Plasticity-related gene 5 induces spine formation in immature primary neurons

Abstract

Die PRG-Familie, eine Gruppe von fünf Membranproteinen, wurde als wirbeltierspezifisch definiert und ist hauptsächlich im Gehirngewebe exprimiert. Ihre biologische Funktion beinhaltet die Erweiterung der Neuriten, die axonale Wegfindung und die Reorganisation nach einer Läsion. Insbesondere die Deletion von PRG-1 führt zu einer starken Übererregbarkeit des Hippocampus, während die Überexpression von PRG-3 in HeLa-und COS7-Zellen die Anzahl der physiologischen Filopodien erhöht. Im zentralen Nervensystem ist die PRG-1-Expression auf die postsynaptischen Dendriten von glutamatergen Neuronen beschränkt. In dieser Studie möchte ich zunächst meine Aufmerksamkeit auf den vorgelagerten Bereich von Maus und Human PRG-1 fokussieren. Die PRG-1-Expression steht unter der Kontrolle eines TATA-less Promoters mit mehreren Stellen für den Transkriptionsstart. Der Promoter von PRG-1 wurde innerhalb von 450 bp identifiziert, da eine ca. 40 fache Steigerung der Transkription in kultivierten primären Ratten-Neuronen im Vergleich zu den Kontrollen festzustellen ist. Danach habe ich das letzte Mitglied der PRG- Familie, plasticity-related gene-5 (PRG-5) charakterisiert, das in der Lage ist, verschiedene spine-Strukturen in jungen primären Neuronen zu induzieren. Die Form des dendritischen Dornfortsatzes des Neurons bestimmt die Menge von Axonen, mit denen er synaptische Kontakte bilden kann, auf diese Weise Konnektivität innerhalb der neuronalen Schaltkreise herstellend. Die dynamische Zytoskelett-Umgestaltung ist ein wesentlicher Schritt in diesem Prozess. Mögliche extrazelluläre Signale können durch Membranproteine wirken, die Signale zu einem Netzwerk von intrazellulären Signalwegen weitergeben, die letztlich auf das Zytoskelett konvergieren. Allerdings wurden die molekularen Mechanismen, die an diesen Schritten beteiligt sind, noch nicht gut erforscht. PRG-5, das neue Multi-Spanning Membranprotein, lokalisiert und fördert die spine-Induktion in jungen primären Neuronen. Die Aminosäuren innerhalb der C1-C3 Domains sind für die spine-Induktion von Mäusen bei DIV2 und DIV4 verantwortlich. In der Tat zeigen Mutagenese-Experimente in PRG-5 Rückstände von Aminosäuren, die wichtig für die spine-Induktion sind. Unsere Daten zeigen, dass PRG-5 an der spine-Induktion in primären Neuronen beteiligt ist und damit den Umbau der Plasmamembran moduliert.

The PRG family, a set of five trans-membrane proteins, were shown to be vertebrate specific and mainly expressed in brain tissue. Their actions include neurite extension, axonal path finding and reorganization after lesion. In particular, deletion of PRG-1 results in severe hippocampal overexcitability, while overexpression of PRG-3 in HeLa and COS7 cells increases the physiological number of filopodia. In the central nervous system, PRG-1 expression is restricted to postsynaptic dendrites on glutamatergic neurons. In this study, first of all I shortly focus my attention in the upstream region of mouse and human PRG-1; PRG-1 expression is under the control of a TATA-less promoter with multiple transcription start sites. The promoter architecture of PRG-1 resulted in the identification of 450 bp, mediating approximately 40 fold enhancement of transcription in cultured primary rat neurons, compared to controls. Afterwards, I characterized the last member of PRG family, plasticity-related gene-5 (PRG-5) which is able to induce spine-like structure in young primary neurons. The shape of a neuron’s dendritic arbour determines the set of axons with which it may form synaptic contacts, thus establishing connectivity within neural circuits. Dynamic cytoskeleton remodelling is an essential step during this process. Putative extracellular cues may act through membrane proteins that relay signals to a network of intracellular signalling pathways, which ultimately converge on the cytoskeleton. However, the molecular mechanisms involved in these steps are not well understood. The novel member of the vertebrate- and brain-specific PRG family, plasticity-related gene 5 (PRG-5), a multi-spanning membrane protein, localizes to and promotes the induction of spines in young primary neurons. A set of amino acid within the C1 – C3 domains are responsible for spine formation in primary neurons at DIV 2 and DIV 4. In fact, mutagenesis experiments in PRG-5 show residual amino acid that are important for the induction of spines. Our data show that PRG-5 may be involved in spine induction in primary neurons and thereby modulate plasma membrane rearrangement.