The 60-amino acid long homeodomain of Antennapedia crosses biological membranes by an energy-independent mechanism, a phenomenon abolished by directed mutagenesis within the polypeptide C-terminal region. This finding led us to study the internalization of several chemically synthesized peptides derived from the third helix of the homeodomain. We report here that a polypeptide of 16 amino acids in length corresponding to the third helix of the homeodomain deleted of its N-terminal glutamate is still capable of translocating through the membrane. A longer peptide of 20 amino acids also translocates, whereas shorter peptides (15 amino acids) are not internalized by the cells. As is also the case for the entire homeodomain, the 20- and 16-amino acid long peptides are internalized at 4 degrees C, suggesting an energy-independent mechanism of translocation not involving classical endocytosis. The two translocated peptides can be recovered, intact, within the cells, strongly suggesting that they are not targeted to the lysosomal compartment. Finally, substitution of two tryptophans by two phenylalanines strongly diminishes translocation, raising the possibility that the internalization of the third helix is not solely based on its general hydrophobicity.

We have recently reported that a 16-amino acid long polypeptide corresponding to the third helix of the DNA binding domain (homeodomain) of Antennapedia, a Drosophila transcription factor, is internalized by cells in culture (Derossi, D., Joliot, A. H., Chassaing, G., and Prochiantz, A. (1994) J. Biol. Chem. 269, 10444-10450). The capture of the homeodomain and of its third helix at temperatures below 10°C raised the problem of the mechanism of internalization. The present demonstration, that a reverse helix and a helix composed of D-enantiomers still translocate across biological membranes at 4 and 37°C strongly suggests that the third helix of the homeodomain is internalized by a receptor-independent mechanism. The finding that introducing 1 or 3 prolines in the structure does not hamper internalization also demonstrates that the α-helical structure is not necessary. The data presented are compatible with a translocation process based on the establishment of direct interactions with the membrane phospholipids. The third helix of the homeodomain has been used successfully to address biologically active substances to the cytoplasm and nucleus of cells in culture (Théodore, L., Derossi, D., Chassaing, G., Llirbat, B., Kubes, M., Jordan, P., Chneiweiss, H., Godement, P., and Prochiantz, A. (1995) J. Neurosci. 15, 7158-7167). Therefore, in addition to their physiological implications (Prochiantz, A., and Théodore, L. (1995) BioEssays 17, 39-45), the present results open the way to the molecular design of cellular vectors.

Abstract

 Internalization of exogenous macromolecules by live cells provides a powerful approach for studying cellular functions. Understanding the mechanism of transfer from the extracellular milieu to the cytoplasm and nucleus could also contribute to the development of new therapeutic approaches. This article summarizes the unexpected properties of penetratins, a class of peptides with translocating properties and capable of carrying hydrophilic compounds across the plasma membrane. This unique system allows direct targeting of oligopeptides and oligonucleotides to the cytoplasm and nucleus, is non-cell-type specific and highly efficient, and therefore has several applications of potential cell-biology and clinical interest.

We synthesized the 60-amino acid polypeptide corresponding to the sequence of the Drosophila antennapedia gene homeobox. This peptide (pAntp) recognized the consensus motif for binding to the promoter region of Hox-1.3. pAntp mechanically introduced into mammalian nerve cells provoked a dramatic morphological differentiation of the neuronal cultures. Moreover, pAntp directly added to already differentiated neuronal cultures penetrated the cells and further augmented their morphological differentiation. Examination of live and fixed neurons in classical and confocal fluorescence microscopy demonstrated that pAntp was captured at all regions of the nerve cells and accumulated in the nuclei. In addition, the effect of pAntp on neurite extension was blocked in the presence of the protein synthesis inhibitor cycloheximide. Thus, our results demonstrate that neurons possess an efficient uptake system for the antennapedia homeobox peptide and suggest that binding of pAntp to consensus motifs present in nerve cell nuclei influences neuronal morphogenetic programs.

Neural circuits are shaped by experience in early postnatal life. Distinct GABAergic connections within visual cortex determine the timing of the critical period for rewiring ocular dominance to establish visual acuity. We find that maturation of the parvalbumin (PV)-cell network that controls plasticity onset is regulated by a selective re-expression of the embryonic Otx2 homeoprotein. Visual experience promoted the accumulation of non-cell-autonomous Otx2 in PV-cells, and cortical infusion of exogenous Otx2 accelerated both PV-cell development and critical period timing. Conversely, conditional removal of Otx2 from non-PV cells or from the visual pathway abolished plasticity. Thus, the experience-dependent transfer of a homeoprotein may establish the physiological milieu for postnatal plasticity of a neural circuit.

