La dimerizzazione della proteina 2 ciclasi associata regola la cofilina nella plasticità sinaptica e nel morbo di Alzheimer

Regulation of actin cytoskeleton dynamics in dendritic spines is crucial for learning and memory formation. Hence, defects in the actin cytoskeleton pathways are a biological trait of several brain diseases, including Alzheimer’s disease. Here, we describe a novel synaptic mechanism governed by the cyclase-associated protein 2, which is required for structural plasticity phenomena and completely disrupted in Alzheimer’s disease. We report that the formation of cyclase-associated protein 2 dimers through its Cys32 is important for cyclase-associated protein 2 binding to cofilin and for actin turnover. The Cys32-dependent cyclase-associated protein 2 homodimerization and association to cofilin are triggered by long-term potentiation and are required for long-term potentiationinduced cofilin translocation into spines, spine remodelling and the potentiation of synaptic transmission. This mechanism is specifically affected in the hippocampus, but not in the superior frontal gyrus, of both Alzheimer’s disease patients and APP/PS1 mice, where cyclase-associated protein 2 is down-regulated and cyclase-associated protein 2 dimer synaptic levels are reduced. Notably, cyclase-associated protein 2 levels in the cerebrospinal fluid are significantly increased in Alzheimer’s disease patients but not in subjects affected by frontotemporal dementia. In Alzheimer’s disease hippocampi, cofilin association to cyclase-associated protein 2 dimer/monomer is altered and cofilin is aberrantly localized in spines. Taken together, these results provide novel insights into structural plasticity mechanisms that are defective in Alzheimer’s disease.

La regolazione della dinamica del citoscheletro di actina nelle spine dendritiche è cruciale per l'apprendimento e la formazione della memoria. Quindi, i difetti nelle vie del citoscheletro di actina sono un tratto biologico di diverse malattie del cervello, incluso il morbo di Alzheimer. Qui, descriviamo un nuovo meccanismo sinaptico governato dalla proteina 2 ciclasi-associata, necessaria per i fenomeni di plasticità strutturale e completamente inibita (interrotta) nella malattia di Alzheimer. Segnaliamo che la formazione di dimeri della proteina 2 ciclasi associata attraverso la sua Cys32 è importante per il legame tra la proteina 2 ciclasi-associata e la cofilina e per il turnover dell'actina. L’omodimerizzazione della proteina 2 ciclasi-associata Cys32-dipendente e l'associazione alla cofilina sono innescate dal potenziamento a lungo termine e sono necessarie per la traslocazione nelle spine dendritiche della cofilina indotta dal potenziamento a lungo termine, per il rimodellamento della spina e il potenziamento della trasmissione sinaptica. Questo meccanismo è interessato in modo specifico nell'ippocampo, ma non nel giro frontale superiore, sia dei pazienti con malattia di Alzheimer che dei topi APP/PS1, dove la proteina 2 ciclasi-associata è down-regolata e i livelli sinaptici del dimero della proteina 2 ciclasi- associata sono ridotti. In particolare, i livelli di proteina 2 nel liquido cerebrospinale sono significativamente aumentati nei pazienti con malattia di Alzheimer, ma non in soggetti affetti da demenza frontotemporale. Nell'ippocampo della malattia di Alzheimer, associazione della cofilina alla proteina 2 ciclasi- associata dimero/monomero è alterata e la cofilina è localizzata in modo anomalo nelle spine. Presi insieme, questi risultati forniscono nuove intuizioni su meccanismi di plasticità strutturale che sono difettosi nella malattia di Alzheimer.