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The PI5P 4-kinase ortholog PPK-2 of Caenorhabditis elegans acts in synaptic transmission and neuronal membrane trafficking

dc.contributor.advisorKlopfenstein, Dieter Dr.de
dc.contributor.authorSassen, Wiebke Annade
dc.date.accessioned2012-04-16T14:53:20Zde
dc.date.available2013-01-30T23:50:36Zde
dc.date.issued2010-06-28de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-ADAD-8de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-367
dc.description.abstractSynaptische Transmission beruht auf dem hochregulierten Membrantransport zwischen Zellkörper und Synapse. Membrantransport in Neuronen und anderen Zelltypen wird unter anderem durch die phosphorylierten Derivate des Phospholipids Phosphatidylinositol (PI) reguliert. Das Auftreten und die Verteilung unterschiedlich phosphorylierter Phosphatidylinositole (PIPs) in den Membranen verschiedener Organellen und der Plasmamembran (PM) werden durch PI/PIP-Kinasen und PIP-Phosphatasen reguliert. Mittels eines RNAi-Screens wurden sechs PIP-metabolisierende Enzyme des Rundwurmes Caenorhabditis elegans (C. elegans) identifiziert, die Einfluss auf die synaptische Transmission haben. Aufgrund von Literaturdaten konnte fünf von diesen sechs Enzymen eine Funktion im zellulären Membrantransport zugeordnet werden. Die einzige Ausnahme stellte die neuronal exprimierte PIP-Kinase PPK-2 dar. PPK-2 ist ortholog zu den PI5P 4-Kinasen in Säugetieren. Der RNAi-knock-down von ppk-2 führte zu einer verminderten Ausschüttung des Neurotransmitters Acetylcholin an Synapsen. Im Gegensatz dazu zeigte die Charakterisierung von zwei Mutantenstämmen mit gain-of-function-Allelen von ppk-2 eine gesteigerte Ausschüttung von Acetylcholin sowie von Neuropeptiden. Das Protein PPK-2 zeigte in C. elegans-Neuronen eine endosomale sowie Golgi-assoziierte Lokalisierung. Bei Co-Expression der PM-assoziierten PI4P 5-Kinase PPK-1 lokalisierte PPK-2 allerdings nicht mehr ausschließlich an Endomembranen, sondern wurde auch an der PM nachgewiesen. Beide gain-of-function-Allele kodieren für mutierte PPK-2-Proteine und konnten in C. elegans-Neuronen exprimiert werden. Wie das PPK-2-Wildtypprotein sind die mutierten Proteine an Endomembranen assoziiert. Die Co-Expression mit PPK-1 resultierte diesmal allerdings nicht in einer Veränderung des Lokalisierungsmusters. Beiden mutierten PPK-2-Proteinen fehlt ein strukturell wichtiger Teil des Aminoterminus. Außer an Organellen im Zellkörper wurde PPK-2 mit einer partikelartigen Lokalisierung auch in Dendriten und Axonen nachgewiesen. Diese PPK-2-Partikel bewegten sich anterograd sowie retrograd mit ca. 0,3 µM pro Sekunde. Diese Bewegung ist abhängig vom neuronalen Motorprotein Kinesin-3. Aufgrund dessen wird für PPK-2 eine Funktion im aktiven Membrantransport angenommen. Die verminderte Acetylcholinausschüttung an den Synapsen von ppk-2 (RNAi)-Tieren wurde daher auf das Fehlen von PPK-2 an zellulären Endomembranen und einem daraus folgenden Defekt im Membrantransport zurückgeführt. Der gegensätzliche Phänotyp der zwei gain-of-function-Allele muss jedoch in einer zusätzlichen Funktion von PPK-2 begründet sein. Ein wichtiger Faktor für die Exozytose von Neurotransmittern und Neuropeptiden ist PI4,5P2. An der PM von C. elegans-Neuronen wird dieses PIP maßgeblich von PPK-1 gebildet. Die Co-Lokalisierung mit PPK-1 an der PM könnte auf eine regulatorische Funktion von PPK-2 in der Synthese von PI4,5P2 und somit synaptischer Exozytose hindeuten. Ein Indiz dafür ist die erhöhte Neuropeptidausschüttung von beiden ppk-2-gain-of-function-Mutanten. Dabei ist die Funktion von PPK-2 an den Endomembranen bei beiden Mutanten anscheinend immer noch intakt. Zusammenfassend konnten PPK-2 zwei verschiedene Funktionen zugewiesen werden: Zum einem eine Rolle im Endomembrantransport, zum anderem eine regulative Funktion in der Exozytose an der Synapse.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isoengde
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/de
