Lopez-Manzaneda M, Franco-Espin J, Tejero R, Cano R, Tabares L. Calcium is reduced in presynaptic mitochondria of motor nerve terminals during neurotransmission in SMA mice. Hum Mol Genet. 2021 May 17;30(8):629-643. doi: 10.1093/hmg/ddab065. PMID: 33693569; PMCID: PMC8127408.

Resumen:

La atrofia muscular espinal (AME) es una enfermedad degenerativa autosómica recesiva de la neurona motora que se caracteriza por debilidad muscular simétrica y atrofia de los músculos de las extremidades y el tronco, siendo la enfermedad genética más grave en niños. En los modelos de ratón con AME, las terminales nerviosas motoras muestran una reducción de la liberación de neurotransmisores, una disminución de la endocitosis y alteraciones mitocondriales. Sin embargo, la relación entre estos cambios no se entiende bien. En el presente estudio, investigamos si el deterioro de la endocitosis podría estar relacionado con la alteración funcional de las mitocondrias presinápticas durante la activación del potencial de acción (PA). Con este objetivo, generamos un ratón transgénico Synaptophysin-pHluorin (SypHy), lo cruzamos con ratones taiwaneses con AME y registramos la exo- y endocitosis y la señalización de Ca2+ mitocondrial en tiempo real en las terminales nerviosas motoras ex vivo de ratones taiwaneses con SypHy. Los experimentos se realizaron al comienzo de los síntomas motores para obtener una visión integrada del estado funcional de la terminal nerviosa antes de la degeneración. Nuestros resultados electrofisiológicos y de imágenes en vivo demostraron que la capacidad de las mitocondrias para aumentar el Ca2+ libre de matriz en ratones con AME estaba significativamente limitada durante la activación de los PA nerviosos, excepto cuando la tasa de entrada de Ca2+ al citosol se reducía considerablemente. Estos resultados indican que tanto las alteraciones de la señalización de Ca2+ mitocondrial como los defectos de la maquinaria de secreción son factores importantes en la disfunción de la terminal presináptica en la AME.

Abstract:

Spinal muscular atrophy (SMA) is an autosomal recessive degenerative motor neuron disease characterized by symmetrical muscle weakness and atrophy of limb and trunk muscles being the most severe genetic disease in children. In SMA mouse models, motor nerve terminals display neurotransmitter release reduction, endocytosis decrease and mitochondria alterations. The relationship between these changes is, however, not well understood. In the present study, we investigated whether the endocytosis impairment could be related to the functional alteration of the presynaptic mitochondria during action potential (AP) firing. To this aim, we generated a Synaptophysin-pHluorin (SypHy) transgenic mouse, crossed it with Taiwanese SMA mice, and recorded exo- and endocytosis and mitochondria Ca2+ signaling in real-time at ex vivo motor nerve terminals of Taiwanese-SypHy mice. The experiments were performed at the beginning of the motor symptoms to get an integrated view of the nerve terminal’s functional state before degeneration. Our electrophysiological and live imaging results demonstrated that the mitochondria’s capacity to increase matrix-free Ca2+ in SMA mice was significantly limited during nerve AP firing, except when the rate of Ca2+ entry to the cytosol was considerably reduced. These results indicate that both the mitochondrial Ca2+ signaling alterations and the secretion machinery defects are significant players in the dysfunction of the presynaptic terminal in SMA.