The protein kinase DYRK1A regulates cell cycle progression, neuronal differentiation, and stability of the proteins p27 Kip1, Cyclin D1 and Septin4

Soppa, Ulf-Werner; Conrath, Uwe; Becker, Walter

doi:999910364211

The protein kinase DYRK1A regulates cell cycle progression, neuronal differentiation, and stability of the proteins p27 Kip1, Cyclin D1 and Septin4 = Die Proteinkinase DYRK1A reguliert den Zellzyklusablauf, die neuronale Differenzierung und die Stabilität der Proteine p27Kip1, Cyclin D1 und Septin4

Soppa, Ulf-Werner (Author)^RWTH*

2014

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Ulf-Werner Soppa

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2014

UmfangVIII, 125 S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2014

Zsfassung in dt. u. engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Becker, Walter (Thesis advisor)^RWTH* ; Conrath, Uwe (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2014-08-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-51796
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/444994/files/5179.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Zellzyklus (Genormte SW) ; Phosphorylierung (Genormte SW) ; Down-Syndrom (Genormte SW) ; Protein-Serin-Threonin-Kinasen (Genormte SW) ; Biowissenschaften, Biologie (frei) ; DYRK1A (frei) ; CyclinD1 (frei) ; p27Kip1 (frei) ; Septin4 (frei) ; neuronale Differenzierung (frei) ; cell cycle (frei) ; Down syndrome (frei) ; phosphorylation (frei) ; protein kinase (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Dual specificity tyrosine-(Y)-phosphorylation regulated kinase 1A (DYRK1A) ist auf dem humanen Chromosom 21 kodiert und daher beim Down Syndrom 1,5-fach überexprimiert. Tierexperimentelle Studien belegen, dass Änderungen der DYRK1A Genexpression zu einer veränderten Gehirnentwicklung führen. Die Entwicklung des Gehirns wird durch eine präzise Regulation der neuronalen Differenzierung durch Kontrolle des Zellzyklusaustritts gesteuert. Es wird angenommen, dass eine vermehrte Expression von DYRK1A diesen Prozess negativ beeinflusst. Eine Normalisierung der erhöhten Aktivität von DYRK1A wird daher als eine mögliche Therapieoption im Down Syndrom angesehen. Allerdings sind die grundlegenden zellulären Mechanismen, über die DYRK1A die neuronale Entwicklung und den neuronalen Zellzyklus beeinflusst, weitgehend ungeklärt. Im Hauptteil dieser Arbeit wurde daher untersucht, ob DYRK1A eine regulatorische Funktion im neuronalen Zellzyklus einnimmt. Hierzu wurden humane SH-SY5Y Neuroblastomzellen erzeugt, die DYRK1A kontrollierbar überexprimieren. Es konnte gezeigt werden, dass DYRK1A sowohl abhängig vom Grad der Überexpression als auch abhängig von der Kinaseaktivität zu einem G1-Phase Zellzyklusarrest von SH-SY5Y Zellen führte. Eine anhaltende Überexpression führte letztendlich zu einem G0 Zellzyklusaustritt und einer vorzeitigen neuronalen Differenzierung. Darüber hinaus regulierte DYRK1A die Proteinstabilität der Zellzyklusregulatoren p27Kip1 und Cyclin D1 durch Phosphorylierung an Ser10, beziehungsweise Thr286. Zudem wurde nachgewiesen, dass DYRK1A p27Kip1 sowohl in differenzierenden primären Mausneuronen, als auch im embryonalen Mausgehirn maßgeblich an Ser10 phosphorylierte. Damit wurde in dieser Arbeit ein neuer Mechanismus identifiziert, über den DYRK1A den neuronalen Zellzyklus und die neuronale Differenzierung beeinflusst. Septine sind GTP-bindende und filamentbildende Proteine. Zu ihren zellulären Funktionen zählen der Aufbau von zytoskeletalen Gerüsten und Diffusionsbarrieren. Septin4 akkumuliert in neurodegenerativen Proteinaggregaten und ist für die korrekte Migration kortikaler Neurone elementar. Die Regulation von Septin4 ist jedoch unbekannt. In dieser Arbeit wird ein neuer Mechanismus zur Regulation von Septin4 vorgestellt. Eine DYRK1A vermittelte Phosphorylierung an Ser107 bewirkte eine Änderung der Septin4 Proteinstabilität, was einen funktionellen Zusammenhang von DYRK1A und Septin4 vermuten lässt. Darüber hinaus wurden neue Fusionsproteine konstruiert, um zukünftig den Einfluss der Ser107 Phosphorylierung auf die Proteinstabilität, die subzelluläre Lokalisation und den Filamentaufbau von Septin4 genauer untersuchen zu können.

Dual specificity tyrosine-(Y)-phosphorylation regulated kinase 1A (DYRK1A) is encoded on human chromosome 21 and thus 1.5-fold overexpressed in Down syndrome (DS). Reports from animal models provide strong evidence that an altered DYRK1A gene dosage results in disturbed brain development. Neuronal differentiation is regulated by an accurate control of G1-G0 cell cycle exit, and a disturbed expression of DYRK1A is assumed to deregulate this process. Hence, normalization of elevated DYRK1A kinase activity is currently considered as a possible therapeutic option in DS. Nonetheless, the underlying mechanisms how DYRK1A affects cell cycle regulation and neuronal development remain largely unknown. Therefore, the main part of this study aimed to elucidate the hypothesis that DYRK1A overexpression alters neuronal cell cycle progression and differentiation, and to identify the underlying molecular mechanisms. To investigate effects of DYRK1A overexpression in neuronal cell cycle progression a human cell model with controllable overexpression of DYRK1A was developed. This study shows that DYRK1A overexpression arrested SH SY5Y neuroblastoma cells in G1-phase dependent on its kinase activity and expression levels. Long-term overexpression of DYRK1A led to G0 cell cycle exit and premature neuronal differentiation. Moreover, DYRK1A affected protein stability of the cell cycle regulators p27Kip1 and Cyclin D1 in G1-phase by phosphorylation of their regulatory sites Ser10 and Thr286, respectively. Furthermore, DYRK1A contributed to p27Kip1 Ser10 phosphorylation in differentiating primary mouse neurons and in developing embryonic mouse brain. In summary, the study provides new mechanistic evidence that DYRK1A mediates neuronal cell cycle progression by regulation of G1-S-phase transition and G0 cell cycle exit. The reported findings support the assumption that DYRK1A overexpression contributes to the neurodevelopmental alterations that are present in DS. Septins are a family of GTP-binding and filament forming proteins that fulfill important cellular functions by formation of scaffolds or diffusion barriers. Septin4 was found in neurodegeneration related protein aggregates and is required for proper migration of cortical neurons. Nonetheless, the functional regulation of Septin4 remains unclear. Therefore, the second part of this thesis reports a novel mechanism to regulate Septin4 function. It is shown that DYRK1A phosphorylated Septin4 at Ser107 and that Ser107 phosphorylation affected Septin4 protein stability. These findings strongly indicated a functional relation of DYRK1A and Septin4. Therefore, Septin4 fusion proteins for future analysis of Ser107 phosphorylation in the regulation of protein stability and filament assembly were constructed.

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