Neuron development follows a multifaceted sequence of cell migration, polarisation, neurite elongation, branching, tiling, and pruning. The implementation of this sequence differs between neuronal cell types and even in individual neurons between sub-compartments such as dendrites and axons. Membrane proteins are at a prime position in neurons to couple extrinsic morphogenetic signals with their intrinsic responses to orchestrate this defined morphological progression. The Phospholipid phosphatase-related / Plasticity-related gene (PLPPR/PRG)-family comprises five neuron-enriched and developmentally regulated membrane proteins with functions in cellular morphogenesis. At the start of this project, no publication had characterised the function of PLPPR3/PRG2 during neuron development.
The presented work describes PLPPR3 as an axon-enriched protein localising to the plasma membrane and internal membrane compartments of neurons. Mutagenesis studies in cell lines establish the plasma membrane localisation of PLPPR3 as a regulator of its function to increase filopodia density (Chapter 2). Furthermore, the generation of a Plppr3-/- mouse line using CRISPR/Cas9 genome editing techniques (Chapter 3) enabled characterising endogenous phenotypes of PLPPR3 in neurons. In primary neuronal cultures, PLPPR3 was found to specifically control branch formation in a pathway with the phosphatase PTEN, without altering the overall growth capacity of neurons (Chapter 4). Loss of PLPPR3 specifically reduced branches forming from filopodia without affecting the stability of branches. This precise characterisation of PLPPR3 function unravelled the existence of parallel, independent programs for branching morphogenesis that are utilised and implemented differentially in developing axons and dendrites (Chapter 5). Furthermore, this thesis establishes multiple tools to study PLPPR3, the membrane lipid phosphatidylinositol-trisphosphate, and neuron morphogenesis by providing molecular tools, protocols, and semi-automated and automated image analysis pipelines (Appendix Chapter 7) and discusses experiments to test, refine and extend models of PLPPR3 function (Chapter 6).
In summary, this thesis generated and utilised several tools and a Plppr3-/- mouse model to characterise PLPPR3 as a specific regulator of neuron branching morphogenesis. This precise characterisation refined and expanded the understanding of axon-specific branching morphogenesis.
Nervenzellen entwickeln ihre komplexe Morphologie durch das Zusammenwirken diverser molekularer Entwicklungs-Programme der Zellkörper-Migration, der Polarisierung und der Morphogenese durch Wachstum, Verzweigung, Stabilisierung und Koordinierung ihrer Neuriten. Dabei unterscheidet sich die exakte Implementierung zwischen Nervenzell-Typen und selbst innerhalb einzelner Zellen zwischen Axonen und Dendriten. Diese unterschiedliche Morphogenese wird dabei speziell durch Membranproteine stark beeinflusst, die durch ihre Präsenz an der Plasmamembran Zell-extrinsische Signale mit den Zell-intrinsischen Morphogeneseprogrammen verbinden und beeinflussen. Die Familie der Phospholipid phosphatase-related / Plasticity-related gene (PLPPR/PRG) Proteine umfasst fünf Nervenzell-spezifische Membranproteine mit Effekten auf die Morphologie von Zellen. Zu Beginn dieses Projektes hatte noch keine Studie die Funktion des Familienmitglieds PLPPR3/PRG2 in Nervenzellen untersucht.
Diese Dissertation beschreibt die Lokalisation von PLPPR3 an der Plasmamembran und in Zell-internen Membranstrukturen von Nervenzellen. Experimente in Zellkultur zeigen eine erhöhte Filopodien-Dichte nach Überexpression von PLPPR3, Mutagenese-Studien deuten eine strikte Kontrolle der Plasmamembran-Lokalisation an (Kapitel 2). Die Generierung einer Plppr3 Knockout Mauslinie mittels CRISPR/Cas9 Genom-Modifizierung (Kapitel 3) erlaubte eine Charakterisierung der endogenen Funktion von PLPPR3 in Nervenzellen. In Primärzellkultur von Nervenzellen des murinen Hippocampus zeigte sich, dass PLPPR3 im Zusammenspiel mit der Phosphatase PTEN spezifisch die Verzweigung von Nervenzellen kontrolliert, ohne deren Wachstumspotential global zu verändern (Kapitel 4). Dadurch kann PLPPR3 als ein Schalter zwischen Verzweigung und Verlängerung eines Nervenzell-Fortsatzes agieren. Der Verlust von PLPPR3 verursachte reduzierte spezifisch die Anzahl an Verzweigungen, die aus Filopodien entstanden, ohne dabei die Stabilität dieser Verzweigungen zu beeinflussen. Die präzise Charakterisierung dieser Funktion von PLPPR3 deckte auf, dass Verzweigungen von Nervenzell-Fortsätzen durch voneinander unabhängige Entwicklungsprogramme ausgebildet und stabilisiert werden können (Kapitel 5). Diese Programme werden von Axonen und Dendriten in unterschiedlicher Weise eingesetzt. Zusätzlich etabliert diese Arbeit sowohl diverse molekulare Werkzeuge und Visualisierungs-Protokolle zur Analyse von PLPPR3 und dem Membranlipid Phosphatidylinositol-Trisphosphat, als auch automatisierte Quantifizierungssoftware zur Studie der Nervenzellmorphologie (Appendix-Kapitel 7). Abschließend entwickelt und verfeinert die Dissertation mögliche Modelle zur PLPPR3-Funktion und zeigt experimentelle Strategien auf, um diese Modelle besser charakterisieren zu können (Kapitel 6).
Zusammenfassend wurden in dieser Promotionsarbeit diverse Experimental- und Analyse-Strategien und eine Plppr3-/- Mauslinie entwickelt und genutzt, um PLPPR3 als einen spezifischen Regulator der Nervenzell-Morphogenese zu etablieren. Diese präzise Charakterisierung des PLPPR3 Phänotyps erlaubte zusätzlich eine Verfeinerung und Erweiterung der Erkenntnisse zur Axon-spezifischen Entwicklung von Verzweigungen.
