Impact of ER morphological alterations due to Hereditary Spastic Paraplegia mutants on Ca2+ homeostasis

In eukaryotic cells, the endoplasmic reticulum (ER) extends as a network of interconnected tubules and sheet-like structures. ER tubules dynamically change their morphology and position within the cell in response to physiological stimuli and these network rearrangements depend on the microtubule (MT) cytoskeleton. Store-operated calcium entry (SOCE) relies on the repositioning of ER tubules to form specific ER-plasma membrane junctions. Indeed, the tips of polymerizing MTs are supposed to provide the anchor for ER tubules to move toward the plasma membrane. However, the precise role of ER and MT cytoskeleton during SOCE has not been conclusively clarified. Here I exploit an in vivo genetic approach to alter ER morphology in the nervous system, using Drosophila melanogaster as a model organism. ER shape has been altered directly, by downregulating Rtnl1, the protein responsible for ER tubules formation and maintenance, or indirectly, manipulating MT dynamics, by expressing a dominant-negative variant of the MT-severing protein spastin. I show that MT hyper-stabilization alters ER morphology, favoring an enrichment in ER sheets at the expense of tubules. Stabilizing MTs has a negative impact on the process of SOCE and results in a reduced ER calcium (Ca2+) content, affecting the flight ability of the flies. Restoring proper MT organization by administering the MT-destabilizing drug vinblastine, chronically or acutely, rescues ER morphology, SOCE and flight ability. Similarly, upon downregulation of Rtnl1, ER sheets proliferate. Moreover, SOCE is impaired and flight ability decreases. These results suggest that ER shape alteration, in particular the enrichment in cisternal components at the expenses of tubules, is the primary cause of Ca2+ entry reduction.

Il reticolo endoplasmatico (RE) si estende nelle cellule eucariotiche in una rete di cisterne e strutture tubulari. I tubuli del RE cambiano dinamicamente la loro struttura e posizione all’interno della cellula in risposta a stimoli fisiologici; questo riarrangiamento avviene grazie al citoscheletro, composto dai microtubuli (MT). Affinché l’ingresso di calcio nella cellula attivato in seguito allo svuotamento delle riserve intracellulari (SOCE) avvenga, i tubuli del RE devono essere posizionati in stretta prossimità con la membrana plasmatica (MP) per formare delle giunzioni RE-MP. Si suppone che la punta dei MT in formazione interagisca con il tubulo crescente di RE guidandolo verso la MP. Il ruolo preciso del citoscheletro durante il SOCE, tuttavia, non è ancora completamente chiarito. In questo lavoro utilizzo Drosophila melanogaster come organismo modello per alterare, in vivo, la morfologia del RE nel sistema nervoso. La morfologia del RE viene alterata direttamente down-regolando la proteina Rtnl1, responsabile per la formazione ed il mantenimento dei tubuli del RE; o indirettamente, manipolando la dinamica dei MT esprimendo nei neuroni di drosofila la mutazione dominante negativa di spastina, una proteina la cui funzione è il taglio dei MT. Nel lavoro dimostro che la iper-stabilizzazione dei MT altera la morfologia del RE favorendo la componente composta da cisterne alle spese della componente tubulare. Questa stabilizzazione dei MT ha un impatto negativo nel processo del SOCE, causando una riduzione della quantità di calcio intracellulare, che va a diminuire la capacità di volare delle drosofile. Il ripristino dell’organizzazione ottimale dei MT, tramite somministrazione cronica o acuta di vinblastina, un farmaco che destabilizza i MT, recupera la morfologia del RE, il SOCE e la capacità di volare. Similarmente, down-regolando Rtnl1 la componente di cisterne del RE prolifera, il SOCE è alterato e la capacità nel volo diminuisce. Questi risultati suggeriscono che l’alterazione nella morfologia del RE, in particolare l’arricchimento della componente di cisterne alle spese della componente tubulare, è la causa primaria della riduzione del SOCE.