Dissecting the mechanisms of dynein recruitment to the nuclear envelope during neocortical development

Abstract

The multi-subunit protein cytoplasmic dynein 1 (dynein) is the major retrograde microtubule motor in the cell. Dynein has multiple roles during brain development and human mutations in dynein-related genes lead to severe neurodevelopmental disorders. In the inner proliferative zones of the neocortex, division of neural stem cells depends on dynein recruitment to the nucleus during interkinetic nuclear migration. Moreover, dynein is required for the multipolar-to-bipolar transition of post-mitotic neurons, and subsequent neuronal migration requires dynein transport of both the nucleus and centrosome to form the layered neocortex. The mechanisms for dynein functional diversity in brain development and in general are unclear. In this work, we used in utero electroporation to deliver cDNAs and shRNAs into the developing rat brain. Analysis was performed by fixed and live imaging 4 days post injection. We found that dynein containing the Light Intermediate Chain 1 subunit is required for neural stem cell proliferation, multipolar-to-bipolar transition and glial-guided neuronal migration. We found no role in the previous mechanisms for Light Intermediate Chain 2-containing dynein, but this dynein population was required for terminal somal translocation of neurons, which was unknown to depend on microtubule motors. Further, our in vitro and in vivo evidence demonstrates that Nesprin-2, a resident protein at the nuclear envelope, recruits dynein via its adaptor BicD2, to mediate nuclear transport during glial-guided neuronal migration. Disruption of Nesprin-2 or BicD2 dynein recruitment caused a severe block in migration, as cells were arrested before reaching the cortical plate. Centrosomal movement appeared intact, but nuclear transport was impaired which led to an increase by more than 50 fold in nucleus-centrosome distance. Overall, our data define discrete dynein populations that contribute differentially to brain development. These data also elucidate the mechanisms for nuclear movement during glial-guided neuronal migration and terminal somal translocation. Ultimately, these advances might help to understand the neurodevelopmental pathologies arising from human mutations in dynein related genes.

A dineína citoplasmática-1 (dineína) é um complexo proteico composto por várias subunidades que desempenha a maioria do transporte retrógrado dependente de microtúbulos na célula. A dineína tem múltiplas funções durante o desenvolvimento cerebral, e no humano mutações em genes que codificam proteínas do complexo causam patologias graves associadas ao neurodesenvolvimento. Nas zonas mais internas do neocórtex embrionário, a proliferação de células estaminais neurais depende do recrutamento de dineína para o núcleo, durante a oscilação nuclear característica destas células. Além disso, a dineína é necessária para a transição morfológica de neurónios multipolares para bipolares, e a subsequente migração neuronal para o córtex requer o transporte do núcleo e do centrossoma pela dineína. Globalmente, os mecanismos da diversidade funcional da dineína não são bem entendidos. Neste trabalho, usamos eletroporação in utero para injetar plasmídeos no cérebro de embriões de ratos, que foram analisados por microscopia confocal 4 dias após a cirurgia. Com isto, descobrimos que a dineína que contém a subunidade Light Intermediate Chain 1 é necessária para a proliferação de células estaminais neurais, para a transição de neurónios multipolares para bipolares, e para a migração neuronal. Não encontramos nenhuma função relevante nos mecanismos anteriores para a subunidade Light Intermediate Chain 2, mas esta população de dineína é fundamental para a terminal somal translocation de neurónios, um processo em que se desconhecia o envolvimento de motores de microtúbulos. Encontramos também através de experiências com imunofluorescência em células e co-imunoprecipitações que a Nesprina-2, uma proteína do invólucro nuclear, recruta dineína através do seu adaptador BicD2. Esta cadeia de interações é importante para a migração neuronal, e quando afetada, os neurónios não conseguem entrar para a Placa Cortical, o precursor embrionário do neocórtex. A disrupção da função da Nesprina-2 ou da BicD2 interrompe o movimento nuclear, mas curiosamente não afeta o transporte do centrossoma. Então as células afectadas apresentam uma separação anormal do núcleo em relação ao centrossoma. Em suma, os nossos dados definem populações específicas de dineína que contribuem de diferente forma para o desenvolvimento cerebral, e ajudam a perceber os mecanimos envolvidos na migração neuronal. Isto é importante para ajudar a entender as patologias do neurodesenvolvimento decorrentes de mutações humanas em genes relacionados com a dineína.