Functional characterization of epithelial sodium channels/ degenerins (ENaC/DEG) family members and determination of their role in organismal stress responses in C. elegans

Abstract

Integration of sensory stimuli to appropriately modulate behavioral responses to environmental signals is critical for organismal survival. The nervous system initiates and modulates systemic stress responses ensuing physiological stress. Dopamine signaling is involved in several forms of behavioral plasticity. At the cellular level, ion homeostasis is of utmost importance for neuronal function, both for the maintenance of resting membrane potential and for the creation and propagation of action potentials. Imbalance in neuronal sodium homeostasis is associated with many nervous system pathologies. However, the effect of stress on neuronal sodium homeostasis, excitability, and survival is not explicit. In this study we focus on the ENaC/DEG family of sodium channels, specifically the Degenerins subfamily of Caenorhabditis elegans. Degenerins are expressed mainly in the nervous system and are implicated in several sensory modalities. Degenerins form transmembrane proteins that span twice the cytoplasmic membrane and assemble in homo-tetramers or hetero-tetramers to generate sodium channels. By implementing advanced imaging techniques, we found that DEL-2, DEL-3, and DEL-4 degenerins are expressed in dopaminergic, serotonergic, sensory, or motor neurons. We report that the ENaC/DEG family member DEL-4 assembles into a proton-inactivated, amiloride-sensitive, homomeric sodium channel. Distinct types of stress regulate this channel, which then triggers appropriate motor adaptations and organismal stress responses. DEL-4 operates at the neuronal cell membrane to modulate Caenorhabditis elegans locomotory behaviour. In Caenorhabtitis elegans the functionality of the dopamine pathway can be easily assessed by monitoring the locomotory response to environmental food availability cues, a behavior termed basal slowing. We showed that these ion channel proteins induce basal slowing response. They act through DOP-2 and DOP-3 dopamine receptors and affect the signaling at the neuromuscular junction. Limitation of DEL-4 reduces dopamine signaling and cholinergic neurotransmission at the neuromuscular junction. Concurrently, GABAergic signaling enhances at the neuromuscular junction. Heat stress and starvation reduce DEL-4 expression, which in turn adjusts the expression and activity of key stress response transcription factors, such as HSF-1, DAF-16, and SKN-1. Notably, comparable to heat stress and starvation, DEL-4 deficiency induces hyperpolarization of dopaminergic neurons to impact neurotransmission. DELs respond to gustatory stimuli and participate in proton and serotonin perception. Utilizing two humanized models of Parkinson's and Alzheimer's disease in C. elegans, we demonstrate that DEL-4 promotes neuronal survival in the context of these proteinopathies. DEL-4 deficiency enhances the degeneration of dopaminergic neurons in aged adults, upon control conditions, and in Parkinson’s and Alzheimer’s disease models. Our findings provide insight into the molecular mechanisms via which sodium channels uphold neuronal function and promote adaptation under stress.

