Deciphering the role of nerve growth factor (NGF) during cortical development: Potential role of autophagy

Nerve growth factor (NGF) is a pleiotropic neurotrophin with essential functions in neuronal survival, differentiation and cellular homeostasis, primarily mediated through the TrkA and p75NTR receptors. Although TrkA expression is limited in the cerebral cortex of adult individuals, NGF signaling has been implicated in cortical development and plasticity. Previous studies have additionally demonstrated that NGF-induced neuronal differentiation is associated with metabolic remodeling and activation of autophagy and mitophagy, suggesting a functional interaction between neurotrophic signaling and intracellular quality-control mechanisms. The present study investigated whether this relationship extends to primary cortical neurons at an early postnatal developmental stage and assessed the potential contribution of endogenous NGF to autophagy-related mechanisms in the developing brain. Primary cortical neurons isolated from newborn mice expressed both TrkA and p75NTR and exhibited functional responsiveness to NGF. The neuronal NGF receptor profile was sensitive to glia-derived signals, as conditioned medium from activated astrocytes reduced TrkA expression, an effect prevented by NGF, while increasing p75NTR. Pharmacological modulation of autophagy demonstrated a functional relationship between autophagic processes and neuronal survival. NGF promoted neuronal survival, whereas interference with different steps of the autophagic pathway or with microtubule-dependent intracellular transport compromised neuronal viability and increased oxidative stress. Conversely, induction of autophagy by rapamycin enhanced neuronal survival. At the molecular level, NGF induced broad transcriptional remodeling of genes involved in multiple steps of the autophagic pathway, including autophagosome formation, intracellular targeting, lysosomal function, ubiquitination and proteolytic processing. This response was accompanied by a marked time-dependent modulation of LC3 processing, with the LC3-II/LC3-I ratio reaching its highest NGF-induced increase after 24 h. Analysis in the presence of the lysosomal inhibitor bafilomycin A1 further indicated a dynamic, time-dependent regulation of autophagosome synthesis and degradation. NGF simultaneously produced robust activation of Akt and temporally distinct changes in mTOR, AMPK and CaMK phosphorylation, while Beclin-1 remained comparatively stable during the early response and p62/SQSTM1 displayed more modest time-dependent alterations. Together, these findings indicate that NGF influences autophagic homeostasis through coordinated regulation of multiple molecular and metabolic pathways rather than through a single linear signaling mechanism. Finally, neonatal depletion of endogenous NGF in vivo produced region-specific alterations in TrkA-dependent signaling but did not significantly modify LC3 processing or Beclin-1 levels in the prefrontal cortex, hippocampus or septum. Thus, NGF-dependent regulation observed in isolated immature cortical neurons cannot be directly extrapolated to the intact developing brain. Overall, these findings extend the functional relationship between NGF and cellular quality-control mechanisms to primary cortical neurons and support a model in which NGF dynamically coordinates trophic signaling, cellular metabolism and autophagic homeostasis during an early stage of neuronal development.

Il Nerve Growth Factor (NGF) è una neurotrofina pleiotropica che svolge funzioni essenziali nella sopravvivenza e nel differenziamento neuronale e nell’omeostasi cellulare, mediate principalmente dai recettori TrkA e p75NTR. Sebbene l’espressione di TrkA sia limitata nella corteccia cerebrale degli individui adulti, il signaling dell’NGF è stato implicato nello sviluppo e nella plasticità corticale. Studi precedenti hanno inoltre dimostrato che il differenziamento neuronale indotto dall’NGF è associato a un rimodellamento metabolico e all’attivazione dell’autofagia e della mitofagia, suggerendo un’interazione funzionale tra il signaling neurotrofico e i meccanismi intracellulari di controllo della qualità. Il presente studio ha indagato se tale relazione si estenda ai neuroni corticali primari durante una fase precoce dello sviluppo postnatale e ha valutato il potenziale contributo dell’NGF endogeno ai meccanismi correlati all’autofagia nel cervello in via di sviluppo. I neuroni corticali primari isolati da topi neonati esprimevano sia TrkA sia p75NTR e mostravano una risposta funzionale all’NGF. Il profilo dei recettori neuronali dell’NGF risultava sensibile ai segnali derivati dalle cellule gliali: il mezzo condizionato ottenuto da astrociti attivati riduceva infatti l’espressione di TrkA, un effetto prevenuto dall’NGF, aumentando al contempo l’espressione di p75NTR. La modulazione farmacologica dell’autofagia ha evidenziato una relazione funzionale tra i processi autofagici e la sopravvivenza neuronale. L’NGF promuoveva la sopravvivenza neuronale, mentre l’interferenza con differenti fasi della via autofagica o con il trasporto intracellulare dipendente dai microtubuli comprometteva la vitalità neuronale e aumentava lo stress ossidativo. Al contrario, l’induzione dell’autofagia mediante rapamicina favoriva la sopravvivenza neuronale. A livello molecolare, l’NGF induceva un ampio rimodellamento trascrizionale dei geni coinvolti in diverse fasi della via autofagica, tra cui la formazione degli autofagosomi, il targeting intracellulare, la funzione lisosomiale, l’ubiquitinazione e il processamento proteolitico. Questa risposta era accompagnata da una marcata modulazione tempo-dipendente del processamento di LC3, con il rapporto LC3-II/LC3-I che raggiungeva il massimo incremento indotto dall’NGF dopo 24 ore. L’analisi condotta in presenza dell’inibitore lisosomiale bafilomicina A1 indicava inoltre una regolazione dinamica e tempo-dipendente della sintesi e della degradazione degli autofagosomi. Parallelamente, l’NGF induceva una robusta attivazione di Akt e modificazioni temporalmente distinte della fosforilazione di mTOR, AMPK e CaMK, mentre Beclin-1 rimaneva relativamente stabile durante le fasi iniziali della risposta e p62/SQSTM1 mostrava variazioni tempo-dipendenti più moderate. Nel complesso, questi risultati indicano che l’NGF influenza l’omeostasi autofagica attraverso la regolazione coordinata di molteplici vie molecolari e metaboliche, piuttosto che mediante un singolo meccanismo di signaling lineare. Infine, la deplezione neonatale dell’NGF endogeno in vivo determinava alterazioni regione-specifiche del signaling dipendente da TrkA, senza tuttavia modificare significativamente il processamento di LC3 o i livelli di Beclin-1 nella corteccia prefrontale, nell’ippocampo o nel setto. Pertanto, la regolazione NGF-dipendente osservata nei neuroni corticali immaturi isolati non può essere direttamente estrapolata al cervello intatto in via di sviluppo. Nel complesso, questi risultati estendono ai neuroni corticali primari la relazione funzionale tra NGF e meccanismi cellulari di controllo della qualità e supportano un modello nel quale l’NGF coordina dinamicamente il signaling trofico, il metabolismo cellulare e l’omeostasi autofagica durante una fase precoce dello sviluppo neuronale.