BACE1 dependent function of Neuregulin1 in peripheral nervous system myelination
BACE1-vermittelte Funktion von NRG1 in der Myelinisierung des peripheren Nervensystems
by Viktorija Velanac
Date of Examination:2010-01-15
Date of issue:2010-05-26
Advisor:Prof. Dr. Klaus-Armin Nave
Referee:Prof. Dr. Klaus-Armin Nave
Referee:Prof. Dr. Wolfgang Brück
Referee:Prof. Dr. Dr. Hannelore Ehrenreich
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3279
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Description:Dissertation
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Abstract
English
The neuronal epidermal growth factor (EGF)-like growth factor NRG1 type III serves as a master regulator of myelination in the peripheral nervous system (PNS). It has been proposed that NRG1 type III is proteolytically cleaved to become fully active, but the identity of the protease(s) as well as the number and order of cleavage events have been elusive. Peripheral myelination is strongly impaired in BACE1 (-site amyloid precursor protein-cleaving enzyme 1) null mutants, very similar to NRG1 type III heterozygous mouse mutants, suggesting that BACE1-processing is required for the myelinating activity of NRG1 type III. However, a functional interaction between NRG1 type III and BACE1 in vivo has not been demonstrated. In this study, we have used transgenic mouse lines that neuronally overexpress N-terminally epitope-tagged full length NRG1 type III and a C-terminally shortened NRG1 type III-variant that mimics BACE1 processing in the stalk region ( GIEF ) to further explore NRG1 processing and a functional interaction between BACE1 and NRG1 type III in myelination in vivo. Neuronal overexpression of the GIEF -variant induces sciatic nerve hypermyelination, very similar to full length NRG1 type III. This demonstrates that the product of BACE1-mediated cleavage in the stalk region is myelination competent, whereas back signalling by the cytoplasmic tail of NRG1 type III is dispensable for myelination. Unexpectedly, overexpression of NRG1 type III retains the potential to promote myelination in BACE1 null mutants, albeit at reduced capacity. These findings identify a functional interaction of BACE1 and NRG1 in peripheral myelination in vivo, but also point to more complex processing mechanisms involving other proteases. We also took advantage of the in vivo-expression of epitope-tagged NRG1-variants to study the subcellular localization and transport of NRG1-variants in spinal cord motor neurons. Histological and biochemical analysis strongly suggest that subsequently to cleavage in the stalk region, N- and C-terminal NRG1 type III-fragments are sorted to distinct membrane domains and that vesicular transport of the N-terminal fragment (harboring the EGF-like domain) into the axonal compartment is rate-limiting. Finally, we observed an additional smaller-sized N-terminal product in sciatic nerve, compatible with EGF-like domain shedding from the axonal surface. Thus, our data strongly suggest an orderly array of proteolytic processing as a critical component of NRG1 type III-mediated peripheral myelination.
Keywords: Neuregulin1; myelination; BACE1
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Der neuronale Wachstumsfaktor Neuregulin (NRG) 1 Typ
III ist der maßgebliche Regulator der Myelinisierung im
peripheren Nervensystem (PNS). Zur Aktivierung von NRG1
Typ III ist vermutlich eine proteolytische Spaltung
notwendig, aber die Identität der Protease(n) sowie die
Anzahl und Reihenfolge der einzelnen
Prozessierungsschritte sind bisher ungeklärt. Ähnlich
wie in heterozygoten NRG1 Typ III-Mutanten ist die
periphere Myelinisierung in BACE1 (β-site amyloid
precursor protein-cleaving enzyme 1)-Nullmutanten stark
beeinträchtigt. Dies deutet daraufhin, dass eine
Prozessierung durch BACE1 für die
Myelinisierungsfunktion von NRG1 Typ III notwendig ist.
Allerdings konnte bislang keine funktionelle
Interaktion von NRG1 Typ III und BACE1 in vivo gezeigt
werden. Zur Untersuchung der funktionellen Interaktion
zwischen BACE1 und NRG1 Typ III bei der Myelinisierung
wurden in dieser Studie zwei transgene Mauslinien
verwendet, die eine Volllängevariante bzw. eine am
C-terminus verkürzte NRG1 Typ III-Variante neuronal
überexprimieren. Die verkürzte Variante entspricht
dabei dem Produkt der BACE1-Prozessierung in der
Juxtamembranregion ( GIEF ). Beide Varianten wurden am
N-terminus mit einem Peptidepitop markiert, um auch die
Prozessierung und subzelluläre Lokalisation der
NRG1-Varianten in vivo genauer zu untersuchen. Die
neuronale Überexpression der GIEF -Variante verursacht
eine Hypermyelinisierung des Ischiasnervens,
vergleichbar mit der Volllängeform von NRG1 Typ III.
Diese Beobachtung zeigt, dass die GIEF -Variante ein
myelinisierungskompetentes Produkt der
BACE1-vermittelten Prozessierung von NRG1 Typ III
darstellt, während die zytoplasmatische Domäne von NRG1
Typ III für die Myelinisierung entbehrlich ist.
Überraschenderweise bewahrt die Überexpression von NRG1
Typ III ihr myelinisierungsförderndes Potenzial selbst
in BACE1 Nullmutanten, wenn auch in verringertem
Ausmaß. Diese Befunde identifizieren eine funktionale
Interaktion von BACE1 und NRG1 bei der peripheren
Myelinisierung in vivo, deuten aber auf einen
komplexeren Prozessierungsmechanismus hin, an dem
weitere Proteasen beteiligt sind. Die Verwendung von
Epitop-markierten NRG1-Varianten wurde auch dazu
genutzt, die subzelluläre Lokalisation und den
Transport von NRG1-Varianten in Motorneuronen des
Rückenmarks näher zu untersuchen. Histologische und
biochemische Analysen deuten daraufhin, dass N- und
C-terminale Prozessierungsprodukte nach der Spaltung in
der Juxtamembranregion in unterschiedliche
Membrandomänen sortiert werden und der vesikuläre
Transport N-terminaler Prozessierungsprodukte
(einschließlich der EGF-ähnlichen Domäne) in das
axonale Kompartiment limitiert ist. Außerdem wurde ein
weiteres kleineres N-terminales Produkt in
Proteinextrakten aus Ischiasnerven beobachtet, das auf
eine Abspaltung der EGF-ähnlichen Domäne von der
Axonoberfläche hinweist. Diese Beobachtungen deuten auf
eine geregelte Abfolge proteolytischer
Prozessierungsschritte hin, die eine wichtige Rolle bei
der NRG1 Typ III-vermittelten Myelinisierung des
peripheren Nervensystems spielen.
Schlagwörter: Neuregulin1; Myelinisierung; BACE1