Publikation: Molecular roles of the Prion Protein in zebrafish embryos and cultured cells
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The prion protein (PrP) is a cell surface glycoprotein, best known for its key role in infectious brain disorders in which it misfolds, forms aggregates and triggers neurodegeneration. Although the misfolding and aggregation of PrP in the brain constitute hallmarks of these disorders, it has become clear that normally folded PrP molecules contribute to neuronal death via an activity carried out on neuronal surfaces. Thus, aggregates of misfolded PrP trigger neurodegeneration possibly by subverting the function of normal PrP molecules. A physiological role of PrP in signal transduction is consistent with this thesis, but the exact nature of PrP’s function and the underlying molecular mechanisms have remained elusive. Our laboratory identified the zebrafish orthologue PrP-1 as a positive regulator of E-cadherin based cell-cell adhesion during early embryonic development. Due to their impaired tissue cohesiveness, PrP-1 knockdown embryos failed to undergo morphogenesis and became arrested at gastrulation. Interestingly, mammalian (mouse) PrP could compensate for PrP-1 loss of function, indicating that the control of cell adhesion is a basic, conserved function of PrPs. The goal of my thesis was to elucidate the conserved cellular and molecular mechanisms by which PrP exerts its regulation over E-cadherin-based adhesion in the zebrafish gastrula. Our morpholino knockdown experiments revealed that the Src tyrosine kinases Fyn and Yes act downstream of PrP-1 to prevent the endocytosis of cell surface adhesion complexes, composed of transmembrane E-cadherin and its intracellular binding partner β-catenin. Accordingly, downregulation of Fyn/Yes or PrP-1 produce similar gastrulation phenotypes and defects in cell adhesion, whereas the exogenous expression of these kinases in PrP-1 knockdown embryos leads to developmental recovery.
We further show that zebrafish and mouse PrPs positively regulate the activity of Src kinases and that these have an unexpected, positive effect on E-cadherin-mediated cell adhesion in vivo. In addition, while PrP knockdown disrupts the cell surface localization of E-cadherin, PrP mRNA overexpression enhances it, thereby sequestering β-catenin at the plasma membrane and antagonizing its parallel role as a transcription activator in the nucleus. This, in turn, leads to impaired development of embryonic dorsal structures, which largely depends on β-catenin nuclear signaling. Through mutational analysis, we found that the ability of PrP to localize at cell-cell contacts and influence zebrafish gastrulation phenotypes depends on its anchorage at the plasma membrane as well as on its repetitive and globular domains. In addition, we show that a small polybasic stretch within PrP’s N-terminus, reportedly encoding neuroprotective properties, is essential to the role of PrP during zebrafish gastrulation. Conversely, PrP activity was not affected by deletion of a central stretch that controls neurotoxicity in transgenic mice, although the corresponding zebrafish mutant PrPs were toxic to mammalian cells. Finally, in light of the recent identification of PrPC as a receptor for neurotoxic Aβ oligomers in Alzheimer’s disease, we assessed the effects of these species on PrP-mediated signaling in zebrafish embryonic cells. These experiments revealed that exposure to Aβ oligomers leads to the PrP-1-dependent activation of Src kinases and a simultaneous increase in the levels of E-cadherin, thus mimicking a PrP gain-of-function scenario. Taken together, these findings highlight the remarkable functional conservation of vertebrate PrPs in the regulation of complex intracellular signals relevant to the fields of development, neurodegeneration and cell adhesion.
Zusammenfassung in einer weiteren Sprache
Das Prion Protein (PrP) ist ein glykosyliertes Protein an der Zelloberfläche, welches für seine Schlüsselrolle in übertragbaren krankhaften Veränderungen des Gehirns bekannt ist, den sogenannten Prion-Krankheiten oder “übertragbaren, spongiformen Enzephalopathien”. Hierbei verliert PrP seine normale Konformation, aggregiert und verursacht Neurodegeneration. Die Umwandlung von normalem, zellulären PrP (PrPC) in eine missgefaltete, zur Aggregation tendierende Isoform (PrPSc) gilt als Kennzeichen dieser Krankheitsgruppe und ist ein wichtiger Auslöser für neuronalen Zelltod. Außerdem steht aber mittlerweile fest, dass die Anwesenheit von normalem PrPC auf der Neuronenoberfläche ebenfalls eine Voraussetzung für die Einleitung des neurodegenerativen Prozesses ist. Aus diesem Grund wird die Hypothese weitgehend unterstützt, dass missgefaltetes/aggregiertes PrPSc seine neurotoxische Wirkung ausübt indem es eine physiologische Funktion/Aktivität von PrPC auf der Zellmembran umwandelt oder destabilisiert. Die anerkannte Rolle von PrP als Signaltransduktionsmolekül würde mit einem solchen Szenario übereinstimmen. Jedoch sind die von PrP regulierten molekularen Signale noch größtenteils unbekannt. Unser Labor hat in einer früheren Studie entdeckt, dass das Zebrafisch-Ortholog PrP-1 als positiver Regulator von E-cadherin-vermittelter Zell-Zell-Adhäsion während der frühen Embryonalentwicklung (Gastrulation) fungiert. Dementsprechend blieben Embryonen, in denen PrP-1 ausgeschaltet war, früh in ihrer Entwicklung stehen, weil ihre Zellen nicht stark genug aneinander haften konnten um notwendige morphogenetische Bewegungen durchzuführen. Interessanterweise konnte überexprimiertes Säugetier-(Maus) PrP den Verlust der PrP-1 Funktion kompensieren, was darauf hindeutete, dass die Fähigkeit Zelladhäsion zu regulieren ein evolutiv konserviertes Merkmal von PrP ist. Das Ziel dieser Arbeit war die konservierten, zellulären Signalwege zu identifizieren, durch die PrP E-cadherin-Adhäsion in der Gastrula reguliert. Es konnte gezeigt werden, dass die Src Tyrosinkinasen Fyn und Yes im Signalweg unterhalb von PrP aktiviert werden und dabei die Endozytose von Adhäsionskomplexen verhindern, die aus transmembranem E-cadherin und seinem intrazellulären Bindepartner β-catenin bestehen. Dementsprechend ähnelten sich die Phänotypen von Zebrafischembryonen mit einem PrP-1 oder einem Fyn/Yes knockdown, während die von PrP-1 knockdown verursachten Entwicklungsdefekte sich durch exogene Fyn- und Yes- Expression überwinden ließen.
