Regulation of Postsynaptic Function by the Dementia-Related ESCRT-III Subunit CHMP2B

The charged multivesicular body proteins (Chmp1–7) are an evolutionarily conserved family of cytosolic proteins that transiently assembles into helical polymers that change the curvature of cellular membrane domains. Mutations in human CHMP2B cause frontotemporal dementia, suggesting that this protein may normally control some neuron-specific process. Here, we examined the function, localization, and interactions of neuronal Chmp2b. The protein was highly expressed in mouse brain and could be readily detected in neuronal dendrites and spines. Depletion of endogenous Chmp2b reduced dendritic branching of cultured hippocampal neurons, decreased excitatory synapse density in vitro and in vivo, and abolished activity-induced spine enlargement and synaptic potentiation. To understand the synaptic effects of Chmp2b, we determined its ultrastructural distribution by quantitative immuno-electron microscopy and its biochemical interactions by coimmunoprecipitation and mass spectrometry. In the hippocampus in situ, a subset of neuronal Chmp2b was shown to concentrate beneath the perisynaptic membrane of dendritic spines. In synaptoneurosome lysates, Chmp2b was stably bound to a large complex containing other members of the Chmp family, as well as postsynaptic scaffolds. The supramolecular Chmp assembly detected here corresponds to a stable form of the endosomal sorting complex required for transport-III (ESCRT-III), a ubiquitous cytoplasmic protein complex known to play a central role in remodeling of lipid membranes. We conclude that Chmp2b-containing ESCRT-III complexes are also present at dendritic spines, where they regulate synaptic plasticity. We propose that synaptic ESCRT-III filaments may function as a novel element of the submembrane cytoskeleton of spines

Role of CHMP2B and ESCRT-III in in the remodeling of cellular membranes : example of dendritic spines

CHMP2B est une sous-unité du complexe ESCRT-III, un complexe cytosolique très conservé, responsable du remodelage des membranes biologique, dans divers processus cellulaires. Des mutations de CHMP2B sont associées à une forme familiale de démence frontotemporale. Une étude précédente a mis en évidence que les mutants pathogènes de CHMP2B altèrent la morphologie des épines dendritiques, un phénomène potentiellement à l'origine de la maladie. Ce travail de recherche a pour objectif de décrire le rôle de CHMP2B, et du complexe ESCRT-III, dans la structure et le fonctionnement des épines dendritiques. Dans des lignées cellulaires, nous avons démontré que CHMP2B a la propriété de s'associer préférentiellement à la membrane plasmique, de se polymériser en filaments hélicoïdaux et de former de longs et fins tubes membranaires. Ce résultat indique que CHMP2B est directement impliqué dans le remodelage de la membrane plasmique. Dans les neurones, CHMP2B se concentre dans des régions sous-membranaires proches de la PSD. Une analyse biochimique a montré que CHMP2B et CHMP4B sont associées à d'autres sous-unités, pour former un complexe ESCRT-III postsynaptique particulièrement stable. Nous avons identifié par spectrométrie de masse que ce complexe interagit également avec des protéines d'échafaudage postsynaptiques et des protéines de remodelage du cytosquelette d'actine. La déplétion de CHMP2B par RNAi, dans des neurones en culture, affecte la complexité de l'arborisation dendritique, la morphologie des épines dendritiques et empêche le gonflement des épines associé à la LTP. Des expériences de récupération, avec des mutants pontuels, indiquent que le rôle de CHMP2B dans le maintien de l'arborisation dendritique est dépendant à la fois de de son association avec ESCRT-III et la bicouche phospholipidique. Nous proposons une nouvelle fonctionnalité pour un complexe ESCRT-III contenant CHMP2B, dans les processus de remodelage de la membrane postsynaptique associés à la maturation et à la plasticité des épines dendritiques.CHMP2B is a subunit of ESCRT-III, a highly conserved cytosolic protein machinery, responsible for membrane remodeling in diverse cellular mechanisms. Mutations in CHMP2B are responsible for a familial form of frontotemporal dementia. A previous study highlighted that FTD-related mutants of CHMP2B impair the morphological maturation of dendritic spines, a process that may underlie neurodegeneration in this disease. The goal of this research work id directed towards understanding the role of CHMP2B and ESCRT-III in dendritic spines structure and function. In cell lines, we demonstrated that CHMP2B associates preferentially with the plasma membrane, polymerizes in helical filaments and forms long and thin membrane protrusions. This result indicates that CHMP2B is directly involved in plasma membrane remodeling. In neurons, CHMP2B concentrates in specific sub-membrane microdomains close to the PSD. Biochemical analysis revealed that CHMP2B and CHMP4B associate with other subunits to form a remarkably stable postsynaptic ESCRT-III complex. Mass-spectrometry indicated that this complex also interacts with postsynaptic scaffolds and proteins involved in actin cytoskeleton remodelling. RNAi depletion of CHMP2B, in cultured neurons, alters stability of dendrite branching and morphology of dendritic spines, and impairs spine head growth, normally associated with LTP. Rescue experiments, with point mutants, indicated that CHMP2B activity in dendrite branching is dependent on its capacity to both bind phospholipids and oligomerization with ESCRT-III. We propose a novel functionality for an ESCRT-III complex containing CHMP2B, in maturation-dependent and plasticity-dependent processes of dendritic spine morphogenesis

