Drosophila melanogaster (fruits fly) is a representative model system widely used in biological studies because its brain function and basic cellular processes are similar to human beings. The whole head of the fly is often used to obtain the key function in brain-related diseases like degenerative brain diseases; however the biomolecular distribution of the head may be slightly different from that of a brain. Herein, lipid profiles of the head and dissected brain samples of Drosophila were studied using electrospray ionization-mass spectrometry (ESI-MS). According to the sample types, the detection of phospholipid ions was suppressed by triacylglycerol (TAG), or the specific phospholipid signals that are absent in the mass spectrum were measured. The lipid distribution was found to be different in the wild-type and the microRNA-14 deficiency model ($miR-14{\Delta}^1$) with abnormal lipid metabolism. A few phospholipids were also profiled by comparison of the head and the brain in two fly model systems. The mass spectra showed that the phospholipid distributions in the $miR-14{\Delta}^1$ model and the wild-type were different, and principal component analysis revealed a correlation between some phospholipids (phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylinositol (PI), and phosphatidylserine (PS)) in $miR-14{\Delta}^1$. The overall results suggested that brain-related lipids should be profiled using fly samples after dissection for more accurate analysis.
The circadian clock system enables organisms to anticipate the rhythmic environmental changes and to manifest behavior and physiology at advantageous times of the day. Transcriptional/translational feedback loop (TTFL) is the basic feature of the eukaryotic circadian clock and is based on the rhythmic association of circadian transcriptional activator and repressor. In Drosophila, repression of dCLOCK/CYCLE (dCLK/CYC) mediated transcription by PERIOD (PER) is critical for inducing circadian rhythms of gene expression. Pacemaker neurons in the brain control specific circadian behaviors upon environmental timing cues such as light and temperature cycle. We show that amino acids 657-707 of dCLK are important for the transcriptional activation and the association with PER both in vitro and in vivo. Flies expressing dCLK lacking AA657-707 in $Clk^{out}$ genetic background, homologous to the mouse Clock allele where exon 19 region is deleted, display pacemaker-neuron-dependent perturbation of the molecular clockwork. The molecular rhythms in light-cycle-sensitive pacemaker neurons such as ventral lateral neurons ($LN_vs$) were significantly disrupted, but those in temperature-cycle-sensitive pacemaker neurons such as dorsal neurons (DNs) were robust. Our results suggest that the dCLK-controlled TTFL diversify in a pacemaker-neuron-dependent manner which may contribute to specific functions such as different sensitivities to entraining cues.
Glial cells play important roles during neurogenesis and in maintaining complex functions of the nervous system. Here, we report the characterization of a gene, Sdr, which contains a putative insulin-like growth factor receptor domain and is required to maintain critical nervous system functions in Drosophila. Sdr is expressed in glial cells during embryonic and larval stages of development, but its role in adult flies is poorly understood. As insulin signaling is important throughout the lifespan in human, we investigated the Sdr's role in adult flies. Our results demonstrate that Sdr is expressed on surface glial cells that surround the nervous system. Mutation of Sdr did not affect development but caused defects in locomotion and lifespan. Sdr mutants also showed increasingly severe defects in the blood-brain- and blood-retina-barriers as they aged. Therefore, we suggest a novel role of Sdr in maintaining the integrity of the blood-brain- and blood-retina-barriers in adult flies.
Fasciclin II (FasII), the Drosophila ortholog of neural cell adhesion molecule (NCAM), plays a critical role in synaptic stabilization and plasticity. Although this molecule undergoes constitutive cycling at the synaptic membrane, how its membrane trafficking is regulated to ensure proper synaptic development remains poorly understood. In a genetic screen, we recovered a mutation in Drosophila mical-like that displays an increase in bouton numbers and a decrease in FasII levels at the neuromuscular junction (NMJ). Similar phenotypes were induced by presynaptic, but not postsynaptic, knockdown of mical-like expression. FasII trafficking assays revealed that the recycling of internalized FasII molecules to the cell surface was significantly impaired in mical-like-knockdown cells. Importantly, this defect correlated with an enhancement of endosomal sorting of FasII to the lysosomal degradation pathway. Similarly, synaptic vesicle exocytosis was also impaired in mical-like mutants. Together, our results identify Mical-like as a novel regulator of synaptic growth and FasII endocytic recycling.