Interessant ist auch unser Befund, dass PrP-Depletion die Lokalisierung von β-catenin an der Plasmamembran beeinträchtigt, wogegen eine PrP-Überexpression diese Lokalisierung übermäßig fördert. Dadurch wirkt PrP der, neben der Zelladhäsion, zweiten Funktion von β-catenin als Transkriptionsaktivator im Zellnukleus stark entgegen. Die unnatürliche Stabilisierung von β-catenin an der Plasmamembran und die daraus resultierende Unfähigkeit in den Nukleus zu translozieren, inhibiert die Entwicklung von dorsalem Embryonalgewebe, dessen Ausbildung auf β-catenin-vermittelte Transkription angewiesen ist. Wir zeigen weiterhin, dass die subzelluläre Lokalisierung von PrP (Maus oder Zebrafisch) und seine Fähigkeit die Gastrulation zu beeinflussen sowohl von seiner Verankerung an der Zellmembran als auch von seiner repetitiven und globulären Domäne abhängt. Als ebenso wichtig für die Funktionalität von PrP (Maus) im Zebrafish Embryo erwies sich eine kurze positiv geladene Region im N-Terminus, die in anderen Studien als essentiell für die neuroprotektive Wirkung des Proteins erachtet wurde. Im Gegensatz dazu, zeigte sich kein Effekt auf die Aktivität von Maus-PrP bei Deletion der zentralen Region des Proteins, die laut anderer Studien Einfluss auf neurotoxische Ereignisse in transgenen Mäusen hat. Interessanterweise verursachten aber Zebrafsch PrP Mutanten mit fehlender zentralen Region ähnliche Toxizität in Säugetierzellen wie die entsprechende Maus Deletionsmutante. Aufgrund jüngster Erkenntnisse, dass PrPC nicht nur wichtig für Prion-Erkrankungen ist, sondern auch als Rezeptor für neurotoxische Aβ-Oligomere in der Alzheimer-Krankheit fungiert, untersuchten wir die Effekte dieser toxischen Spezies auf PrP-abhängige Signalwege in embryonalen Zebrafischzellen. Wir fanden heraus, dass die Behandlung von Zellen mit Aβ-Oligomeren eine PrP-1-vermittelte Aktivierung von Src kinasen und die Erhöhung der zellulären Mengen von E-cadherin verursachte und damit ein PrP “gain-of-function” Szenario nachahmte. Insgesamt heben diese Befunde die bemerkenswerte funktionelle Konservierung von PrP innerhalb der Vertebratengruppe, in Bezug auf seine Fähigkeit komplexe intrazelluläre Signale zu regulieren, hervor. Diese sind von besonderer Wichtigkeit für die Fachgebiete der Entwicklungsbiologie, der neurodegenerativen Erkrankungen, sowie auch der Zelladhäsion.
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SEMPOU, Aimilia, 2014. Molecular roles of the Prion Protein in zebrafish embryos and cultured cells [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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The goal of my thesis was to elucidate the conserved cellular and molecular mechanisms by which PrP exerts its regulation over E-cadherin-based adhesion in the zebrafish gastrula. Our morpholino knockdown experiments revealed that the Src tyrosine kinases Fyn and Yes act downstream of PrP-1 to prevent the endocytosis of cell surface adhesion complexes, composed of transmembrane E-cadherin and its intracellular binding partner β-catenin. Accordingly, downregulation of Fyn/Yes or PrP-1 produce similar gastrulation phenotypes and defects in cell adhesion, whereas the exogenous expression of these kinases in PrP-1 knockdown embryos leads to developmental recovery.<br /><br />We further show that zebrafish and mouse PrPs positively regulate the activity of Src kinases and that these have an unexpected, positive effect on E-cadherin-mediated cell adhesion in vivo. In addition, while PrP knockdown disrupts the cell surface localization of E-cadherin, PrP mRNA overexpression enhances it, thereby sequestering β-catenin at the plasma membrane and antagonizing its parallel role as a transcription activator in the nucleus. This, in turn, leads to impaired development of embryonic dorsal structures, which largely depends on β-catenin nuclear signaling. Through mutational analysis, we found that the ability of PrP to localize at cell-cell contacts and influence zebrafish gastrulation phenotypes depends on its anchorage at the plasma membrane as well as on its repetitive and globular domains. In addition, we show that a small polybasic stretch within PrP’s N-terminus, reportedly encoding neuroprotective properties, is essential to the role of PrP during zebrafish gastrulation. Conversely, PrP activity was not affected by deletion of a central stretch that controls neurotoxicity in transgenic mice, although the corresponding zebrafish mutant PrPs were toxic to mammalian cells. Finally, in light of the recent identification of PrPC as a receptor for neurotoxic Aβ oligomers in Alzheimer’s disease, we assessed the effects of these species on PrP-mediated signaling in zebrafish embryonic cells. These experiments revealed that exposure to Aβ oligomers leads to the PrP-1-dependent activation of Src kinases and a simultaneous increase in the levels of E-cadherin, thus mimicking a PrP gain-of-function scenario. 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