Role of Caspr1 and Caspr2 in the regulation of glutamatergic transmission and synaptic plasticity - implication for disease pathogenesis

Abstract

The human brain is distinctively unique due to its remarkable ability for complex language, higher cognition, emotion regulation and executive control of behaviour. Yet, these are precisely the brain functions impaired in several neurological and neuropsychiatric disorders that afflict a large percentage of the population worldwide. Emerging evidence in the field suggests that one potential functional process thought to be compromised in pathological conditions is homeostatic synaptic plasticity. This form of plasticity is able to modulate the overall activity of neuronal networks so that it never goes off-balance, even in face of constant changes, such as occurring during development, sensory experience or even during learning-related adaptations. At the molecular level, bidirectional compensatory changes in the postsynaptic accumulation of glutamate receptors of the AMPA-type are thought to be one cellular substrate to achieve neuronal homeostasis. However, full comprehension of the AMPAR regulatory mechanisms that underlie this form of plasticity, and of how such mechanisms can fail in the context of disease, is still elusive. Contactin-associated proteins 1 and 2 (Caspr1 and Caspr2) are integral transmembrane cell-adhesion molecules that have received considerable attention in the past few years due to emerging roles in the regulation of synaptic, cellular and functional processes in the brain. Previous evidence from our laboratory identified Caspr1 as an AMPAR-interacting protein necessary to regulate the trafficking of surface AMPARs into synapses. However, the molecular mechanisms underlying this role of Caspr1 are still uncharacterized, and no link has yet been established between its role in AMPAR regulation and synaptic plasticity mechanisms. Herein, we describe a posttranscriptional mechanism orchestrated by Caspr1 and the RNA-binding protein ZBP1 in the regulation of AMPAR. We found that ZBP1 binds to the mRNA of the GluA1 subunit of AMPARs in an activity-dependent manner, and regulates synaptic levels of cell surface GluA1-containing AMPARs. During periods of prolonged activity inhibition, when homeostatic responses are elicited to upscale surface AMPARs, endogenous expression of Caspr1 is upregulated, and the phosphorylation of ZBP1 increases, resulting in a significant decrease in GluA1 mRNA molecules bound to ZBP1, suggesting an activity-dependent release of GluA1 transcripts to undergo translation on demand. Importantly, when the expression of either Caspr1 or ZBP1 is lost, synaptic upscaling of AMPARs is compromised, indicating a specific requirement for both Caspr1 and ZBP1 in the regulation of postsynaptic AMPARs during homeostatic synaptic plasticity. Mutations in the CASPR2-encoding gene CNTNAP2 have been recurrently implicated in several neuropsychiatric disorders including autism, schizophrenia and intellectual disability. Recent findings have attributed an important function for Caspr2 in synapse regulation, but the full-spectrum of mechanisms mediated by CASPR2 remains elusive. Importantly, it is still unclear how perturbations in CASPR2 function become pathogenic and drive the severe cognitive and psychiatric symptoms presented by patients. Herein, we find that Caspr2 is expressed in cortical excitatory synapses, and identify Caspr2 as a novel AMPAR-interacting protein capable of regulating the trafficking of AMPARs to synapses. Moreover, we demonstrate that loss of Caspr2 impairs AMPAR function and in vivo excitatory synaptic transmission in the cortex, and reveal a requirement for Caspr2 in the regulation of homeostatic mechanisms necessary for the expression of visually-driven experience-dependent plasticity. Finally, autoantibodies targeting CASPR2 have been recently discovered in patients with autoimmune synaptic encephalitis that can manifest with severe memory deficits, cognitive impairments and psychosis. However, it is not clear to date if CASPR2 autoantibodies (CASPR2-Abs) perturb CASPR2 functions, and whether they can mediate a direct pathogenic effect that can drive the disease symptoms. Taken into consideration the role we describe for Caspr2 in the regulation of AMPARs, we hypothesized that CASPR2-Abs exert their pathogenic effect by disrupting this Caspr2 function. Using human immunoglobulin (IgGs) preparations from a patient with CASPR2 encephalitis, we found that patient IgGs significantly alter the synaptic distribution of Caspr2 and cell surface AMPARs. Moreover, patient IgGs hamper Caspr2 function in vivo and perturb basal glutamatergic synaptic transmission in the visual cortex of mice. Additionally, patient IgGs prevent the triggering of long-term potentiation, whilst sparing homeostatic synaptic scaling mechanisms. Finally, we reveal that patient IgGs bound to the neuronal surface can undergo time-dependent internalization, thus underpinning a likely mechanism of pathogenesis elicited by CASPR2-Abs. Altogether, our findings identify Contactin-associated proteins as crucial regulators of glutamatergic synaptic transmission and synaptic plasticity mechanisms, and suggest that these processes are likely targets for the pathogenesis of several neurological and neuropsychiatric disorders, including those ensuing from genetic- or antibody-mediated disruptions of CASPR2.

