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TG2 promotes amyloid beta aggregates: Impact on ER-mitochondria crosstalk, calcium homeostasis and synaptic function in Alzheimer’s disease - 29/04/23

Doi : 10.1016/j.biopha.2023.114596 
Jessica Panes-Fernandez a, b, Pamela A. Godoy a, b, Javiera Gavilan a, b, Oscar Ramírez-Molina a, b, Carlos Felipe Burgos b, Ana Marileo b, Oscar Flores-Núñez a, Patricio A. Castro b, Gustavo Moraga-Cid b, Gonzalo E. Yévenes b, Carola Muñoz-Montesino b, Jorge Fuentealba b, c,
a Laboratorio de Screening de Compuestos Neuroactivos, Departamento de Fisiología, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad de Concepción, Concepción, Chile 
b Departamento de Fisiología, Facultad de Ciencias Biológicas, Universidad de Concepción, Concepción, Chile 
c Centro de Investigaciones Avanzadas en Biomedicina (CIAB-UdeC), Universidad de Concepción, Concepción, Chile 

Correspondence to: Laboratorio de Screening de Compuestos Neuroactivos, Facultad de Ciencias Biológicas, Departamento de Fisiología, Universidad de Concepción, PO Box 160-C, Barrio Universitario s/n, Concepción, Chile.Laboratorio de Screening de Compuestos Neuroactivos, Facultad de Ciencias Biológicas, Departamento de Fisiología, Universidad de ConcepciónPO Box 160-C, Barrio Universitario s/nConcepciónChile

Abstract

Alzheimer's Disease (AD) is a neurodegenerative disorder characterized by cognitive impairment that increasingly affects the elderly. AD’s main features have been related to cellular and molecular events, including the aberrant aggregation of the amyloid beta peptide (Aβ), Ca2+ dyshomeostasis, and increased mitochondria-associated membranes (MAMs). Transglutaminase type 2 (TG2) is a ubiquitous enzyme whose primary role is the Ca2+-dependent proteins transamidation, including the Aβ peptide. TG2 activity has been closely related to cellular damage and death. We detected increased TG2 levels in neuronal cells treated with Aβ oligomers (AβOs) and hippocampal slices from J20 mice using cellular and molecular approaches. In this work, we characterized the capacity of TG2 to interact and promote Aβ toxic aggregates (AβTG2). AβTG2 induced an acute increase in intracellular Ca2+, miniature currents, and hiperexcitability, consistent with an increased mitochondrial Ca2+ overload, IP3R-VDAC tethering, and mitochondria-endoplasmic reticulum contacts (MERCs). AβTG2 also decreased neuronal viability and excitatory postsynaptic currents, reinforcing the idea of synaptic failure associated with MAMs dysregulation mediated by TG2. Z-DON treatment, TG2 inhibitor, reduced calcium overload, mitochondrial membrane potential loss, and synaptic failure, indicating an involvement of TG2 in a toxic cycle which increases Aβ aggregation, Ca2+ overload, and MAMs upregulation. These data provide novel information regarding the role TG2 plays in synaptic function and contribute additional evidence to support the further development of TG2 inhibitors as a disease-modifying strategy for AD.

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Graphical Abstract




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Highlights

Catalytic core of TG2 interacts with Aβ peptide, promoting molecular events associated to toxic Aβ aggreged species.
TG2 is increased in the hippocampus of J20 mice, a transgenic model of Alzheimer’s Disease (AD).
Aβ aggregates induced by TG2 (AβTG2) increase mitochondria-ER communication in neurons.
TG2 induce acute neuronal excitotoxicity and hyperexcitability.
Catalytic core of TG2, could be a new pharmacological target in AD.

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Abbreviations : △ψm, , AβOs, TG2, AD, AP, APP, APP/PS1, ATP, CAA, CAD, Ca2+, CNS, DG, EDTA, ER, IP3R1, Ft, GRP75, HD, Kd, Kg,, mEPSC, MAMs, MERCs, mRNA, MOAB-2, MTT salt, NMDA, NTG, P2X, PDB, PGC-1α, RT, TEM, TG2, ThT, tTG, VDAC1

Keywords : Amyloid-β peptide, Amyloid-β oligomers, Mitochondrial function, Ca2+ homeostasis, transglutaminase type 2, Alzheimer disease


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