The neural cell adhesion molecule associates with and signals through p21-activated kinase 1 to regulate neuronal growth cone morphology in mice (Mus musculus Linnaeus, 1758)

Abstract

Das neurale Zelladhäsionsmolekül (NCAM) ist ein Mitglied der Zelladhäsionsmoleküle der Immunglobulin-Superfamilie. Als das prominenteste Zelladhäsionsmolekül im Nervensystem spielt NCAM eine wichtige Rolle in der Regulation der neuronalen Morphologie, des Wachstums und der Migration. Fehlfunktionen von NCAM werden mit psychiatrischen Erkrankungen wie Schizophrenie und bipolarer Störung in Verbindung gebracht. Die verschiedenen Wege auf denen NCAM diverse zelluläre Antworten auslöst, sind jedoch noch nicht vollständig aufgeklärt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde Pak1 (p21-activated kinase 1) als neuer Bindungspartner der intrazellulären Domäne von NCAM identifiziert. Paks sind stark konservierte Serin- / Threonin-Proteinkinasen, deren Aktivität durch die Bindung von aktiven GTPasen der Rho-Familie, Rac und Cdc42 und Lipiden stimuliert wird. Sie sind sehr wichtig für die Organisation des Zytoskeletts, Transkriptionsregulation, Zelltod und Zellüberleben sowie die Bildung von Oxidationsmitteln in phagozytierenden Leukozyten. In dieser Studie konnte gezeigt werden, dass das Clustering von NCAM auf der Membran von Wachstumskegeln das Phosphorylierungsmuster von Pak1 beeinflusst. Dies führt zur Aktivierung von Pak1, was die Aktivierung von LIMK1 und Cofilin zur Folge hat. Der Phosphorylierungsstatus, die Kinaseaktivität und der Level von Membran-assoziiertem Pak1 sind abnormal in Gehirnen von NCAM-defizienten Mäusen. Die Expression und Phosphorylierung von LIMK1 und cofilin sind in der Mutante ebenfalls disreguliert. NCAM verstärkt die Aktivität von Pak1, indem es die Bildung des Pak1-Cdc42-PIX Komplexes in lipid rafts fördert. Aktives Pak1 wird schnell ins Zytosol freigesetzt, um dort LIMK zu phosphorylieren und aktivieren. LIMK1 phosphoryliert anschließend cofilin und hemmt dadurch dessen Fähigkeit, Aktinfilamente zu zerteilen und zu depolymerisieren. Der gesteigerte Level von aktivem, nicht-phosphoryliertem cofilin in NCAM-defizienten Gehirnen verursacht eine übermäßige Aktindepolymerisation, was in vitro zu morphologischen Abnormitäten der Wachstumskegel führt. Dies beinhaltet die Vergrößerung der Wachstumskegel und die Hemmung der Filopodienbildung sowie deren Mobilität. Meine Ergebnisse tragen somit zum Verständnis der molekularen Mechanismen bei, die der NCAM-vermittelten Reorganisation des Zytoskeletts und dem Wachstum von Neuriten zugrunde liegt.

The neural cell adhesion molecule (NCAM) is a member of the immunoglobulin superfamily of cell adhesion molecules. Being the most prominent cell adhesion molecule in the nervous system, NCAM plays important roles in regulating neuronal morphology, growth and migration. NCAM dysfunction is linked to human brain disorders such as schizophrenia and bipolar disorder. However, the various ways by which NCAM evokes its cellular responses are not completely understood.

In the present study, p21-activated kinase 1 (Pak1) was identified as a new binding partner of the intracellular domain of NCAM. Paks are highly conserved serine / threonine protein kinases. Their activity is stimulated by the binding of active Rho family GTPases Rac and Cdc42 and lipids. They are very important for the cytoskeletal organization, transcription regulation, cell death and survival signaling and oxidant generation in phagocytic leukocytes.

It was revealed in this study that clustering of NCAM on growth cone membrane changed the phosphorylation pattern of Pak1, leading to activation of Pak1 and its effectors LIMK1 and cofilin. The phosphorylation status, kinase activity and levels of membrane associated Pak1 were abnormal in brains of NCAM-deficient mice. Expression and phosphorylation of LIMK1 and cofilin were dysregulated in the mutant as well. NCAM enhanced Pak1 activity by promoting formation of Pak1-Cdc42-PIX complexes at lipid rafts. Active Pak1 was rapidly released back to the cytosol to phosphorylate and activate LIMK1 which further phosphorylated cofilin and inhibited its filamentous actin severing and depolymerizing property. Increased levels of active non-phosphorylated cofilin in NCAM-deficient brains caused excessive actin depolymerization which resulted in morphological abnormalities of growth cones in vitro, including enlargement of growth cones and inhibition of filopodia formation and mobility.

In conclusion, the findings of this thesis work will contribute to a better understanding of the molecular mechanisms underlying NCAM-mediated cytoskeletal reorganization and neurite outgrowth.