Funktionen von Polysialinsäure (PSA) und Polysialyltransferasen während der Entwicklung des Zebrafischembryo
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Polysialinsäure (polySia) ist eine hoch spezifische und dynamisch regulierte posttranslationale Modifikation des neuralen Zelladhäsionsmoleküls (NCAM). Während der Entwicklung des Nervensystems in höheren Vertebraten ist polySia an dynamischen Prozessen wie Zellmigration, axonaler Weg- und Zielfindung und Synapsenbildung beteiligt. Unsere Arbeiten fokussieren auf die Rolle von polySia bei der neuronalen Entwicklung des Zebrafisches (Danio rerio). Ältere Arbeiten aus unserem Labor haben gezeigt, dass polySia transient auf den Zellkörpern aller Neurone des sich entwickelnden Nervensystems exprimiert wird, aber nur einigen, spezialisierten Axonpopulationen. PolySia ist im Zebrafisch an der Wegfindung von verschiedenen kommissuralen Axonen beteiligt und wirkt hierbei über unterschiedliche Mechanismen. Die Arbeiten im beantragten Projekt hatten zum Ziel, die Funktion der polySia im Nervensystem zu analysieren und die Mechanismen aufzuklären, die die differenzierte, subzelluläre Verteilung von polySia in unterschiedlichen Neuron-Typen vermitteln. Dazu haben wir 1.) die Enzyme der Polysialylierung untersucht. Wir haben aus dem Zebrafisch die beiden Polysialyltransferasen St8SiaII und St8SiaIV kloniert, für schon aus Säugern bekannt sind. Abweichend von der Situation bei Säugetieren, ist wird im embyonalen Zebrafisch fast ausschließlich St8SiaII exprimiert, die auch den Hauptteil der polySia synthetisiert. Das Ausschalten von St8SiaII durch Morpholino-Injektionen induziert ein verändertes Faszikulierungs- und Projektionsmuster kommissuraler Axontrakte im Hinterhirn und in der posterioren Kommissur. ST8SiaIV finden wir nur in wenigen, eng begranzten Strukuren. Die mRNA der St8SiaII weist in ihrer 3’-UTR ein CPE-Motiv auf (cytoplasmic polyadenylation signal), ein Motiv, das die Translation einer gekoppelten mRNA unterdrücken kann und auch als Regulator eines axonalen Transports von mRNAs diskutiert wird. Wir haben gezeigt, dass die Blockierung des CPE-Elements der St8SiaII durch Morpholino-Injektion den polySia-Besatz der spinalen Motonaxone, nicht aber den der Zellkörper unterdrückt. Dieser überraschende Befund liefert erstmals für ein Golgi-verankertes Enzym Evidenzen dafür, dass seine mRNA einem CPE-vermittelten axonalen Transport unterliegt. Dass neben St8SiaII auch die nur schwach exprimierte St8SiaIV polySia-katalytische Aktivität besitzt, konnten wir durch rekombinante Expression im Zebrafisch zeigen. 2.) haben wir die Sialyltransferase St8SiaIII kloniert, die neben einer frühen neuronalen Expression eine sehr prominente, hoch dynamisch regulierte Expression in den Somiten, den Vorläufern der Rumpfmuskulatur, aufweist. St8SiaIII hat eine Funktion bei der Ausbildung und der Strukturaufrechterhaltung der Somiten, die sich auch auf das Projektionsmuster einwachsender Motoraxone auswirkt. Damit konnte erstmals eine nicht-neuronale Aktivität einer (Poly)-Sialyltransferase in vivo, im ganzen Tier, gezeigt werden. 3.) haben wir die Substrate der Polysialylierung im Zebrafisch untersucht. Neben dem von vielen Wirbeltieren bekannten neuralen Zelladhäsionsmolekül NCAM exprimiert der Zebrafisch ein Paralog, PCAM, das ein mit dem von NCAM überlappendes Expressionsmuster zeigt. Beide Zelladhäsionsmoleküle werden polysialyliert und haben zumindest teilweise redundante Funktionen. Damit konnten wir den Zebrafisch als das erste Modellsystem beschreiben, in dem erstaunlicherweise nur ca. 70 % der poySia an NCAM gebunden sind. Auch die mRNAs von NCAM und PCAM weisen in ihrer 3’-UTR ein CPE-Motiv auf. Unsere Versuche, diesen Regelmechanismus für die Translation von NCAM und PCAM in polySia-positiven Axonen nachzweisen, waren allerdings noch nicht erfolgreich. Wir haben jedoch die Expressionsmuster der für diesen Vorgang relevanten CPE-bindenden Proteine untersucht und finden, dass CPEB2, 3 und 4 zumindest in Teilbereichen der relevanten neuronalen Strukturen exprimiert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- 2004. Beyond the neckless phenotype: influence of reduced retinoic acid signaling on motor neuron development in the zebrafish hindbrain. Dev. Biol. 271:119-129
Begemann G, Marx M, Mebus K, Meyer A, Bastmeyer M
- 2007. Divergent evolution of the vertebrate polysialyltransferase Stx and Pst genes revealed by fish-to-mammal comparison. Dev. Biol. 306:560-571
Marx M, Rivera-Milla E, Stummeyer K, Gerardy-Schahn R, Bastmeyer M
- 2008. Molecular evolution and expression of zebrafish St8SiaIII, an alpha-2,8-sialyltransferase involved in myotome development. Dev. Dyn. 237:808-818
Bentrop J, Marx M, Schattschneider S, Rivera-Milla E, Bastmeyer M
