Biophysical characterization and analysis of the cellular function of the neuronal Calciumsensor proteins Caldendrin and Calneurons

• Applicant: Professor Dr. Michael R. Kreutz
• Subject Area: Molecular Biology and Physiology of Neurons and Glial Cells
• Term: from 2010 to 2014
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 167919966

• Final Report Year: 2014

Final Report Abstract

Biophysikalische Charakterisierung und Analyse der zellulären Funktion der neuronalen Kalziumsensor Proteine Caldendrin und Calneuron-1 und -2 In dem Projekt haben wir uns mit der molekularen Dynamik der neuronalen Calcium- Bindungsproteine Caldendrin und Calneuron-1 und -2 beschäftigt. Wir konnten zeigen, dass sowohl Caldendrin als auch die Calneurone eine Reihe von Eigenschaften aufweisen, die sie von anderen Kalziumsensor Proteinen unterscheiden. Biochemische Analysen deuten darauf hin, dass Caldendrin eng mit dem spezialisierten Zytoskelett der Postsynapse, der so genannten postsynaptischen Dichte, assoziiert ist und das andere Spleiß-Isoformen im Gehirn kaum exprimiert werden. Mit Hilfe neuer Verfahren zur bakteriellen Herstellung und Reinigung von Caldendrin konnten wir eine Reihe von strukturellen und biophysikalischen Analysen durchführen. Zu den wichtigsten Ergebnissen zählen, dass das Protein eine ungewöhnlich hohe Bindungsaffinität für Magnesium hat, eine Calcium-Bindungsaffinität zeigt, die deutlich unter der von Calmodulin liegt und überraschenderweise auch Zink mit niedrig mikromolarer Affinität bindet. Die Zink- Bindung induziert eine drastische Konformationsveränderung, die so nicht nach Magnesium- oder Calciumbindung gesehen wird. Darüber beeinflusst die Zink- Bindung die Interaktion von Caldendrin mit Interaktionspartnern an der Synapse und könnte damit physiologisch relevant sein. Eine Reihe von neuen Interaktionspartnern wurde identifiziert. Hierzu zählen das Aktin-Bindungsprotein Cortactin, die postsynaptischen Gerüstproteine PSD95 und AKAP150, und das Kalzium- Sensorprotein Recoverin. Alle Bindungspartner spielen vermutlich für die Lokalisierung bzw. die synaptische Funktion von Caldendrin eine Rolle. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass Calneurone 1 und 2, die einzigen EF-hand Calmodulin-ähnlichen Kalziumsensor Proteine mit einer Transmembrandomäne sind. Wir haben den genauen Mechanismus der Membraninsertion und damit die Spezifität der Lokalisation der Calneurone am Golgi aufgedeckt in dem wir die Interaktion eines spezifischen Chaperons mit der Transmembrandomäne der Calneurone zeigen konnten. Auf der Basis der Transmembrandomäne von Calneuron-2 haben wir dann einen Golgi-Tracker-Toolkit entwickelt, der sich zum Screenen von Protein-Protein Interaktionen eignet und mit dessen Hilfe Golgi Außenposten visualisiert und deren Dynamik in lebenden Neuronen untersucht werden können. Schließlich konnten wir zeigen dass Calneuron-1 eine akzessorische Untereinheit des muskarinergen M1-Rezeptors ist und die GProteinkopplung des Rezeptors kontrolliert. Es ist wahrscheinlich dass auch andere G-Protein gekoppelte Rezeptoren über Calneuron-1 reguliert werden.

Publications

• (2011) Posttranslational membrane insertion of the tail anchored transmembrane EF-hand Ca2+-sensors Calneurons requires the TRC40/Asna1 chaperone. J Biol Chem 286:36762-36776
  Hradsky J, Raghuram V, Reddy PP, Navarro G, Hupe M, Casado V, McCormick PJ, Sharma Y, Kreutz MR, Mikhaylova M
  
• Between promiscuity and specificity: novel roles of EF-hand calcium sensors in neuronal Ca2+ signalling. J Neurochem. 2011 118(5):695-713
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• Concerted action of zinc and ProSAP/Shank in synaptogenesis and synapse maturation. EMBO J. 2011 30(3):569-81
  Grabrucker AM, Knight MJ, Proepper C, Bockmann J, Joubert M, Rowan M, Nienhaus GU, Garner CC, Bowie JU, Kreutz MR, Gundelfinger ED, Boeckers TM
  
