Differential Regulation of Dendritic Structures by NOMA-GAP

Abstract

Dendritic structures are thought to determine the function of morphologically distinct and specialized neuronal subclasses. Abnormalities in dendritic structures are commonly associated with neuropsychiatric developmental disorders. However, little is known about the molecular mechanisms instructing layer and compartment-specific maturation of dendrites. This work reveals that the Cdc42-specific GAP, NOMA-GAP, selectively regulates dendritic development of cortical pyramidal neurons. First, I show that NOMA-GAP is not required for the generation, migration, cell fate determination and axonal connectivity of excitatory neurons in the neocortex. After pyramidal neurons have reached their final position in the neocortex, NOMA-GAP initiates dendritic complexity of layer II-III pyramidal neurons, but not layer V pyramidal neurons. Furthermore, NOMA-GAP regulates the maturation of dendritic spines specifically in basal dendrites of layer II-III pyramidal neurons, but not in their apical dendrites. In addition, I show that NOMA-GAP directly interacts with several MAGUK family proteins and regulates the surface expression of AMPARs. Importantly, I provide evidence for a cross-regulation of NOMA-GAP and PSD-95 during development. NOMA-GAP regulates the subcellular localization and phosphorylation state of PSD-95, while PSD 95 inhibits Cdc42-GAP activity of NOMA GAP. Finally, I show that NOMA-GAP regulates dendritic complexity and dendritic spine maturation respectively by a Cdc42-dependent and a Cdc42-independent mechanism. Loss of NOMA-GAP leads to hyperactivation of Cdc42 in the neocortex that reduces dendritic complexity of layer II III neurons. Genetic reduction of post-mitotic Cdc42 levels partially restored dendritic complexity in NOMA-GAP-deficient mice. Moreover, NOMA-GAP mediates the inhibition of Cdc42 signaling that subsequently enables activation of the actin regulator cofilin. Remarkably, expression of a constitutively active cofilin mutant in NOMA-GAP-deficient neurons is sufficient to restores dendritic complexity in the neocortex. In contrast, reduction of post-mitotic Cdc42 levels fails to restore dendritic spine morphology. However, overexpression of a RhoGAP deletion mutant of NOMA GAP restores dendritic spine morphology in NOMA-GAP-deficient mice. My findings demonstrate a critical role for NOMA-GAP in layer- and compartment-specific development of dendritic structures. NOMA-GAP specifies cortical upper layer connectivity by the combination of Cdc42-GAP-dependent and Cdc42-GAP-independent mechanisms that contributes to the establishment of cognitive circuits.

Es wird angenommen, dass dendritische Strukturen die Funktion von morphologisch unterscheidbaren neuronalen Unterklassen determinieren. Anomalien in den dendritischen Strukturen werden häufig mit neuropsychiatrischen Entwicklungsstörungen assoziiert. Allerdings ist wenig über die molekularen Mechanismen bekannt, die Schichten- und Kompartiment- spezifische Reifung von Dendriten instruieren. Diese Arbeit zeigt, dass die Cdc42-spezische GAP, NOMA-GAP, die dendritische Entwicklung in cortikalen Pyramidenzellen selektiv reguliert. Als erstes zeige ich, dass NOMA-GAP nicht für die Generierung, Migration, genetische Bestimmtheit und axonale Konnektivität von erregenden Neuronen im Neocortex erforderlich ist. Nachdem die Pyramidenzellen ihre finale Position im Neocortex erreicht haben, initiiert NOMA-GAP die dendritische Verzweigung spezifisch von Pyramidenzellen in Lamina II-III, aber nicht von Pyramidenzellen in Lamina V. Darüber hinaus reguliert NOMA-GAP die Reifung dendritischer Dornenfortsätze spezifisch in den basalen Dendriten von Pyramidenzellen in Lamina II III, aber nicht in deren apikalen Dendriten. Außerdem zeige ich, dass NOMA-GAP direkt mit mehreren MAGUK Proteinen interagiert und die Oberflächenexpression von AMPARs reguliert. Interessanterweise ergeben sich Hinweise auf eine wechselseitige Regulierung von NOMA-GAP und PSD-95 während der Entwicklung. NOMA-GAP reguliert die subzelluläre Lokalisation und Phosphorylierung von PSD-95, während PSD-95 die Cdc42-GAP Aktivität von NOMA GAP inhibiert. Schließlich zeige ich, dass NOMA-GAP die dendritische Komplexität und die Reifung von dendritischen Dornenfortsätzen durch einen Cdc42-abhängigen beziehungsweise Cdc42-unabhängigen Mechanismus reguliert. Der Verlust von NOMA-GAP führt zu einer Hyperaktivierung von Cdc42 im Neocortex, welche die dendritische Komplexität von Pyramidenzellen in Lamina II-III beeinträchtigt. Die genetische Reduktion der post-mitotischen Cdc42 Konzentration ermöglicht eine partielle Wiederherstellung der dendritischen Komplexität in NOMA GAP- defizienten Mäusen. Zudem inhibiert NOMA GAP die Cdc42 Signalkaskade, welche die Aktivierung des Aktin-Regulators cofilin ermöglicht. Bemerkenswerterweise ermöglicht die Expression von konstitutiv aktiven cofilin in NOMA-GAP- defizienten Neuronen die Wiederherstellung der dendritischen Komplexität im Neocortex. Im Gegensatz dazu führt nicht die genetische Reduktion des post- mitotischen Cdc42 Konzentration, sondern die Expression einer RhoGAP Deletionsmutante von NOMA GAP zu einer Wiederherstellung der Morphologie von dendritischen Dornenfortsätzen in NOMA GAP-defizienten Mäusen. Meine Ergebnisse demonstrieren eine entscheidende Rolle von NOMA-GAP während der Typ spezifischen Entwicklung dendritischer Strukturen. NOMA-GAP spezifiziert die Konnektivität von cortikalen Pyramidenzellen der oberen Schichten durch die Kombination von Cdc42-abhängigen und Cdc42 unabhängigen Mechanismen, die zur Etablierung von kognitiven Verbindungen beiträgt.