Ruolo della SUMOilazione sull'attività di Oligophrenin-1 (OPHN1) nei neuroni ippocampali

Sumoylation is a post-translational modification essential to the modulation of several neuronal functions, including neurotransmitter release and synaptic plasticity. Altered sumoylation has been associated with neurological disorders. Furthermore, several proteins related to intellectual disability (ID) and autism spectrum disorders (ASD) are targeted by sumoylation. We identified Oligophrenin-1 (OPHN1) as a novel target of sumoylation in mammalian brain. Mutations in Ophn1 gene cause the loss of function of OPHN1 protein, leading to syndromic ID characterized by cerebellum abnormalities. In neurons, OPHN1 is involved in several processes including spine maturation and AMPA receptor trafficking. Given the importance of this protein in controlling critical processes in neurons, a tight regulation of OPHN1 activity and its sumoylation is critical to proper synaptic transmission and plasticity. Thus, this project aims at unveiling the physiological and pathological consequences of OPHN1 sumoylation. To this end, we have combined the use of advanced imaging approaches with sophisticated biochemical assays. The results deriving from this project allowed us to consider sumoylation as a novel regulatory mechanism of OPHN1 activity. In particular, we validated the lysine 403 (K403) as residue targeted by sumoylation in OPHN1 sequences. This residue is located within the Rho-GAP domain, which is essential to OPHN1 activity. Furthermore, we generated a non-sumoilatable OPHN1 construct by point-mutating the K403 in to an arginine (K403R). We demonstrated that, in hippocampal neurons, the overexpression of OPHN1-K403R compared to the wild-type (WT) form affects dendritic spine density and architecture as well as OPHN1 localization. Interestingly, the K403 residue is situated close to a novel missense mutation (G412D) identified in ID patients. This evidence raises the thrilling hypothesis that the G412D mutation may directly alter the sumoylation of OPHN1 and, therefore, its synaptic function participating to the development of ID. Thus, we also evaluated the impact of the G412D mutation on OPHN1 sumoylation and it effects on dendritic spine density and morphology.

La sumoilazione è una modifica post-traduzionale essenziale per la fisiologia neuronale, regolando processi critici tra cui il rilascio di neurotrasmettitori e la plasticità sinaptica. Alterazioni del processo di sumoilazione sono state associate a disturbi neurologici. Inoltre, diverse proteine legate alla disabilità intellettiva (ID) e ai disturbi dello spettro autistico (ASD) sono target della sumoilazione. È interessante notare che abbiamo identificato oligophrenin-1 (OPHN1) come nuovo bersaglio della sumoilazione. Le mutazioni nel gene Ophn1 causano la perdita di funzione della proteina OPHN1, portando a ID sindromica caratterizzata da anomalie del cervelletto. Nei neuroni, OPHN1 è coinvolto in diversi processi tra cui la maturazione delle spine dendritiche e il traffico dei recettori AMPA. Data l'importanza di questa proteina nel controllo dei processi critici nella fisiologia neuronale, una fine regolazione dell'attività di OPHN1 e della sua sumoilazione è fondamentale per garantire una corretta trasmissione. Pertanto, questo progetto mira a svelare le conseguenze fisiologiche e patologiche della sumoilazione di OPHN1. A tal fine, abbiamo combinato l'uso di approcci di microscopia avanzati con sofisticati test biochimici. I risultati derivanti da questo progetto ci hanno permesso di identificare la sumoilazione come nuovo meccanismo di regolazione dell’ attività di OPHN1. Abbiamo validato la lisina 403 (K403) come residuo target della sumoilazione. Tale residuo si trova all'interno del dominio Rho-GAP, essenziale per l'attività di OPHN1. Abbiamo poi generato un plasmide in cui il residuo K403 è stato mutato in arginina (K403R) per rendere OPHN1 non sumoilabile. Abbiamo, quindi, osservato che nei neuroni l’overespessione della forma di OPHN1-K403R rispetto alla forma wild-type (WT) induce importanti modificazioni nella densità e morfologia delle spine dendritiche così come nella localizzazione della stessa OPHN1. Il sito di sumoilabilità di OPHN1 si trova vicino a una nuova mutazione missenso (G412D) identificata nei pazienti con ID. Questa evidenza solleva l'eccitante ipotesi che la mutazione G412D possa alterare direttamente la sumoilazione di OPHN1 e, quindi, la sua funzione sinaptica e portare a ID. Pertanto, abbiamo considerato anche l'impatto della mutazione G412D sulla sumoilazione di OPHN1 e il suo effetto sulla densità e morfologia delle spine dendritiche.