The Role of the Prion Protein in Neurodegenerative Disorders

The cellular prion protein (PrPC) is a cell surface glycoprotein predominantly expressed in the central nervous system. A modification of the mainly α-helical PrPC into an isoform enriched in β-strands generates the prion, the infectious particle at the basis of fatal prion diseases. In spite of PrPC’s intimate involvement in prion propagation, its physiological function remains enigmatic. Past observations have supported the possibility that PrPC regulates Ca2+ homeostasis, a notion that has been recently reinforced by the demonstration that PrPC controls Ca2+ fluxes in domains close to the neuronal plasma membrane, and interacts physically with a ionotropic glutamate receptor, thus protecting from glutamate excitotoxicity. Recently, however, it has been proposed that PrPC serves as a high-affinity receptor for soluble amyloid-β (Aβ) oligomers implicated in Alzheimer’s disease (AD), and this interaction could thus be crucial for AD-related synaptic dysfunctions. In light of this background, using genetically-encoded Ca2+ probes targeting different cell domains of cerebellar granule neurons expressing, or not, PrPC, this work focused on whether PrPC regulates local Ca2+ fluxes arising from the activation of storeoperated Ca2+ entry (SOCE), and/or of glutamate receptors. We found that, with respect to PrPC-expressing neurons, the absence of PrPC caused alterations of several local Ca2+ fluxes, indicating that PrPC could act as a key component of the system(s) controlling neuronal Ca2+ homeostasis. As to the molecular mechanism enabling PrPC to exert such control, the results showed the implication of Fyn tyrosine kinase and of the Ca2+-induced-Ca2+-release from the ryanodine receptor. The study has also analyzed whether soluble Aβ oligomers could affect the PrPC-dependent regulation of Ca2+ homeostasis. Obtained results have shown that the acute treatment of neurons with Aβ oligomers abrogates the control of PrPC over Fyn and SOCE, and alters mitochondrial Ca2+ uptake after stimulation of ionotropic glutamate receptors. This data thus suggests a PrPC-dependent mechanism for Aβ-induced neuronal Ca2+ dyshomeostasis.La proteina prionica (PrPC) è una glicoproteina di membrana espressa maggiormente nel sistema nervoso centrale. A seguito di una modificazione in un’isoforma ricca di foglietti β, essa genera il prione, la particella infettiva responsabile delle malattie da prioni. Sebbene la sua implicazione nelle malattie da prioni sia ormai acclarata, la funzione di PrPC nelle cellule deve essere ancora chiarita. Osservazioni passate hanno evidenziato che PrPC possa essere implicata nell’omeostasi del Ca2+. Successivamente, tale possibilità è stata supportata anche dalla dimostrazione che essa regola i flussi di Ca2+ in domini prossimi alla membrana plasmatica dei neuroni e dal fatto che interagisca direttamente con un recettore ionotropico del glutammato, prevenendo in tal modo l’eccitotossicità indotta dal glutammato. Recentemente, è stato anche proposto che la PrPC funga da recettore ad alta affinità per gli oligomeri solubili del peptide amiloide β (Aβ) implicati nella malattia di Alzheimer (AD) e che l’interazione PrPC- Aβ sia cruciale per la disfunzione neuronale osservata nella malattia. Alla luce di queste nozioni, questa tesi ha analizzato se la PrPC regoli l’ingresso di Ca2+ indotto dalla deplezione dei depositi intracellulari (SOCE) o dalla stimolazione dei recettori del glutammato, utilizzando a tal fine neuroni granulari di cervelletto isolati da topi esprimenti, o no, la PrPC e sonde sensibili al Ca2+ indirizzate a specifici compartimenti neuronali. Questo studio ha dimostrato che, rispetto ai neuroni con la PrPC, l’assenza di PrPC causa alterazioni in molti flussi locali di Ca2+, a indicare come la PrPC possa essere implicata nei complessi sistemi adibiti al controllo dell’omeostasi neuronale del Ca2+. Abbiamo inoltre trovato come ciò passi attraverso la modulazione della tirosin chinasi Fyn e del rilascio del Ca2+-indotto dal Ca2+ da parte del recettore rianodinico. Il lavoro ha inoltre analizzato se gli oligomeri solubili del peptide Aβ alterino il controllo esercitato dalla PrPC sull’omeostasi del Ca2+. I risultati ottenuti hanno evidenziato che il trattamento acuto dei neuroni con tali oligomeri altera la regolazione della PrPC sul SOCE e su Fyn e l’ingresso di Ca2+ nel mitocondrio a seguito dell’attivazione dei recettori ionotropici del glutammato. Questi dati suggeriscono pertanto l’esistenza di un meccanismo PrPC-dipendente che causa dis-omeostasi neuronale del Ca2+ indotta dal peptide Aβ