dc.titleThe PI5P 4-kinase ortholog PPK-2 of Caenorhabditis elegans acts in synaptic transmission and neuronal membrane traffickingde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedDie PI5P 4-Kinase PPK-2 von Caenorhabditis elegans agiert in synaptischer Transmission und neuronalem Membrantransportde
dc.contributor.refereeKlopfenstein, Dieter Dr.de
dc.date.examination2010-05-03de
dc.subject.dnb570 Biowissenschaften, Biologiede
dc.description.abstractengSynaptic transmission relies on the tightly regulated membrane transport between the neuronal cell body and the nerve terminal. Important regulators of membrane trafficking in neurons as well as in other cell types are the phosphorylated derivatives of the phospholipid phosphatidylinositol (PI), phosphatidylinositolphosphates (PIPs). Distinct cellular PIP pools, located at the membranes of different organelles and at the plasma membrane (PM), are maintained by a network of PI/PIP kinases and PIP phosphatases. An RNAi screen revealed six PIP-metabolizing enzymes to be involved in synaptic transmission of the nematode Caenorhabditis elegans (C. elegans). Functions in membrane trafficking have been assigned to five of these enzymes. The sole exception was the neuronally expressed C. elegans ortholog to mammalian PI5P 4-kinases, PPK-2. Knock down of ppk-2 by RNAi resulted in the decrease of acetylcholine release at neuromuscular junctions (NMJs). In contrast, two ppk-2 gain-of-function-alleles showed increased acetylcholine as well as neuropeptide release at NMJs. The PPK-2 wild type protein localized to endosomal and Golgi membranes in C. elegans neurons. When coexpressed with the PM-associated PI4P 5-kinase PPK-1, PPK-2 was not observed to localize exclusively to endomembranes but also to the PM. Each ppk-2 gain-of-function-allele was found to encode a mutated PPK-2 protein. The respective coding sequences of these alleles were expressable in neurons and both mutant proteins localized to endomembranes as observed for PPK-2 wild type. When coexpressed with PPK-1, PPK-2 mutant proteins were detected solely at endomembranes but not at the PM. Each of the mutant proteins lacks a substantial part of the aminoterminus, pointing towards that this area of the protein is implicated in its association to the PM. Beside its localization to endomembrane structures in neuronal cell bodies, particles of PPK-2 wild type protein were observed to localize along dendrites and axons. These particles moved anterograde and retrograde with approximately 0.3 µm per second, pointing towards actively mediated transport. Consistent with this, the localization and motility of PPK-2 particles was dependent on the motor protein kinesin-3. Therefore, a function of PPK-2 in endomembrane trafficking was assumed. The decreased acetylcholine release of ppk-2 (RNAi) animals was traced back to the lack of PPK-2 at endomembranes and hence a disfunction in membrane trafficking to the cell periphery. The opposing phenotypes of both ppk-2 mutants were concluded to result from an additional function of PPK-2. An important regulator for exoctosis at the synapse is PI4,5P2. In C. elegans, PPK-1 is the major producer of PI4,5P2 at the PM. The colocalization of PPK-2 with PPK-1 at the PM was assumed to have a regulatory function in neuropeptide release what is consistent with the increased neuropeptide release observed for ppk-2 mutants. The function of PPK-2 at endomembranes may be still intact in those mutants. As a conclusion, two sites of actions have been assigned to PPK-2, namely the PM and the endomembrane system.de
dc.contributor.coRefereeFeussner, Ivo Prof. Dr.de
dc.contributor.thirdRefereeBrose, Nils Prof. Dr.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gersynaptische Transmissionde
dc.subject.gerMembrantransportde
dc.subject.gerPI5P 4-Kinasede
dc.subject.engsynaptic transmissionde
dc.subject.engmembrane traffickingde
dc.subject.engPI5P 4-kinasede
dc.subject.bk42.00de
dc.subject.bk44.00de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-2517-6de
dc.identifier.purlwebdoc-2517de
dc.affiliation.instituteBiologische Fakultät inkl. Psychologiede
dc.subject.gokfullW 000de
dc.subject.gokfullM 000de
dc.identifier.ppn636342913de


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