Protein interaction of the Survival of Motoneuron (SMN) protein: regulation and functional impact in Spinal Muscular Atrophy (SMA)

Titz, Natalie

Dissertation 2025 CC BY 4.0

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Protein interaction of the Survival of Motoneuron (SMN) protein : regulation and functional impact in Spinal Muscular Atrophy (SMA)

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Die Spinale Muskelatrophie (SMA) ist eine autosomal und monogenetisch vererbbare neurodegenerative Erkrankung. SMA ist durch eine fortschreitende Degeneration von alpha-Motorneuronen im Vorderhorn des Rückenmarks und im Hirnstamm gekennzeichnet. Die Krankheit wird durch Mutationen oder Deletionen im Gen des survival of motor neuron 1 (SMN1) verursacht, welche zu einem verminderten SMN-Proteinspiegel führen. Da SMN ubiquitär exprimiert wird, wirkt sich der Verlust nicht nur auf Motoneurone und Muskeln aus, sondern auch auf andere periphere Organe. Bemerkenswerterweise stehen inzwischen drei Therapien zur Verfügung, die alle auf eine Erhöhung des SMN-Proteinspiegels abzielen. Alle Therapien verbessern oder mildern den SMA-Phänotyp und damit die Lebenserwartung der Patienten. Die Wiederherstellung von SMN kann die Krankheit jedoch nicht heilen, da einige pathologische Veränderungen bei der Behandlung bereits ein irreversibles Stadium erreicht haben können. Die Patienten leiden zudem an SMN-unabhängigen Pathologien, die nicht gut verstanden sind. SMA-Patienten weisen multi-systemische Fehlfunktionen peripherer Organe auf, die zu Stoffwechselstörungen beitragen. Die molekularen Mechanismen, die diese Stoffwechselstörungen direkt mit dem Verlust von SMN in Verbindung bringen, sind jedoch nur unzureichend bekannt. Neuere Erkenntnisse deuten auf eine neue Rolle von SMN im Stoffwechsel hin. Ziel dieser Arbeit ist es, die mit SMA verbundene Stoffwechselstörungen auf molekularer Ebene aufzuklären. Im ersten Kapitel (Manuskript I) haben wir neue Proteininteraktionen von SMN mit glykolytischen Enzymen, insbesondere der Hexokinase (HK) und der Phosphofructokinase (PFK), charakterisiert. Wir konnten zeigen, dass SMN in murinen und humanen Zellen direkt mit endogener HKII und PFKP interagiert. PFKP und HKII co-lokalisierten mit SMN und F-Aktin. Darüber hinaus belegen unsere Ergebnisse eine direkte Rolle von SMN im Stoffwechsel, da der Verlust von SMN in einem zellulären SMA-Modell zu einer verringerten PFK-Aktivität führt. Im zweiten Kapitel (Manuskript II) untersuchten wir Veränderungen der Connexin-Expression auf der Transkript-Ebene in einem zellulären SMA-Modell und im Skelettmuskelgewebe eines schweren SMA-Mausmodells. Diese Studie zeigt die Relevanz dieser zellulären Kanäle auf, die mehrere Organfunktionen regulieren. Wir konnten zeigen, dass das Expressionsmuster der Connexine bei SMA in frühen Entwicklungsstadien verändert ist, was ihre potentielle Rolle in der SMA-Pathologie verschiedener Organe unterstreicht. Zusammenfassend bietet diese Thesis neue Einblicke in mechanistische Wege, die zu metabolischen Veränderungen bei SMA beitragen, und unterstützt damit die Klassifizierung von SMA als Stoffwechselerkrankung. Diese Erkenntnisse bieten neue Einblicke in die Pathologie der SMA und erleichtern die Entwicklung gezielter therapeutischer Ansätze.

Spinal Muscular Atrophy (SMA) is a neurodegenerative, monogenic, and autosomal disease. SMA is characterized by progressive degeneration of alpha motor neurons in the anterior horn of the spinal cord and the brainstem. The disease is caused by mutations or deletions in the survival of motor neuron 1 (SMN1) gene, resulting in decreased SMN protein levels. Due to the ubiquitous expression of SMN, the loss causes not only motor neuron degeneration and muscle wasting but also affects peripheral organs. Remarkably, three therapies are now available that focus on increasing the SMN protein level, thereby improving the SMA phenotype and prolonging the lifespan of patients. However, SMN restoration cannot cure the disease, as some processes may have already reached an irreversible stage upon treatment. Patients suffer from SMN-independent pathologies, that are not well understood yet. Patients display multi-systemic malfunctions of peripheral organs, that contribute to metabolic dysfunctions. However, the molecular mechanisms linking these metabolic alterations directly to the loss of SMN are poorly characterized. Recent findings suggest a new role of SMN in metabolism. This thesis aims to elucidate the metabolic dysregulation associated with SMA on its molecular level. In the first chapter (Manuscript I) we characterized novel protein interactions of SMN with glycolytic enzymes, specifically Hexokinase (HK) and Phosphofructokinase (PFK). We demonstrated that SMN directly interacts with endogenous HKII and PFKP in murine and human cells. We showed that both PFKP and HK co-localize with SMN as well as F-actin. Furthermore, our findings established a direct role of SMN in metabolism, as the loss of SMN results in decreased PFK activity in a cellular SMA model. In the second chapter (Manuscript II),we investigated alterations in connexin expression at the transcriptional level in a cellular SMA model and skeletal muscle tissue of a severe SMA mouse model. This study unravels the knowledge gap about cellular channels regulating multiple organ functionalities. We showed that connexin expression pattern is altered in SMA at early developmental stages, highlighting their potential role in SMA pathology. In summary, this thesis provides insights into novel mechanistic means that contribute to metabolic aberrations in SMA, thus supporting the labeling of SMA as a metabolic disorder. These findings provide new insights into SMA pathology and can be beneficial regarding the development of targeted therapeutic approaches.