Mutations in the gene encoding the microtubule-severing protein spastin (spastic paraplegia 4 [SPG4]) cause hereditary spastic paraplegia (HSP), associated with neurodegeneration, spasticity, and motor impairment. Complicated forms (complicated HSP [cHSP]) further include cognitive deficits and dementia; however, the etiology and dysfunctional mechanisms of cHSP have remained unknown. Here, we report specific working and associative memory deficits upon spastin depletion in mice. Loss of spastin-mediated severing leads to reduced synapse numbers, accompanied by lower miniature excitatory postsynaptic current (mEPSC) frequencies. At the subcellular level, mutant neurons are characterized by longer microtubules with increased tubulin polyglutamylation levels. Notably, these conditions reduce kinesin-microtubule binding, impair the processivity of kinesin family protein (KIF) 5, and reduce the delivery of presynaptic vesicles and postsynaptic α-amino-3-hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropionic acid (AMPA) receptors. Rescue experiments confirm the specificity of these results by showing that wild-type spastin, but not the severing-deficient and disease-associated K388R mutant, normalizes the effects at the synaptic, microtubule, and transport levels. In addition, short hairpin RNA (shRNA)-mediated reduction of tubulin polyglutamylation on spastin knockout background normalizes KIF5 transport deficits and attenuates the loss of excitatory synapses. Our data provide a mechanism that connects spastin dysfunction with the regulation of kinesin-mediated cargo transport, synapse integrity, and cognition.

中文翻译：

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spastin耗竭会增加微管蛋白的多谷氨酰化作用，并削弱驱动蛋白介导的神经元转运，从而导致工作和相关记忆障碍。

编码微管切断蛋白spastin（痉挛性截瘫4 [SPG4]）的基因突变会导致遗传性痉挛性截瘫（HSP），与神经退行性病变，痉挛和运动障碍有关。复杂形式（复杂HSP [cHSP]）还包括认知缺陷和痴呆；然而，cHSP的病因和机能障碍机制仍然未知。在这里，我们报告小鼠spastin耗竭后特定的工作和相关的记忆缺陷。Spastin介导的切断的丧失导致突触数量减少，并伴有较低的微型兴奋性突触后电流（mEPSC）频率。在亚细胞水平，突变型神经元的特征是微管较长，微管蛋白的谷氨酰化水平增加。值得注意的是，这些条件会降低驱动蛋白与微管的结合，损害驱动蛋白家族蛋白（KIF）5的合成能力，并减少突触前囊泡和突触后α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体的传递。抢救实验通过显示野生型spastin（而非严重缺损且与疾病相关的K388R突变体）使突触，微管和转运水平的作用正常化，从而证实了这些结果的特异性。此外，短发夹RNA（shRNA）介导的spastin基因敲除背景上的微管蛋白多谷氨酰化减少可正常化KIF5转运缺陷并减弱兴奋性突触的损失。我们的数据提供了一种机制，将spastin功能障碍与驱动蛋白介导的货物运输，突触完整性和认知的调节联系起来。并减少突触前囊泡和突触后α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体的递送。抢救实验通过显示野生型spastin（而非严重缺损且与疾病相关的K388R突变体）使突触，微管和转运水平的作用正常化，从而证实了这些结果的特异性。此外，短发夹RNA（shRNA）介导的spastin基因敲除背景上的微管蛋白多谷氨酰化减少可正常化KIF5转运缺陷并减弱兴奋性突触的损失。我们的数据提供了一种机制，将spastin功能障碍与驱动蛋白介导的货物运输，突触完整性和认知的调节联系起来。并减少突触前囊泡和突触后α-氨基-3-羟基-5-甲基-4-异恶唑丙酸（AMPA）受体的递送。抢救实验通过显示野生型spastin（而非严重缺损且与疾病相关的K388R突变体）使突触，微管和转运水平的作用正常化，从而证实了这些结果的特异性。此外，短发夹RNA（shRNA）介导的spastin基因敲除背景上的微管蛋白多谷氨酰化减少可正常化KIF5转运缺陷并减轻兴奋性突触的损失。我们的数据提供了一种机制，将spastin功能障碍与驱动蛋白介导的货物运输，突触完整性和认知能力的调节联系起来。抢救实验通过显示野生型spastin（而非严重缺损且与疾病相关的K388R突变体）使突触，微管和转运水平的作用正常化，从而证实了这些结果的特异性。此外，短发夹RNA（shRNA）介导的spastin基因敲除背景上的微管蛋白多谷氨酰化减少可正常化KIF5转运缺陷并减弱兴奋性突触的损失。我们的数据提供了一种机制，将spastin功能障碍与驱动蛋白介导的货物运输，突触完整性和认知的调节联系起来。抢救实验通过显示野生型spastin（而非严重缺损且与疾病相关的K388R突变体）使突触，微管和转运水平的作用正常化，从而证实了这些结果的特异性。此外，短发夹RNA（shRNA）介导的spastin基因敲除背景上的微管蛋白多谷氨酰化减少可正常化KIF5转运缺陷并减弱兴奋性突触的损失。我们的数据提供了一种机制，将spastin功能障碍与驱动蛋白介导的货物运输，突触完整性和认知的调节联系起来。短发夹RNA（shRNA）介导的spastin基因敲除背景上的微管蛋白多谷氨酰化减少可正常化KIF5转运缺陷并减轻兴奋性突触的损失。我们的数据提供了一种机制，将spastin功能障碍与驱动蛋白介导的货物运输，突触完整性和认知能力的调节联系起来。短发夹RNA（shRNA）介导的spastin基因敲除背景上的微管蛋白多谷氨酰化减少可正常化KIF5转运缺陷并减轻兴奋性突触的损失。我们的数据提供了一种机制，将spastin功能障碍与驱动蛋白介导的货物运输，突触完整性和认知的调节联系起来。