Rôle de CHMP2B et du complexe ESCRT-III dans le remodelage dans membranes cellulaires : cas des épines dendritiques

CHMP2B is a subunit of ESCRT-III, a highly conserved cytosolic protein machinery, responsible for membrane remodeling in diverse cellular mechanisms. Mutations in CHMP2B are responsible for a familial form of frontotemporal dementia. A previous study highlighted that FTD-related mutants of CHMP2B impair the morphological maturation of dendritic spines, a process that may underlie neurodegeneration in this disease. The goal of this research work id directed towards understanding the role of CHMP2B and ESCRT-III in dendritic spines structure and function. In cell lines, we demonstrated that CHMP2B associates preferentially with the plasma membrane, polymerizes in helical filaments and forms long and thin membrane protrusions. This result indicates that CHMP2B is directly involved in plasma membrane remodeling. In neurons, CHMP2B concentrates in specific sub-membrane microdomains close to the PSD. Biochemical analysis revealed that CHMP2B and CHMP4B associate with other subunits to form a remarkably stable postsynaptic ESCRT-III complex. Mass-spectrometry indicated that this complex also interacts with postsynaptic scaffolds and proteins involved in actin cytoskeleton remodelling. RNAi depletion of CHMP2B, in cultured neurons, alters stability of dendrite branching and morphology of dendritic spines, and impairs spine head growth, normally associated with LTP. Rescue experiments, with point mutants, indicated that CHMP2B activity in dendrite branching is dependent on its capacity to both bind phospholipids and oligomerization with ESCRT-III. We propose a novel functionality for an ESCRT-III complex containing CHMP2B, in maturation-dependent and plasticity-dependent processes of dendritic spine morphogenesis.CHMP2B est une sous-unité du complexe ESCRT-III, un complexe cytosolique très conservé, responsable du remodelage des membranes biologique, dans divers processus cellulaires. Des mutations de CHMP2B sont associées à une forme familiale de démence frontotemporale. Une étude précédente a mis en évidence que les mutants pathogènes de CHMP2B altèrent la morphologie des épines dendritiques, un phénomène potentiellement à l'origine de la maladie. Ce travail de recherche a pour objectif de décrire le rôle de CHMP2B, et du complexe ESCRT-III, dans la structure et le fonctionnement des épines dendritiques. Dans des lignées cellulaires, nous avons démontré que CHMP2B a la propriété de s'associer préférentiellement à la membrane plasmique, de se polymériser en filaments hélicoïdaux et de former de longs et fins tubes membranaires. Ce résultat indique que CHMP2B est directement impliqué dans le remodelage de la membrane plasmique. Dans les neurones, CHMP2B se concentre dans des régions sous-membranaires proches de la PSD. Une analyse biochimique a montré que CHMP2B et CHMP4B sont associées à d'autres sous-unités, pour former un complexe ESCRT-III postsynaptique particulièrement stable. Nous avons identifié par spectrométrie de masse que ce complexe interagit également avec des protéines d'échafaudage postsynaptiques et des protéines de remodelage du cytosquelette d'actine. La déplétion de CHMP2B par RNAi, dans des neurones en culture, affecte la complexité de l'arborisation dendritique, la morphologie des épines dendritiques et empêche le gonflement des épines associé à la LTP. Des expériences de récupération, avec des mutants pontuels, indiquent que le rôle de CHMP2B dans le maintien de l'arborisation dendritique est dépendant à la fois de de son association avec ESCRT-III et la bicouche phospholipidique. Nous proposons une nouvelle fonctionnalité pour un complexe ESCRT-III contenant CHMP2B, dans les processus de remodelage de la membrane postsynaptique associés à la maturation et à la plasticité des épines dendritiques

