Dysregulation of protein synthesis is known to be involved in many neurodegenerative diseases, and Spinal Muscular Atrophy (SMA) is no exception. Deficient levels of Survival Motor Neuron protein (SMN) were observed to lead to defective translation in primary motor and cortical neurons, and at an early stage of disease in the brain of Taiwanese model of SMA. Furthermore, we demonstrated that SMN is a Ribosome Associated Protein (RAP), and that SMN-primed ribosomes direct the translation of transcripts characterized by specific features. In this work, we wanted to clarify whether translation has a central role in SMA pathogenesis taking advantage of multiple tissues, stages and models. Then, we aimed at identifying other proteins SMN cooperates with to regulate translation. We first performed polysomal profiling and we computed the fraction of ribosome in polysomes in brain, spinal cord and liver, at pre, early and late stage of disease in the Taiwanese, Δ7 and 2b mouse models of SMA, finding a remarkable decrease of this parameter across these multiple conditions. Next, we performed ribosome profiling and identified a set of genes with altered ribosome occupancy in all the conditions. By functional enrichment analysis we detected the presence of commonly affected organelles and cellular compartments across the different stages, tissues and models, demonstrating that translation plays a crucial role in SMA pathogenesis in all the conditions considered in our multi-dimensional analyses. Secondly, to identify putative direct SMN interactors on ribosomes we intersected proteomics datasets obtained from SMN-primed ribosome immunoprecipitation, biotin ligation assay and limited proteolysis, identifying eIF3e. We confirmed the association of SMN and eIF3e to ribosomes and ribosomal subunits in multiple control tissues and the loss of their association in SMA, suggesting that decreased levels of SMN lead to a corresponding alteration in the co-sedimentation profile of eIF3e with ribosomes. These results highlight the existence of a functional interplay between SMN and eIF3e on ribosomes, strengthening our hypothesis that SMN plays a crucial role in translation regulation.

Indagine dei difetti traduzionali in modelli di SMA È noto che la deregolazione della sintesi proteica è coinvolta in molte malattie neurodegenerative. L'Atrofia Muscolare Spinale (SMA) non fa eccezione. È stato osservato che una carenza di proteina Survival Motor Neuron (SMN) portana a una traduzione difettosa nei neuroni motori e corticali e nel cervello del modello taiwanese di SMA in una fase iniziale della malattia. Inoltre, abbiamo dimostrato che SMN è una proteina associata al ribosoma (RAP) e che i ribosomi legati da SMN dirigono la traduzione di trascritti caratterizzati da particolari caratteristiche. In questo lavoro, abbiamo voluto chiarire se la traduzione ha un ruolo centrale nella patogenesi della SMA sfruttando molteplici tessuti, stadi e modelli. Quindi, abbiamo cercato di identificare altre proteine con cui SMN collabora per regolare la traduzione. Abbiamo eseguito polysome profiling e abbiamo calcolato la frazione di ribosomi associata ai polisomi nel cervello, nel midollo spinale e nel fegato, a diversi stadi della malattia (pre-sintomatico, sintomatico, stadio avanzato) nei modelli murini taiwanesi, Δ7 e 2b di SMA, trovando una notevole diminuzione di questo parametro attraverso queste molteplici condizioni. Successivamente, abbiamo eseguito ribosome profiling e identificato un insieme di geni con alterata ribosome occupancy in tutte le condizioni. Mediante l'analisi dell'arricchimento funzionale abbiamo rilevato la presenza di organelli e compartimenti cellulari comunemente colpiti attraverso i diversi stadi, tessuti e modelli, dimostrando che la traduzione gioca un ruolo cruciale nella patogenesi della SMA in tutte le condizioni considerate nelle nostre analisi multidimensionali. In secondo luogo, per identificare i presunti interattori SMN sui ribosomi, abbiamo intersecato i set di dati di proteomica ottenuti dall'immunoprecipitazione dei ribosomi legati da SMN, dal biotin ligation assay e dalla limited proteolysis, identificando eIF3e. Abbiamo confermato l'associazione di SMN ed eIF3e ai ribosomi e alle subunità ribosomiali in più tessuti di controllo e abbiamo dimostrato la perdita della loro associazione nella SMA. Questi dati suggeriscono che livelli ridotti di SMN portano a una corrispondente alterazione nel profilo di co-sedimentazione di eIF3e con i ribosomi. Questi risultati evidenziano l'esistenza di un'interazione funzionale tra SMN ed eIF3e sui ribosomi, rafforzando la nostra ipotesi che SMN svolga un ruolo cruciale nella regolazione della traduzione.

Lefebvre S, et al. Identification and characterization of a spinal muscular atrophy-determining gene. Cell. 1995 Bernabò P, et al. In Vivo Translatome Profiling in Spinal Muscular Atrophy Reveals a Role for SMN Protein in Ribosome Biology. Cell Rep. 2017 Lauria F, et al. SMN-primed ribosomes modulate the translation of transcripts related to spinal muscular atrophy. Nat Cell Biol. 2020 Lin Y, et al. eIF3 Associates with 80S Ribosomes to Promote Translation Elongation, Mitochondrial Homeostasis, and Muscle Health. Mol Cell. 2020

Spinal Muscular Atrophy

Atrofia Muscolare Spinale