O cérebro humano é único, capaz de processos altamente complexos tal como cognição, formas de linguagem superior, regulação de emoções e controlo executivo do comportamento, que nos distinguem de outros mamíferos. No entanto, são precisamente estas as funções cerebrais afectadas em doenças neurológicas e do foro psiquiátrico, que atingem uma larga percentagem da população em todo o mundo. Evidências recentes sugerem que um dos processos cerebrais que possa estar comprometido em condições patológicas é a plasticidade homeostática. Esta forma de plasticidade é capaz de modular a actividade de redes neuronais de forma a mantê-la dentro de limites funcionais necessários para um adequado funcionamento do cérebro, mesmo face a constantes alterações potencialmente desestabilizadoras, como as que ocorrem durante o desenvolvimento neuronal, em resposta ao ambiente sensorial ou até durante processos de aprendizagem. Ao nível molecular, a homeostase neuronal é conseguida por exemplo através de alterações compensatórias e bidirecionais na acumulação pós-sináptica de receptores de glutamato do tipo AMPA (AMPAR). No entanto, os mecanismos regulatórios de AMPAR que estão na base deste tipo de plasticidade ainda não são completamente conhecidos, e não se compreende ainda de que forma estes mecanismos podem falhar num contexto de doença. As proteínas 1 e 2 associadas à Contactina (Caspr1 e Caspr2) são moléculas de adesão celular que têm recebido considerável atenção nos últimos anos devido a novas funções que lhes foram atribuídas na regulação de processos sinápticos, celulares e funcionais do cérebro. Resultados anteriores obtidos no nosso laboratório identificaram a Caspr1 como uma nova interactora de receptores AMPA necessária para regular o seu tráfego para a sinapse. No entanto, os mecanismos moleculares que estão na base da função da Caspr1 ainda não foram caracterizados, e nenhuma relação foi ainda estabelecida entre a sua função na regulação de AMPAR e mecanismos de plasticidade sináptica. Neste estudo, descrevemos um novo mecanismo pós-transcripcional regulado pela Caspr1 e pela proteína de ligação a RNA, ZBP1. Descobrimos que a ZBP1 é capaz de se ligar ao RNA mensageiro da subunidade GluA1 dos AMPARs de uma forma dependente de actividade, e que regula os níveis sinápticos basais de AMPARs à superfície da célula. Durante períodos de bloqueio crónico de actividade, quando processos homeostáticos são activados para induzir o escalamento sináptico de AMPARs, a expressão endógena da Caspr1 é aumentada, bem como os níveis de fosforilação da ZBP1, o que reduz significativamente o número de moléculas de RNAm de GluA1 ligado à ZBP1, e sugere que a actividade neuronal poderá induzir uma libertação de transcriptos de GluA1 para que possam ser traduzidos quando necessário. Finalmente, inibição da expressão endógena da Caspr1 ou da ZBP1 compromete o escalamento sináptico de AMPARs, o que indica que a Caspr1 e a ZBP1 são necessárias para a regulação de AMPARs durante mecanismos de plasticidade homeostática. Mutações no gene codificante da Caspr2, CNTNAP2, foram já implicadas em várias doenças neuropsiquiátricas, incluindo autismo, esquizofrenia e défice intelectual. Evidências recentes sugerem que a Caspr2 tem um importante papel na sinapse, no entanto não se conhecem ainda os mecanismos através dos quais a Caspr2 regula a função sináptica. Além disso, é ainda incerto de que forma perturbações na função da CASPR2 se podem tornar patogénicas e causar o desenvolvimento de sintomas cognitivos e psiquiátricos nos pacientes. Neste estudo vimos que a Caspr2 é bastante expressa em sinapses excitatórias do cortéx, e identificámos a Caspr2 como uma nova proteína interactora de AMPARs capaz de regular o seu tráfego para a sinapse. Adicionalmente, demonstrámos que inibição da expressão endógena da Caspr2 perturba a função de AMPARs e a transmissão sináptica excitatória in vivo, e revelámos que a Caspr2 é necessária para mecanismos de escalamento sináptico que regulam a expressão de plasticidade sináptica induzida in vivo por experiência visual. Autoanticorpos contra a CASPR2 foram recentemente identificados em pacientes com encefalite autoimune, que podem apresentar graves défices de memória, perturbações cognitivas e psicose. No entanto, não se sabe ainda se os autoanticorpos contra a CASPR2 perturbam a sua função, e se poderão mediar um efeito patogénico directo que possa ser causal para o desenvolvimento dos sintomas da doença. Tendo em consideração o papel que descrevemos para a Caspr2 na regulação de AMPARs, colocamos a hipótese de os autoanticorpos exercerem o seu efeito patogénico por disrupção desta função da Caspr2. Usando amostras de imunoglobulinas humanas purificadas a partir do plasma de um paciente com encefalite anti-CASPR2, descobrimos que estas alteram significativamente a distribuição sináptica da Caspr2 endógena e de AMPAR superficiais. Adicionalmente, vimos que as IgGs do paciente bloqueiam a função da Caspr2 in vivo e perturbam a transmissão glutamatérgica no córtex visual de ratinhos. Vimos também que as IgGs do paciente inibem a indução de mecanismos de potenciação de longo-termo, embora o escalamento sináptico se mantenha intacto. Finalmente, revelamos que IgGs do paciente que se ligam à superfície neuronal são internalizadas ao longo do tempo, sugerindo assim um potencial mecanismo patogénico induzido por estes anticorpos. Em conclusão, os nossos resultados identificam as proteínas Casprs como reguladoras fundamentais da transmissão glutamatérgica e de mecanismos de plasticidade homeostática, e sugere que estes processos sejam facilmente perturbados no contexto de doença e contribuam assim para a patogénese de doenças neuropsiquiátricas, nomeadamente para doenças associadas à Caspr2.