The Role of the HECT-Type Ubiquitin Ligases WWP1 and WWP2 in Nerve Cell Development and Function
Die Rolle der HECT-Typ Ubiquitin Ligasen WWP1 und WWP2 bei der Entwicklung und der Funktion von Nervenzellen
Mika Kishimoto-Suga
Doctoral thesis
Date of Examination:
2011-04-15
Date of issue:
2012-03-15
Advisor:
Kawabe, Hiroshi Dr.
Referee:
Brose, Nils Prof. Dr.
Referee:
Wimmer, Ernst A. Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-000D-F1E9-8
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kishimoto_suga.pdf
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8,5 MB
Format:
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Abstract
English
Posttranscriptional modification of proteins through the ubiquitin pathway has recently emerged as an essential regulatory mechanism controlling neuronal development and function. WW domain-containing protein-1 and -2 (WWP1 and WWP2) are evolutionarily conserved HECT type E3 ubiquitin ligases in eukaryotes, and the C. elegans ortholog of WWP1/2 plays key roles in neuronal functions such as axon guidance and synaptic transmission. In the mammalian brain, however, the functions of WWP1/2 have never been explored and their substrates are unknown. In this study, I discovered a novel function of mammalian WWP1/2 in the developing brain. In analyses of brain specific conditional WWP1/2 deficient mice in vivo and in vitro, I found that WWP1/2 are critical for the establishment of neuronal polarity - the specification of a single axon and multiple dendrites, which is an essential step during neuronal development. I also show that SAD-A kinase, which is required for neuronal polarization in the cerebral cortex, is ubiquitinated by WWP1/2. Thus I propose that WWP1/2 contribute to neuronal polarization, probably by regulating the SAD kinase signaling pathway. Furthermore, I screened for binding proteins of WWP1/2 in the brain and identified WWP1/2 as specific E3 ligases for the synaptic scaffold proteins liprin-α3 and shank1a. These findings are consistent with the synaptic localization of WWP1/2 in mature neurons and indicate that WWP1/2 may be involved in synaptic transmission and synaptogenesis. Together, my findings show that WWP1/2 plays multiple roles in neuronal development and synaptic function in the mammalian brain.
Keywords: HECT type E3 ubiquitin ligases; neuronal development and synaptic function in the mammalian brain
Other Languages
Neuste Untersuchen zeigen, dass die
posttranslationale Modifikation von Proteinen durch das
Ubiquitin-System ein bedeutender Regulationsmechanismus in der
neuronalen Entwicklung und der Funktion von neuronalen Systemen
darstellt. Die eukaryotischen “WW-Domänen enthaltenen Proteine 1
und 2” (WWP1 und WWP2) sind evolutionär konservierte E3 Ubiquitin
Ligasen die eine HECT-Domäne aufweisen. Das zu WWP1/2 orthologe
Protein in C. elegans spielt eine zentrale Rolle in der Funktion
des Nervensystems z.B. der axonalen Wegfindung und der synaptischen
Signalübertragung. Die Funktion von WWP1/2 im Gehirn von
Säugetieren wurde jedoch noch nicht analysiert und auch die
entsprechenden Substrate dieser Ubiquitin Ligasen sind nicht
bekannt. In der vorliegenden Studie deckte ich eine neuartige
Funktion von WWP1/2 in den sich entwickelnden Säugetiergehirnen
auf. Analysen von Gehirnen von Mäusen, mit einer spezifischen und
begrenzten Ausschaltung der Gene für WWP1/2 im Gehirn, in vivo und
in vitro zeigten, dass WWP1 und 2 entscheidend für die Etablierung
der Polarität von Nervenzellen sind. Die Ausbildung von einzelnen
Axonen und mehreren Dendriten ist ein grundlegender Schritt während
der Entwicklung einzelner Nervenzellen und neuronaler Systeme.
Weiterhin konnte ich zeigen, dass die SAD-A Kinase, ein wichtiges
Protein für die Entwicklung neuronaler Polarität in der
Großhirnrinde, von WWP1/2 ubiquitiniert wird. Demzufolge
schlussfolgere ich, dass WWP1/2 eine Rolle bei der Ausbildung einer
polarisierten Zellmorphologie von Nervenzellen, über die Regulation
des SAD-A Kinase Signalweges, spielen könnte. Weiterhin suchte ich
nach Proteinen, welche mit WWP1/2 im Gehirn interagieren. Dabei
konnte ich zeigen, dass die synaptischen Gerüstproteine Liprin-α3
und Shank1a spezifisch von WWP1/2 ubiquitiniert werden. Diese
Ergebnisse stimmen mit der Lokalisation von WWP1/2 in den Synapsen
von reifen Neuronen überein und deuten darauf hin, dass WWP1 und 2
an der synaptischen Signalübertragung und Synaptogenese beteiligt
sind. Zusammenfassend zeigen meine Ergebnisse, dass WWP1 und 2
vielfache Funktionen in der Entwicklung und der Funktion von
Synapsen im Säugetiergehirn haben.
Schlagwörter: E3 Ubiquitin Ligasen die eine HECT-Domäne aufweisen; Funktionen in der Entwicklung und der Funktion von Synapsen im Säugetiergehirn
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GZMB - Göttinger Zentrum für molekulare Biowissenschaften [35]
GCMB - Göttingen Center for Molecular Biosciences