The distribution and regulation of sodium-proton exchanger 9 (NHE9) in the mouse hippocampus: implications for neurodevelopmental disorders

Mutations in sodium/proton exchanger 9 (NHE9) and NHE6 have been associated with early developmental neurological disorders. These exchangers are thought to help regulate the luminal pH of vesicles within the endocytic pathway, a critical determinant of protein trafficking. We have previously shown that NHE6 localizes to recycling endosomes in neurons and undergoes activity-dependent redistribution in dendritic spines. Moreover, impaired NHE6 function results in reduced neuronal arborization and disrupts endocytic trafficking in developing neurons. NHE9 has previously been found to localize to endosomal compartments in non-neuronal cell lines where it is thought to be important for gradual acidification of the endocytic pathway, suggesting that it may help regulate protein trafficking and degradation. However, the distribution and function of NHE9 in the brain is unknown. Thus, we wished to investigate whether NHE9 may also be involved in neuronal endocytic trafficking. During synaptic plasticity, structural remodelling of dendritic spines, the post-synaptic compartment of excitatory neurons, enables changes in neurotransmission. In particular, the local trafficking of AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid)-type glutamate receptors to and from the post-synaptic membrane regulates long-term potentiation (LTP) and long-term depression (LTD), two cellular models of learning and memory. We have previously shown that NHE6 and the GluA1 subunit of the AMPA receptor colocalize in a subset of endosomes within dendritic spines, suggesting that NHE6 helps to regulate AMPA receptor trafficking during synaptic plasticity. Thus, we also wanted to determine whether or not NHE9 may be similarly involved in activity-dependent AMPA receptor trafficking within dendritic spines.We developed an NHE9-specific antibody in order to examine NHE9 distribution and function in the brain; in particular an area of the brain known to be important for learning and memory, the hippocampus. We found that NHE9 distribution intensified in the developing hippocampus. In mature hippocampal cultures, NHE9 was distributed within axonal and dendritic processes of CA1 pyramidal neurons, as well as within protoplasmic astrocytes. Specifically, we found that NHE9 colocalized to a high degree with established markers of the endocytic pathway, and within a subgroup of endosomes containing the GluA1 subunit of the AMPA receptor, in dendritic spines. Furthermore, NHE9 and GluA1 formed a complex in neurons, and were simultaneously redistributed within the spine head in response to NMDA receptor-dependent LTP and LTD induction. Specifically, NHE9 together with GluA1 were increased within the spine head when challenged with LTP, whereas LTD induction resulted in reduced NHE9 and GluA1 distribution within the spine head. Thus, our findings suggest a role for NHE9 in the regulation of receptor trafficking during synaptic plasticity, and highlight an important cellular mechanism which may contribute to the development of certain neurological disorders.Des mutations des échangeurs de sodium et protons 9 (NHE9) et NHE6 ont été associées à certains troubles du développement neurologique précoce. Ces échangeurs sont impliqués dans la régulation du pH luminal dans les vésicules d'endocytose, ce qui est important pour un transport approprié des protéines. Récemment, nous avons montré que NHE6 se trouve dans les endosomes de recyclage des neurones, et est redistribué selon l'activité dans les épines dendritiques. De plus, suite au mauvais fonctionnement de NHE6 on voit une réduction dans l'arborisation neuronale et une perturbation du transport des endosomes dans les neurones en développement. Précédemment, NHE9 a été retrouvé dans les compartiments endocytiques dans les cellules non-neuronales, où nous croyons qu'il est important pour l'acidification graduelle de la voie endocytaire, suggérant qu'il peut aider avec la régulation du transport et la dégradation des protéines. Cependant, la distribution et la fonction de NHE9 dans le cerveau sont inconnues. Ainsi, on a voulu vérifié si NHE9 est peut-être aussi impliqué dans le transport de la voie endocytaire neuronale.Durant la plasticité synaptique, le remodelage structurel des épines dendritiques, le compartiment post-synaptique des neurones excitateurs, permet des modifications de la transmission synaptique. En particulier, le transport des récepteurs glutamatergiques de type AMPA (α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid) à partir et à la membrane post-synaptique est impliqué dans la régulation de potentialisation à long terme (PLT) et dépression à long terme (DLT), deux modèles cellulaires de l'apprentissage et la mémoire. On a montré précédemment que NHE6 et la sous-unité GluA1 du récepteur AMPA se retrouvent ensemble dans un sous-compartiment d'endosomes à l'intérieur des épines dendritiques, ce qui suggère que NHE6 aide à la régulation du transport des récepteurs AMPA durant la plasticité synaptique. Ainsi, on a voulu déterminer si oui ou non, NHE9 est impliqué de façon similaire dans le transport des récepteurs AMPA, qui dépend de l'activité, à l'intérieur des épines dendritiques.On a développé un anticorps spécifique pour NHE9, afin d'examiner sa distribution et sa fonction dans le cerveau; en particulier dans l'hippocampe, une région du cerveau qui est connue pour être importante pour l'apprentissage et la mémoire. On a trouvé que la distribution de NHE9 est intensifiée dans l'hippocampe en développement. Dans les cultures hippocampiques matures, NHE9 est distribué dans les axones et dendrites des neurones pyramidaux CA1, ainsi que dans les astrocytes protoplasmiques. Spécifiquement, on a trouvé que NHE9 se localise très bien avec les marqueurs établis de la voie endocytaire, et à l'intérieur d'une sous-groupe des endosomes qui contiennent la sous-unité GluA1 du récepteur AMPA, dans les épines dendritiques. En outre, NHE9 et GluA1 ont formé un complexe dans les neurones, et étaient simultanément redistribués à l'intérieur de la tête de l'épine dendritique, à la suite de l'induction des PLT et DLT du récepteur NMDA. Spécifiquement, NHE9 et GluA1 ont augmenté à l'intérieur de la tête de l'épine dendritique quand stimulés avec PLT, tandis que l'induction de DLT a entraîné une diminution de la distribution de NHE9 et GluA1 à l'intérieur de la tête de l'épine dendritique. Ainsi, nos résultats suggèrent que NHE9 joue un rôle dans la régulation du transport de récepteurs dans les synapses, et identifient un mécanisme cellulaire important qui peut contribuer au développement de certains troubles neurologiques