Altered dendritic morphology is frequently observed in various neurological disorders including amyotrophic lateral sclerosis (ALS) and frontotemporal dementia (FTD), but the cellular and molecular basis underlying these pathogenic dendritic abnormalities remains largely unclear. In this study, we investigated dendritic morphological defects caused by dipeptide repeat protein (DPR) toxicity associated with G4C2 expansion mutation of C9orf72 (the leading genetic cause of ALS and FTD) in Drosophila neurons and characterized the underlying pathogenic mechanisms. Among the five DPRs produced by repeat-associated non-ATG translation of G4C2 repeats, we found that arginine-rich DPRs (PR and GR) led to the most significant reduction in dendritic branches and plasma membrane (PM) supply in Class IV dendritic arborization (C4 da) neurons. Furthermore, expression of PR and GR reduced the number of Golgi outposts (GOPs) in dendrites. In Drosophila brains, expression of PR, but not GR, led to a significant reduction in the mRNA level of CrebA, a transcription factor regulating the formation of GOPs. Overexpressing CrebA in PR-expressing C4 da neurons mitigated PM supply defects and restored the number of GOPs, but the number of dendritic branches remained unchanged, suggesting that other molecules besides CrebA may be involved in dendritic branching. Taken together, our results provide valuable insight into the understanding of dendritic pathology associated with C9-ALS/FTD.
Cho, Jae Ho;Jo, Min Gu;Kim, Eun Seon;Lee, Na Yoon;Kim, Soon Ha;Chung, Chang Geon;Park, Jeong Hyang;Lee, Sung Bae
Molecules and Cells
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v.45
no.11
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pp.855-867
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2022
For proper function of proteins, their subcellular localization needs to be monitored and regulated in response to the changes in cellular demands. In this regard, dysregulation in the nucleocytoplasmic transport (NCT) of proteins is closely associated with the pathogenesis of various neurodegenerative diseases. However, it remains unclear whether there exists an intrinsic regulatory pathway(s) that controls NCT of proteins either in a commonly shared manner or in a target-selectively different manner. To dissect between these possibilities, in the current study, we investigated the molecular mechanism regulating NCT of truncated ataxin-3 (ATXN3) proteins of which genetic mutation leads to a type of polyglutamine (polyQ) diseases, in comparison with that of TDP-43. In Drosophila dendritic arborization (da) neurons, we observed dynamic changes in the subcellular localization of truncated ATXN3 proteins between the nucleus and the cytosol during development. Moreover, ectopic neuronal toxicity was induced by truncated ATXN3 proteins upon their nuclear accumulation. Consistent with a previous study showing intracellular calcium-dependent NCT of TDP-43, NCT of ATXN3 was also regulated by intracellular calcium level and involves Importin α3 (Imp α3). Interestingly, NCT of ATXN3, but not TDP-43, was primarily mediated by CBP. We further showed that acetyltransferase activity of CBP is important for NCT of ATXN3, which may acetylate Imp α3 to regulate NCT of ATXN3. These findings demonstrate that CBP-dependent acetylation of Imp α3 is crucial for intracellular calcium-dependent NCT of ATXN3 proteins, different from that of TDP-43, in Drosophila neurons.
