Die Funktion von Abp1, einem Signal-responsiven Verbindungsglied zwischen Aktincytoskelett und Membrantransport
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Sowohl die morphologische und die funktionelle Organisation zellulärer Membranstrukturen und - kompartimente als auch Membrantransportprozesse sind abhängig von einem koordinierten Zusammenspiel einer Reihe von Molekülen am membrannahen (cortikalen) Aktincytoskelett. Dieses dynamische Zusammenspiel ist in Zellen, die wie Nervenzellen von effizienten und strikt regulierten Membrantransportprozessen und definierten Zellmorphologien abhängig sind, von besonderer Bedeutung. Zur Aufklärung dieses Zusammenspiels von cortikalem Aktincytoskelett und Membrantopologieveränderung haben wir in den letzten Jahren mehrere Proteine identifiziert und charakterisiert, die prädestiniert sind für derartige Adapterfunktionen, darunter das Aktin-bindende Protein Abp1. Abp1 ist ein ubiquitär exprimiertes, eine SH3-Domäne aufweisendes Protein, das F-Aktin mittels zweier unabhängiger, N-terminaler Module bindet. Abp1 akkumuliert an sehr dynamischen Aktinstrukturen, wie der leading edge sich ausbreitender und bewegender Zellen, axonalen und dendritischen Wachstumskegeln und postsynaptischen Spines von Nervenzellen-Strukturen, die sich allesamt durch hohe Plastizität auszeichnen. Im Falle von postsynaptischen Spines wird die beobachtete Plastizität als Basis für Lern- und Gedächtnisfunktionen des Gehirns betrachtet, während das effiziente und kontrollierte Auswachstum von Axon und Dendriten wesentliche Grundlage für neuronale Netzwerkbildung und damit für die Gehirn-Entwicklung darstellt. Wir haben vorgeschlagen, dass koordinative Prozesse, die über Cytoskelett- und Cytomatrixstrukturen vermittelt werden, maßgeblich zu Membrantransportprozessen und zur Ausbildung und Leistungsfähigkeit der prä- und postsynaptischen Kompartimente von Nervenzellen beitragen. Interessanterweise ist die Funktion des F-Aktin-bindenden Proteins Abp1 in allen bisher untersuchten neuronalen Kompartimenten nicht auf die Verankerung von Abp1-Interaktionspartnern an kortikale Aktinstrukturen beschränkt. Vielmehr greift Abp1 in Neuronen auf zweierlei Art auch in die Dynamik von Aktinfilamenten ein: Zum einen stabilisiert eine Längsseitsbindung von Abp1 an insgesamt 5 Aktinmonomere F-Aktinstrukturen in vivo, wie am Beispiel von dendritischen spines und Filopodia gezeigt. Zum anderen ist Abp1 in der Lage, mit Aktivatoren der Aktinnukleationsmaschinerie Arp2/3-Komplex zu interagieren und diese in ihrer zellulären Aktivität und Lokalisation zu modulieren. In genetischen, biochemischen und immunhistologischen Analysen konnte erstmals eine Abp1-Interaktion mit dem Arp2/3-Komplex-Aktivator Scar beschrieben werden. Mit seiner Fähigkeit Arp2/3-Komplex vermittelte Aktin-Nukleation sowohl via WASP als auch via Scar zu steuern, agiert Abp1 als koordinierendes Stellglied zwischen beiden Signalwegen. Eine solche Abp1-vermittelte Balance ist wesentlich für die Entwicklung sensorischer Organe, wie den Mikrochaeten oder des Facettenauges, sowie der Entwicklung von neuromuskulären Synapsen, wie im Rahmen dieses Projektes für die Fruchtfliege Drosophila melanogaster gezeigt werden konnte. In vitro Rekonstitutionen von Aktinnukleation und in vivo-Studien in sich entwickelnden hippokampalen Neuronen zeigten, dass Abp1 hierbei weitere Signale, wie die der auf Aktincytoskelett-Dynamik einwirkenden GTPase Cdc42 integriert. Wir konnten zeigen, dass diese Abp1-Funktionen in Nervenzellen für die Ausbildung und Reifung von Postsynapsen wichtig sind. Abp1 ist maßgeblich in den Aufbau der die Neurotransmitterrezeptor-tragenden postsynaptischen Dichte involviert. Desweiteren zeigten weitere loss-of-function-Untersuchungen in primären hippokampalen Neuronen, dass Abp1- und Arp2/3-Komlex-gesteuerte Aktincytoskelett-Funktionen für die Ausbildung einer korrekten neuronalen Morphologie, namentlich die des Axons, unabdingbar sind. Abp1 spielt somit basierend auf seiner Fähigkeit funktionellen Verbindungen zwischen PSD-Bestandteilen und postsynaptischer Aktin-Dynamik herstellen zu können eine wichtige Rolle in der Bildung und Morphologiekontrolle von Synapsen sowie in cytoskelettalen Prozessen, die der neuronaler Netzbildung zugrunde liegen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2007). Cordon-bleu is an actin nucleation factor and controls neuronal morphology. Cell, 131, 337-350
Ahuja, R., Pinyol, R., Reichenbach, N., Custer, L., Klingensmith, J., Kessels, M.M., Qualmann, B.
- (2007). Regulation of N-WASP and the Arp2/3 complex by Abp1 controls neuronal morphology. PLoS ONE, 2, e400
Pinyol, R., Haeckel, A., Ritter, A., Qualmann, B., Kessels, M.M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1371/journal.pone.0000400) - (2008). The actin-binding protein Abp1 controls dendritic spine morphology and is important for spine head and synapse formation. J. Neurosci., 28, 10031-10044
Haeckel, A., Ahuja, R., Gundelfinger, E.D., Qualmann, B., Kessels, M.M.
- (2009). F-BAR proteins of the syndapin family shape the plasma membrane and are crucial for neuromorphogenesis. J. Neurosci., 29, 13715-13727
Dharmalingam, E., Haeckel, A., Pinyol, R., Schwintzer, L., Koch, D., Kessels, M.M., Qualmann, B.
- (2009). New players in actin polymerization--WH2-domain-containing actin nucleators. Trends Cell Biol., 19, 276-285
Qualmann B., Kessels M.M.
- (2011). Controlling actin cytoskeletal organization and dynamics during neuronal morphogenesis. Eur. J. Cell Biol. [Epub ahead of print]
Kessels, M.M., Schwintzer, L., Schlobinski, D., Qualmann, B.
