Genetic and functional analysis of intermediate filament function to cell-cell adhesion and biomechanics in C. elegans intestine

• Applicants: Professor Dr. Olaf Bossinger; Professor Dr. Rudolf E. Leube; Professor Dr. Rudolf Merkel
• Subject Area: General Genetics and Functional Genome Biology ; Evolutionary Cell and Developmental Biology (Zoology)
• Term: from 2009 to 2018
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 121916714

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Im Vordergrund des Fortsetzungsprojekts stand die Untersuchung des zytoplasmatischen Intermediärfilament-Systems im polarisierten Darmepithel. Seine evolutionär konservierte Anreicherung unterhalb der apikalen Plasmamembran und dem assoziierten Aktinkortex im Terminalgeflecht legt eine intrazelluläre Barrieren- und Schutzfunktion nahe. Zur Untersuchung der Struktur- und Funktionsprinzipien des intestinalen Intermediärfilament-Netzwerks wurde der genetische Modellorganismus Caenorhabditis elegans verwendet. Er besitzt ein besonders dichtes subapikales Intermediärfilament-Netzwerk, das im Bereich der elektronendichten Endotube angereichert ist und 6 verschiedene Intermediärfilament-Polypeptid-Typen enthält. Den folgenden Fragestellungen wurde im Forschungsvorhaben nachgegangen:- Welche Bedeutung haben einzelne Intermediärfilament-Polypeptid-Typen für die Ausbildung des subapikalen Netzwerks? Wir konnten zeigen, dass IFB-2 als Master-Regulator dient und für die Ausbildung der Endotube essentiell ist. Der Verlust der Endotube führt zur Erweiterung des Darmlumens. Die Depletion der anderen Intermediärfilament-Polypeptide führt zu Isotypspezifischen, meist nur geringgradig ausgeprägten strukturellen und funktionellen Ausfällen. - Welche Auswirkung hat die Mitogen-aktivierte Proteinkinase SMA-5 auf das intestinale Intermediärfilament-Netzwerk und seine Funktion? Der Verlust der SMA-5 Kinase induziert plattenartige Verdickungen und Lückenbildung der Endotube, die mit einer Hyperphosphorylierung der Intermediärfilament-Polypeptide einhergeht. In Folge kommt es zu progredienten zytoplasmatischen Invaginationen und einer Störung von Wachstum und Fortpflanzung. - Welche genetischen Netzwerke regulieren das intestinale Intermediärfilament-System? Bei der Suche nach Suppressoren des mutanten SMA-5 Phänotyps entdeckten wir, dass der Verlust von IFB-2 einen starken Rescue bewirkt. Diese unerwartete Beobachtung zeigt, dass die hyperphosphorylierten Intermediärfilament-Polypeptide in der SMA-5 Mutante eine toxische Wirkung auf die Darmzellen haben. Das Gleiche trifft auf Intermediärfilament-haltige Aggregate zu, die sich bei der Mutation eines weiteren Regulators des intestinalen Intermediärfilament-Systems ausbilden. - Welche Aufgaben hat das Intermediärfilament-Netzwerk im Darm? Wir konnten zeigen, dass das Intermediärfilament-System wichtige mechanische Aufgabe bei starken Zugkräften hat, dass es eine wichtige Rolle für den Schutz gegenüber Mikroben, mikrobiellen Toxinen sowie oxidativem und osmotischem Stress hat und dass es wichtige Funktionen im Lipidstoffwechsel hat. Die gewonnenen neuartigen Erkenntnisse rücken das Intermediärfilament-System in das Zentrum des intestinalen Struktur- und Funktionsgefüge und legen die Grundlage für die weiterführende Ausarbeitung der genetischen Beziehungen und molekularen Grundlagen.

Publications

• Funktionelle Bedeutung von Intermediärfilamenten im Darm von Caenorhabditis elegans. Dissertation (Dr. rer. nat.). RWTH Aachen University. 1-113. Eingereicht: 02/2020.
  R. Coch
  
• A novel function for the MAP kinase SMA-5 in intestinal tube stability. Mol Biol Cell 2016, 27, 3855-3868
  Geisler, F.; Gerhardus, H.; Carberry, K.; Davis, W.; Jorgensen, E.; Richardson, C.; Bossinger, O.; Leube, R.E.
  
• Epithelial Intermediate Filaments: Guardians against Microbial Infection? Cells 2016, 5
  Geisler, F.; Leube, R.E.
  
• Intermediate Filaments and Polarization in the Intestinal Epithelium. Cells 2016, 5
  Coch, R.A.; Leube, R.E.
  
• Mechanical Probing of the Intermediate Filament-Rich Caenorhabditis Elegans Intestine. Methods Enzymol 2016, 568, 681-706
  Jahnel, O.; Hoffmann, B.; Merkel, R.; Bossinger, O.; Leube, R.E.
  
• The intestinal intermediate filament network responds to and protects against microbial insults and toxins. Development 2019, 146
  Geisler, F.; Coch, R.A.; Richardson, C.; Goldberg, M.; Denecke, B.; Bossinger, O.; Leube, R.E.
  
• Intestinal intermediate filament polypeptides in C. elegans: Common and isotype-specific contributions to intestinal ultrastructure and function. Sci Rep 2020, 10, 3142
  Geisler, F.; Coch, R.A.; Richardson, C.; Goldberg, M.; Bevilacqua, C.; Prevedel, R.; Leube, R.E.