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Functional Characterization of Hereditary Spastic Paraplegia Proteins Spastin and ZFYVE27

by Dasaradha Venkata Krishna Pantakani
Doctoral thesis
Date of Examination:2009-07-02
Date of issue:2010-04-20
Advisor:Prof. Dr. Dr. Wolfgang Engel
Referee:Prof. Dr. Sigrid Hoyer-Fender
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3335

 

 

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Name:pantakani.pdf
Size:21.2Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

Hereditary spastic paraplegias (HSP) are a heterogeneous group of genetic disorders characterized by progressive spasticity in the lower limbs caused primarily due to dysfunction of corticospinal tract neurons. All modes of inheritance such as autosomal dominant (AD), autosomal recessive (AR) and X-linked have been reported for HSP. Mutations in the SPG4/SPAST gene are the single most common cause for AD-HSP and accounts for up to 40% of all AD-HSP cases. In the present study, we have characterized the functional and structural properties of SPAST gene product, spastin and its interacting protein ZFYVE27, another HSP related protein.In the first part of this thesis, spastin oligomeric state as hexamer has been evaluated by biochemical and cellular approaches. Furthermore, structural information on hexameric spastin was obtained through modeling of spastin AAA domain and this modeled structure was used as a framework to classify the known mutations of spastin in HSP patients into four different functional groups based on the structural information.In the second part, compound heterozygous sequence variants of SPAST causing early age onset of HSP phenotype has been reported. The modifier effect of spastin known polymorphism (S44L) in association with another mutation has been described. Our findings further strengthen the threshold effect model of spastin, with a direct correlation between functional level of spastin and early age onset of HSP phenotype.In the third part, expansion of spastin mutational spectrum in a large HSP cohort has been reported with identification of 29 novel spastin mutations. Moreover, we attempted to determine any possible deleterious effects of these novel mutations on spastin oligomeric function using spastin structural model.In the last part of this thesis, we showed that ZFYVE27, a spastin interacting protein, functions as dimer/tetramer by means of cellular and biochemical analysis. Further, we show that although the core interaction region, hydrophobic region 3 (HR3) is dispensable for self-association of ZFYVE27, it is essential for neurite formation and co-expression of the truncated ZFYVE27 (∆HR3184-208) hampers the function of wild type ZFYVE27.Moreover, to dissect the role of ZFYVE27 in HSP pathomechanism, we endeavored to generate loss of function as well as gain of function mouse models for ZFYVE27. Conceivably, the phenotype of loss of function mouse model might mimic the clinical features of HSP. By elucidating the role of ZFYVE27 in neuritogenesis/neuropathies by means of generated mouse models, we will be able to gain novel mechanistic insights into the underlying pathomechanism of HSP.
Keywords: spastic paraplegia; Spastin; ZFYVE27; Neurodegeneration; Neuritogenesis; SPG4; AAA domain; FYVE; PtdIns; Hexamer

Other Languages

Die Hereditären Spastischen Paraplegien (HSPs) sind eine heterogene Gruppe von genetischen Erkrankungen, die durch progressive spastische Lähmungen in den unteren Gliedmaßen gekennzeichnet sind, was hauptsächlich durch Funktionsstörungen der Pyramidenbahn-Neuronen verursacht wird. Alle Arten der Vererbung, wie autosomal dominant (AD), autosomal rezessiv (AR) und X-chromosomal, sind für HSP bekannt. Mutationen im SPG4/SPAST Gen sind der häufigste Grund für AD-HSP und machen bis zu 40% aller AD-HSP Fälle aus. In der vorliegenden Arbeit haben wir die funktionellen und strukturellen Eigenschaften des SPAST Genprodukts Spastin und dessen interagierenden Proteins ZFYVE27, ein HSP zugehöriges Protein, untersucht.Im ersten Teil der Arbeit wurde der oligomere Status von Spastin mit Hilfe von biochemischen und zellulären Ansätzen als Hexamer identifiziert. Außerdem wurden durch die Modellierung der Spastin AAA Domäne strukturelle Informationen über das Spastin- Hexamer erhalten. Diese modellierte Struktur diente wiederum als Gerüst, um die bekannten Spastin Mutationen bei HSP Patienten in vier funktionelle Gruppen einzuteilen.Im zweiten Teil der Arbeit wird über compound heterozygote Sequenzvarianten von SPAST berichtet, die ein frühes Auftreten des HSP Phänotyps verursachen. Ein modifier effect des bekannten Spastin-Polymorphismus (S44L) in Verbindung mit einer anderen Mutation wird beschrieben. Unsere Ergebnisse festigen ein Schwellenwert Modell von Spastin mit einer direkten Korrelation zwischen funktionellem Spastin-Level und frühem Auftreten des HSP Phänotyps.Im dritten Teil konnte eine Erweiterung des Spastin-Mutationsspektrums in einer großen HSP Kohorte mit 29 neuen Spastin-Mutationen beschrieben werden. Außerdem wurde versucht, alle möglichen negativen Effekte dieser neuen Mutationen auf die oligomere Funktion von Spastin mit Hilfe des Spastin Strukturmodells zu ermitteln.Im letzten Teil dieser Arbeit konnte mit Hilfe von zellulären und biochemischen Analysen gezeigt werden, dass ZFYVE27, ein mit Spastin interagierendes Protein, als Dimer/Tetramer wirkt. Weiterhin haben wir gezeigt, dass die Hauptinteraktionsregion, die hydrophobe Region 3 (HR3), zwar nicht wichtig für die Selbstassoziation von ZFYVE27 ist dafür aber essentiell für die Neuritenbildung. Die Coexpression des verkürzten ZFYVE27 (∆HR3184-208) erschwert die Funktion des Wild-Typ ZFYVE27.Außerdem wurde damit begonnen, loss of function und gain of function Mausmodelle für ZFYVE27 herzustellen. Damit kann die Rolle von ZFYVE27 im HSP Pathomechanismus studiert wurden. Denkbarerweise könnte das loss of function Mausmodell die phänotypischen Merkmale von HSP nachahmen. Mit der Analyse der Rolle von ZFYVE27 in der Neuritogenese/Neuropathie in den Mausmodellen wird es möglich sein, neue Erkenntnisse über den Pathomechanismus von HSP zu gewinnen.
Schlagwörter: Spastischen Paraplegie; Spastin; ZFYVE27; Neurodegeneration; Neurogenese; SPG4; AAA Domäne; FYVE; PtdIns; Hexamer
 

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