• AKAP79/150 interacts with the neuronal calcium-binding protein caldendrin. J Neurochem. 2012 122(4):714-26
  Gorny, Xenia; Mikhaylova, Marina; Seeger, Christian; Reddy, Pasham Parameshwar; Reissner, Carsten; Schott, Björn H.; Helena Danielson, U.; Kreutz, Michael R. & Seidenbecher, Constanze
  
• Autistic-like behaviours and hyperactivity in mice lacking ProSAP1/Shank2. Nature. 2012 486(7402):256-60
  Schmeisser, Michael J.; Ey, Elodie; Wegener, Stephanie; Bockmann, Juergen; Stempel, A. Vanessa; Kuebler, Angelika; Janssen, Anna-Lena; Udvardi, Patrick T.; Shiban, Ehab; Spilker, Christina; Balschun, Detlef; Skryabin, Boris V.; Dieck, Susanne tom; Smalla, Karl-Heinz; Montag, Dirk; Leblond, Claire S.; Faure, Philippe; Torquet, Nicolas; Le Sourd, Anne-Marie; ... & Boeckers, Tobias M.
  
• Ca(2+) sensor proteins in dendritic spines: a race for Ca(2+). Front Mol Neurosci. 2012 5:61
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• Calcium Signaling Through Diverse Calcium‐Binding Proteins: Interactions and Structural Studies- Jawaharlal Nehru University New Dehli, October 2012
  Vijeta Raghuram
  
• NCS-1 associates with adenosine A(2A) receptors and modulates receptor function. Front Mol Neurosci. 2012 5:53
  Navarro, Gemma; Hradsky, Johannes; Lluís, Carmen; Casadó, Vicent; McCormick, Peter J.; Kreutz, Michael R. & Mikhaylova, Marina
  
• 'The neuronal functions of EF-hand Ca(2+)-binding proteins'. Publisher: Frontiers Media SA. ISBN: 978-2-88919-063-8. Frontiers Research Topic Ebook
  Michael R. Kreutz, José R. Naranjo, Karl-Wilhelm Koch, Beat Schwaller
  
• (2013) Super-Resolution Microscopy of the Neuronal Calcium-Binding Proteins Calneuron-1 and Caldendrin. Methods in Molecular Biology 963:147-169
  Hradsky J, Mikhaylova M, Karpova A, Kreutz MR, Zuschratter W
  
• Encoding and transducing the synaptic or extrasynaptic origin of NMDA receptor signals to the nucleus. Cell. 2013 152(5):1119-33
  Karpova, Anna; Mikhaylova, Marina; Bera, Sujoy; Bär, Julia; Reddy, Pasham Parameshwar; Behnisch, Thomas; Rankovic, Vladan; Spilker, Christina; Bethge, Philipp; Sahin, Jale; Kaushik, Rahul; Zuschratter, Werner; Kähne, Thilo; Naumann, Michael; Gundelfinger, Eckart D. & Kreutz, Michael R.
  
• Expanding the interactome of the neuronal Ca2+ -sensor protein Caldendrin and characterization of the biophysical properties of Caldendrin - Otto-von-Guericke University, December 2013
  Paramesh Pasham Reddy
  
• Zinc deficiency dysregulates the synaptic ProSAP/Shank scaffold and might contribute to autism spectrum disorders. Brain. 2014 137(Pt 1):137-52
  Grabrucker, Stefanie; Jannetti, Linda; Eckert, Matti; Gaub, Simone; Chhabra, Resham; Pfaender, Stefanie; Mangus, Katharina; Reddy, Parameshwar Pasham; Rankovic, Vladan; Schmeisser, Michael J.; Kreutz, Michael R.; Ehret, Günter; Boeckers, Tobias M. & Grabrucker, Andreas M.
  
• Molecular Dynamics of the Neuronal EF-Hand Ca2+- Sensor Caldendrin. PLoS One. 2014 9(7):e103186
  Reddy, Pasham Parameshwar; Raghuram, Vijeta; Hradsky, Johannes; Spilker, Christina; Chakraborty, Asima; Sharma, Yogendra; Mikhaylova, Marina & Kreutz, Michael R.