Specific transfer of (orthodenticle homeobox 2) Otx2 homeoprotein into GABAergic interneurons expressing parvalbumin (PV) is necessary and sufficient to open, then close, a critical period (CP) of plasticity in the developing mouse visual cortex. The accumulation of endogenous Otx2 in PV cells suggests the presence of specific Otx2 binding sites. Here, we find that perineuronal nets (PNNs) on the surfaces of PV cells permit the specific, constitutive capture of Otx2. We identify a 15 aa domain containing an arginine-lysine doublet (RK peptide) within Otx2, bearing prototypic traits of a glycosaminoglycan (GAG) binding sequence that mediates Otx2 binding to PNNs, and specifically to chondroitin sulfate D and E, with high affinity. Accordingly, PNN hydrolysis by chondroitinase ABC reduces the amount of endogenous Otx2 in PV cells. Direct infusion of RK peptide similarly disrupts endogenous Otx2 localization to PV cells, reduces PV and PNN expression, and reopens plasticity in adult mice. The closure of one eye during this transient window reduces cortical acuity and is specific to the RK motif, as an Alanine-Alanine variant or a scrambled peptide fails to reactivate plasticity. Conversely, this transient reopening of plasticity in the adult restores binocular vision in amblyopic mice. Thus, one function of PNNs is to facilitate the persistent internalization of Otx2 by PV cells to maintain CP closure. The pharmacological use of the Otx2 GAG binding domain offers a novel, potent therapeutic tool with which to restore cortical plasticity in the mature brain.

The amyloid precursor protein (APP) is a type I transmembrane protein of unknown physiological function. Its soluble secreted form (sAPP) shows similarities with growth factors and increases the in vitro proliferation of embryonic neural stem cells. As neurogenesis is an ongoing process in the adult mammalian brain, we have investigated a role for sAPP in adult neurogenesis. We show that the subventricular zone (SVZ) of the lateral ventricle, the largest neurogenic area of the adult brain, is a major sAPP binding site and that binding occurs on progenitor cells expressing the EGF receptor. These EGF-responsive cells can be cultured as neurospheres (NS). In vitro, EGF provokes soluble APP (sAPP) secretion by NS and anti-APP antibodies antagonize the EGF-induced NS proliferation. In vivo, sAPP infusions increase the number of EGF-responsive progenitors through their increased proliferation. Conversely, blocking sAPP secretion or downregulating APP synthesis decreases the proliferation of EGF-responsive cells, which leads to a reduction of the pool of progenitors. These results reveal a new function for sAPP as a regulator of SVZ progenitor proliferation in the adult central nervous system.

Abstract Proliferation and migration during adult neurogenesis are regulated by a microenvironment of signaling molecules originating from local vasculature, from cerebrospinal fluid produced by the choroid plexus, and from local supporting cells including astrocytes. Here, we focus on the function of OTX2 homeoprotein transcription factor in the mouse adult ventricular-subventricular zone (V-SVZ) which generates olfactory bulb neurons. We find that OTX2 secreted by choroid plexus is transferred to supporting cells of the V-SVZ and rostral migratory stream. Deletion of Otx2 in choroid plexus affects neuroblast migration and reduces the number of olfactory bulb newborn neurons. Adult neurogenesis was also decreased by expressing secreted single-chain antibodies to sequester OTX2 in the cerebrospinal fluid, demonstrating the importance of non-cell autonomous OTX2. We show that OTX2 activity modifies extracellular matrix components and signaling molecules produced by supporting astrocytes. Thus, we reveal a multi-level and non-cell autonomous role of a homeoprotein and reinforce the choroid plexus and astrocytes as key niche compartments affecting adult neurogenesis. Significance Statement Cerebrospinal fluid, local vasculature and non-neurogenic astrocytes are niche compartments that provide a microenvironment for regulating adult mouse neurogenesis. We show that OTX2 homeoprotein secreted by choroid plexus into the cerebrospinal fluid is transferred into non-neurogenic astrocytes of the ventricular-subventricular zone and rostral migratory stream where it regulates extracellular matrix and signaling factors. This non-cell-autonomous activity impacts the number of newborn neurons that integrate the olfactory bulb. Thus, we reveal a multi-level role for OTX2 and reinforce the choroid plexus as a key niche compartment affecting adult neurogenesis.

Abstract Elevated amyloid precursor protein (APP) expression in the choroid plexus suggests an important role for extracellular APP metabolites in cerebrospinal fluid. Despite widespread App brain expression, we hypothesized that specifically targeting choroid plexus expression could alter animal physiology. Through various genetic and viral approaches in the adult mouse, we show that choroid plexus APP levels significantly impacted proliferation in both subventricular zone and hippocampus dentate gyrus neurogenic niches. Given the role of Aβ peptides in Alzheimer disease pathogenesis, we also tested whether favoring the production of Aβ in choroid plexus could negatively affect niche functions. After AAV5-mediated long-term expression of human mutated APP specifically in the choroid plexus of adult wild type mice, we observe reduced niche proliferation, behavioral defects in reversal learning, and deficits in hippocampal long-term potentiation. Our findings highlight the unique role played by the choroid plexus in regulating brain function, and suggest that targeting APP in choroid plexus may provide a means to improve hippocampus function and alleviate disease-related burdens.