Ο συνδυασμός αισθητικών ερεθισμάτων για την τροποποίηση της συμπεριφοράς ενός οργανισμού ανάλογα με τα περιβαλλοντικά ερεθίσματα είναι απαραίτητος για την επιβίωσή του. Το νευρικό σύστημα συμμετέχει στην έναρξη και τη ρύθμιση των συστημικών αποκρίσεων που προκύπτουν από διάφορους τύπους περιβαλλοντικού στρες. Η ντοπαμινεργική σηματοδότηση εμπλέκεται σε διάφορες μορφές συμπεριφορικής πλαστικότητας. Σε κυτταρικό επίπεδο, η ομοιόσταση ιόντων είναι υψίστης σημασίας για τη νευρωνική λειτουργία, τόσο για τη διατήρηση του δυναμικού ηρεμίας της μεμβράνης όσο και για τη δημιουργία και τη διάδοση δυναμικών δράσης. Η ανισορροπία στη νευρωνική ομοιόσταση νατρίου σχετίζεται με πολλές παθολογίες του νευρικού συστήματος. Ωστόσο, οι επιπτώσεις του στρες στην ομοιόσταση του νατρίου των νευρώνων, τη διεγερσιμότητα και τη νευρωνική επιβίωση δεν είναι σαφείς. Σε αυτή τη μελέτη, εστιάζουμε στην οικογένειες καναλιών νατρίου ENaC/DEG, και συγκεκριμένα στην υποοικογένεια Degenerins του οργανισμού μοντέλου Caenorhabditis elegans. Οι Degenerins εκφράζονται κυρίως στο νευρικό σύστημα και εμπλέκονται σε ποικίλες αισθητικές λειτουργίες. Οι Degenerins σχηματίζουν διαμεμβρανικές πρωτεΐνες που διαπερνούν δύο φορές την κυτταροπλασματική μεμβράνη και αλληλεπιδρούν σε ομοτετραμερή ή ετεροτετραμερή διάταξη για να σχηματίσουν διαύλους νατρίου. Με την εφαρμογή προηγμένων τεχνικών απεικόνισης, διαπιστώσαμε ότι οι Degenerins DEL-2, DEL-3 και DEL-4 εκφράζονται σε ντοπαμινεργικούς, σεροτονινεργικούς, αισθητικούς και κινητικούς νευρώνες. Aναφέρουμε ότι η DEL-4 σχηματίζει ομομερή κανάλια νατρίου, που μπλοκάρονται από πρωτόνια και είναι ευαίσθητα στην αμιλορίδη. Συγκεκριμένοι τύποι στρες ρυθμίζουν αυτό το κανάλι, το οποίο στη συνέχεια ενεργοποιεί κατάλληλες κινητικές προσαρμογές και αντιδράσεις του οργανισμού στο στρες. Το κανάλι DEL-4 λειτουργεί στη νευρωνική μεμβράνη και στη σύναψη για να ρυθμίζει τα χαρακτηριστικά της κινητικής συμπεριφοράς του Caenorhabditis elegans. Στο C. elegans η η λειτουργικότητα του ντοπαμινεργικού μονοπατιού μπορεί εύκολα να αξιολογηθεί παρακολουθώντας την κινητική απόκριση σε στη διαθεσιμότητα τροφής, μία συμπεριφορά που ονομάζεται βασική επιβράδυνση. Δείξαμε ότι αυτοί οι δίαυλοι ιόντων νατρίου ενισχύουν τη βασική επιβράδυνση. Δρουν μέσω των υποδοχέων της ντοπαμίνης DOP-2 και DOP-3, και επηρεάζουν τη σηματοδότηση στη νευρομυϊκή σύναψη. Ταυτόχρονα, η GABAεργική σηματοδότηση ενισχύεται στη νευρομυϊκή σύναψη.Το θερμικό στρες και η ασιτία μεταβάλλουν τα επίπεδα έκφρασης του DEL-4. Η αφθονία του DEL-4 με τη σειρά της προσαρμόζει την έκφραση και τη δραστηριότητα βασικών μεταγραφικών παραγόντων απόκρισης στο στρες, όπως ο HSF-1, ο DAF-16, και ο SKN-1. Συγκεκριμένα, συγκρίσιμη με το θερμικό στρες και την πείνα, η ανεπάρκεια του DEL-4 προκαλεί υπερπόλωση των ντοπαμινεργικών νευρώνων και επηρεάζει τη νευροδιαβίβαση στους ντοπαμινεργικούς και κινητικούς νευρώνες. Χρησιμοποιώντας δύο εξανθρωπισμένα μοντέλα της νόσου του Πάρκινσον και της νόσου Αλτσχάιμερ στο C. elegans, αποδεικνύουμε ότι το DEL-4 προάγει την επιβίωση των νευρώνων στο πλαίσιο αυτών των πρωτεϊνοπαθειών. Η μείωση των επιπέδων της DEL-4 ενισχύει τον εκφυλισμό των ντοπαμινεργικών νευρώνων στο νηματώδη, τόσο υπό φυσιολογικές συνθήκες όσο και σε νηματώδεις μοντέλα για τη νόσο του Αλτζχάιμερ και του Πάρκινσον. Τα ευρήματά μας παρέχουν μια εικόνα για τους μοριακούς μηχανισμούς μέσω των οποίων τα κανάλια νατρίου υποστηρίζουν τη νευρωνική λειτουργία και προάγουν την προσαρμογή υπό στρες.