Endosomal sorting drives the formation of axonal prion protein endoggresomes

The pathogenic aggregation of misfolded prion protein (PrP) in axons underlies prion disease pathologies. The molecular mechanisms driving axonal misfolded PrP aggregate formation leading to neurotoxicity are unknown. We found that the small endolysosomal guanosine triphosphatase (GTPase) Arl8b recruits kinesin-1 and Vps41 (HOPS) onto endosomes carrying misfolded mutant PrP to promote their axonal entry and homotypic fusion toward aggregation inside enlarged endomembranes that we call endoggresomes. This axonal rapid endosomal sorting and transport-dependent aggregation (ARESTA) mechanism forms pathologic PrP endoggresomes that impair calcium dynamics and reduce neuronal viability. Inhibiting ARESTA diminishes endoggresome formation, rescues calcium influx, and prevents neuronal death. Our results identify ARESTA as a key pathway for the regulation of endoggresome formation and a new actionable antiaggregation target to ameliorate neuronal dysfunction in the prionopathies

Charged multivesicular body protein 2B (CHMP2B) of the endosomal sorting complex required for transport-III (ESCRT-III) polymerizes into helical structures deforming the plasma membrane.: Plasma membrane deformation by CHMP2B

International audienceThe endosomal sorting complexes required for transport (ESCRT-0-III) allow membrane budding and fission away from the cytosol. This machinery is used during multivesicular endosome biogenesis, cytokinesis, and budding of some enveloped viruses. Membrane fission is catalyzed by ESCRT-III complexes made of polymers of charged multivesicular body proteins (CHMPs) and by the AAA-type ATPase VPS4. How and which of the ESCRT-III subunits sustain membrane fission from the cytoplasmic surface remain uncertain. In vitro, CHMP2 and CHMP3 recombinant proteins polymerize into tubular helical structures, which were hypothesized to drive vesicle fission. However, this model awaits the demonstration that such structures exist and can deform membranes in cellulo. Here, we show that depletion of VPS4 induces specific accumulation of endogenous CHMP2B at the plasma membrane. Unlike other CHMPs, overexpressed full-length CHMP2B polymerizes into long, rigid tubes that protrude out of the cell. CHMP4s relocalize at the base of the tubes, the formation of which depends on VPS4. Cryo-EM of the CHMP2B membrane tubes demonstrates that CHMP2B polymerizes into a tightly packed helical lattice, in close association with the inner leaflet of the membrane tube. This association is tight enough to deform the lipid bilayer in cases where the tubular CHMP2B helix varies in diameter or is closed by domes. Thus, our observation that CHMP2B polymerization scaffolds membranes in vivo represents a first step toward demonstrating its structural role during outward membrane deformation