Strukturelle und funktionelle Untersuchungen zum neuralen EGF-Familienmitglied CALEB/NGC

Abstract

In den hier vorgestellten Studien wird gezeigt, dass das neurale EGF- Familienmitglied CALEB/NGC sowohl in Einzellzellkultur als auch in vivo im nativen Gehirn Dendritenverzweigung induziert und die Morphogenese von dendritischen Spines fördert, indem es deren Anzahl, Länge und Verzweigung erhöht. Für beide Vorgänge spielt extrazellulär die EGF-ähnliche Domäne von CALEB/NGC die entscheidende Rolle. Intrazellulär ist aktive Proteinkinase C für beide Prozesse wichtig. Für die Signalweiterleitung, die zur Induktion von Dendritenverzweigung führt, ist der Phosphatidylinositol-3-Kinase-Akt- mammalian target of rapamycin-Signalweg von großer Bedeutung. CALEB/NGC- vermittelte Komplexität von Spines ist jedoch unabhängig von diesem Signalweg. Bei strukturellen Untersuchungen wurde die Bindung von CALEB/NGC zu Tenascin C und Tenascin-R, zwei Proteinen aus der extrazellulären Matrix, genau charakterisiert. Dabei wurde die Bindungsstelle innerhalb des sauren Peptidsegmentes von CALEB/NGC lokalisiert. Es wurde gezeigt, dass die Fibrinogen-ähnlichen Domänen von Tenascin-C und Tenascin-R die Bindung an CALEB/NGC vermitteln. Es wurde zudem gezeigt, dass die Bindung von CALEB/NGC an Tenascin-C und Tenascin-R reguliert werden kann. Obwohl Tenascin-C und Tenascin-R als Liganden zur Induktion von CALEB/NGC-vermittelter Dendriten- und Spinekomplexität ausscheiden, gibt es Hinweise, dass diese Interaktionen Bedeutung haben könnten für andere Prozesse im Rahmen von Dendritogenese und Synaptogenese. Zwei intrazelluläre Interaktionspartner für CALEB/NGC konnten bisher ermittelt und deren Bindungsstelle im intrazellulären Bereich von CALEB/NGC bestimmt werden. Das Golgi-assoziierte PDZ-Domänenprotein PIST bindet an das der Transmembranregion von CALEB/NGC unmittelbar folgende Peptidsegment. Die Bedeutung dieser Interaktion könnte in der Regulation des Transportes von CALEB/NGC in die neuronalen Fortsätze liegen. B56b, eine regulatorische Untereinheit der Proteinphosphatase 2A (PP2A), bindet ebenfalls an das der Transmembranregion folgende Peptidsegment. Über Bindung an B56b kann das ganze PP2A-Trimer rekrutiert werden. B56b ist in der Lage, CALEB/NGC- induzierte Dendritenkomplexität, nicht jedoch CALEB/NGC-vermittelte Spinekomplexität zu inhibieren. Mit dieser Arbeit wurde ein Beitrag geleistet zum Verständnis der molekularen Mechanismen der Dendritendifferenzierung und der Morphogenese von dendritischen Spines.

In this study the neural EGF family member CALEB/NGC is shown to induce dendritic branching in primary hippocampal neurons in culture as well as in cortical neurons in vivo. In addition CALEB/NGC promotes the morphogenesis of dendritic spines by increasing their number and length, and by stimulating the branching of spines. The extracellular EGF-like domain of CALEB/NGC plays a prominent role in these processes. Active protein kinase C is necessary for CALEB/NGC-induced dendritic branching and spine formation. However, an active phosphatidylinositide 3-kinase (PI3K)-Akt-mammalian target of rapamycin (mTOR) signaling pathway is only necessary for CALEB/NGC-stimulated dendritic branching but not spine formation. Two extracellular matrix proteins, tenascin-C and tenascin-R were identified as potential ligands for the transmembrane protein CALEB/NGC. Both of them bind via their fibrinogen-like domains to CALEB/NGC. The binding region of tenascin-C and -R to the extracellular part of CALEB/NGC could be localized within the acidic stretch but not within the EGF-like domain. For this, tenascin-C and tenascin-R could not function as ligands for the EGF-like domain of CALEB/NGC to induce dendritic branching and spine morphogenesis. However, the interaction between tenascin-C and –R and CALEB/NGC may serve other functions during dendritogenesis and spinogenesis. Two intracellular interaction partners of CALEB/NGC could be identified, both of which bind to the intracellular peptide segment adjacent to the transmembrane region of CALEB/NGC. One of them, the Golgi-associated PDZ domain protein PIST could be involved in the intracellular transport of CALEB/NGC into the neuronal processes. The other interaction partner is B56b, a regulatory subunit of the protein phosphatase 2A (PP2A). Via B56b the whole PP2A trimer can be recruited to CALEB/NGC. B56b plays a role for CALEB/NGC-induced dendritic tree differentiation by inhibiting CALEB/NGC-stimulated dendritic branching but not spine formation and spine morphogenesis. The results of this study contribute to a better understanding of the processes of dendritic differentiation and spine morphogenesis.