίνη 63 ως κύριου ρυθμιστή της νευρωνικής ομοιόστασης. Περαιτέρω αναδεικνύει την πιθανή αξία της CYLD και άλλων απουουβικιτινασών ως πιθανούς θεραπευτικούς στόχους για την βελτίωση της γνωστικής λειτουργίας κατά τη γήρανση και την αντιμετώπιση συνοδών νευροεκφυλιστικών νόσων.