Molecular mechanisms of lipid-rich myelin membrane sheet formation
by Shweta Aggarwal
Date of Examination:2012-10-23
Date of issue:2013-02-13
Advisor:Prof. Dr. Mikael Simons
Referee:Prof. Dr. Peter Rehling
Referee:Prof. Dr. Dirk Görlich
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Format:PDF
Abstract
English
Myelin is a membrane of vital importance. In the vertebrate nervous system, it promotes rapid conduction of nerve impulses via insulating the axons. To act as an insulator, myelin needs to assemble into a stable, lipid-rich structure. While the biochemical composition of myelin is well described, mechanisms regulating this unique molecular composition are poorly understood. In this study, we show that oligodendrocytes employ a molecular sieve to filter out membrane proteins from compact myelin domain. Myelin basic protein (MBP) forms a size barrier and controls the entry of proteins into the compact myelin based on the bulkiness of their cytoplasmic domains. In fact, only proteins with cytosolic domain of less than 30 amino acids cross the permeability barrier. Mechanistically, we show that after binding to the inner leaflet of the myelin bilayer, MBP self-associates and phase separates. Self-assembly requires hydrophobic interactions between the phenylalanine residues. Replacing phenylalanine residues with serines abolished the self-association between the MBP molecules without perturbing membrane binding capabilities. We further show that during development, molecular self-assembly of the MBP molecules is required for the extrusion of bulky proteins from the compacted myelin membrane sheets. This system might have evolved in oligodendrocytes in order to generate an anisotropic membrane organization that facilitates the assembly of highly insulating lipid-rich membranes.
Keywords: Myelin membrane; Myelin basic protein
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Myelin ist eine Membran von entscheidender Bedeutung. In Nervensystem von Wirbeltieren isoliert es die Axone und fördert so die schnelle Weiterleitung von Nervenimpulsen. Um als Isolator zu wirken, muss sich Myelin zu einer stabilen, Lipid-reichen Struktur zusammenlagern. Während die biochemische Zusammensetzung von Myelin gut beschrieben ist, sind Mechanismen, welche diese einzigartige Zusammensetzung regulieren, schlecht verstanden. In dieser Arbeit zeigen wir, dass Oligodendrozyten eine Art molekulares Sieb verwenden, um Membranproteine aus kompakten Myelin-Domain herrauszufiltern. Das Myelin Basische Protein (MBP) bildet eine Größen-abhängige Barriere und kontrolliert den Zugang von Proteinen in das kompakten Myelin, basierend auf der Größe ihrer zytoplasmatischen Domänen. Nur Proteine mit einer cytosolischen Domäne von weniger als 30 Aminosäuren können diese die Permeabilitätsbarriere überwinden. Im Hinblick auf den zugrundeliegenden Mechanismus zeigen wir, dass MBP nach Bindung an die innere Membran der Myelin-Doppelschicht mit sich selbst assoziiert und eine Phasentrennung auftritt. Diese Selbstorganisation erfordert hydrophobe Wechselwirkungen zwischen den Phenylalanin-Reste von MBP. Ein Ersetzen der Phenylalanin-Reste durch Serine hemmt die Selbst-Assoziation der MBP-Moleküle, ohne jedoch die Membranbindung zu beeinflussen. Wir zeigen weiter, dass die Selbst-Assoziation der MBP-Moleküle während der Entwicklung für die Verdrängung von sperrigen Proteinen aus den kompakten Myelin-Membranen benötigt wird. Dieses System könnte sich in Oligodendrozyten entwickelt haben, um eine anisotrope Membran-Organisation zu bilden, welche den Aufbau der der isolierenden, lipidreichen Membranen ermöglicht.