Davin Lee;Hae Chan Jeong;Seung Yeol Kim;Jin Yong Chung;Seok Hwan Cho;Kyoung Ah Kim;Jae Ho Cho;Byung Su Ko;In Jun Cha;Chang Geon Chung;Eun Seon Kim;Sung Bae Lee
Molecules and Cells
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v.47
no.1
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pp.100005.1-100005.15
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2024
Amyotrophic lateral sclerosis is a devastating neurodegenerative disease with a complex genetic basis, presenting both in familial and sporadic forms. The hexanucleotide (G4C2) repeat expansion in the C9orf72 gene, which triggers distinct pathogenic mechanisms, has been identified as a major contributor to familial and sporadic Amyotrophic lateral sclerosis cases. Animal models have proven pivotal in understanding these mechanisms; however, discrepancies between models due to variable transgene sequence, expression levels, and toxicity profiles complicate the translation of findings. Herein, we provide a systematic comparison of 7 publicly available Drosophila transgenes modeling the G4C2 expansion under uniform conditions, evaluating variations in their toxicity profiles. Further, we tested 3 previously characterized disease-modifying drugs in selected lines to uncover discrepancies among the tested strains. Our study not only deepens our understanding of the C9orf72 G4C2 mutations but also presents a framework for comparing constructs with minute structural differences. This work may be used to inform experimental designs to better model disease mechanisms and help guide the development of targeted interventions for neurodegenerative diseases, thus bridging the gap between model-based research and therapeutic application.
Cha, In Jun;Lee, Davin;Park, Sung Soon;Chung, Chang Geon;Kim, Seung Yeon;Jo, Min Gu;Kim, Seung Yeol;Lee, Byung-Hoon;Lee, Young-Sam;Lee, Sung Bae
Molecules and Cells
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v.43
no.10
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pp.870-879
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2020
Dendrites require precise and timely delivery of protein substrates to distal areas to ensure the correct morphology and function of neurons. Many of these protein substrates are supplied in the form of ribonucleoprotein (RNP) complex consisting of RNA-binding proteins (RBPs) and mRNAs, which are subsequently translated in distal dendritic areas. It remains elusive, however, whether key RBPs supply mRNA according to local demands individually or in a coordinated manner. In this study, we investigated how Drosophila sensory neurons respond to the dysregulation of a disease-associated RBP, Ataxin-2 (ATX2), which leads to dendritic defects. We found that ATX2 plays a crucial role in spacing dendritic branches for the optimal dendritic receptive fields in Drosophila class IV dendritic arborization (C4da) neurons, where both expression level and subcellular location of ATX2 contribute significantly to this effect. We showed that translational upregulation through the expression of eukaryotic translation initiation factor 4E (eIF4E) further enhanced the ATX2-induced dendritic phenotypes. Additionally, we found that the expression level of another disease-associated RBP, fragile X mental retardation protein (FMRP), decreased in both cell bodies and dendrites when neurons were faced with aberrant upregulation of ATX2. Finally, we revealed that the PAM2 motif of ATX2, which mediates its interaction with poly(A)-binding protein (PABP), is potentially necessary for the decrease of FMRP in certain neuronal stress conditions. Collectively, our data suggest that dysregulation of RBPs triggers a compensatory regulation of other functionally-overlapping RBPs to minimize RBP dysregulation-associated aberrations that hinder neuronal homeostasis in dendrites.
The late pupal stage of Drosophila melanogaster occurs immediately before the completion of retinal development, during which the rhabdomere rapidly forms. In this period, the photoreceptor cells were fixed and dehydrated using a high-pressure freezer (HPF) and freeze substitution (FS) technique, which is the most effective in preserving the cell structures, and observed using high-voltage electron microscopy (HVEM) at 1000 KV. The rhabdomere was classified structurally into three types of formation patterns using stereo-tiling image of thick sections. Initially, hexagonal arrays of rhabdomere existed in different angles. In addition, small pieces of rhabdomere could be observed in the cytoplasm of the photoreceptor rolls, which were visible during the profess of rhabdomere formation. In addition, multiple layers of rhabdomere strings were observed. We observed there are at least three types of vesicles related to rhabdomere formation in photoreceptor cells. In addition, it was found that these vesicles initiate the formation of the rhabdomeres during the pupal stage. Collectively, these data suggest that rhabdomeres were mainly formed through vesicles, and that parts of the rhabdomere formed first and then gathered and formed rhabdomeres in the late pupal stage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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