Centrosome-dependent microtubule stabilization and somatic F-actin translocation into neurites affect neuronal polarization

Abstract

Neuronen durchlaufen einen komplizierten Prozess, um ein Axon und mehrere Dendriten zu bilden, die den Informationsprozess ermöglichen. Dieser zelluläre Prozess ist stark stereotyp, wobei einer der Neuriten austritt und zum Axon wird und sich die weiteren Neuriten nacheinander zu Dendriten entwickelt. Die Bildung des Axons zeichnet sich durch einen dynamischen Wachstumskegel und stabilere Mikrotubuli aus. Kürzlich haben wir festgestellt, dass somatisches F-Aktin in die Zellperipherie transportiert wird, um das Verhalten der Wachstumskegel zu beeinflussen. Meine Studie zeigt, dass die Zentrosom-abhängige Mikrotubuli-Stabilisierung die Bedingungen für die Axonbildung schafft. Insbesondere konnte ich durch Immunfärbung und Western-Blot-Analyse feststellen, dass acetylierte Mikrotubuli, die ursprünglich in der Nähe des Zentrosoms organisiert waren, sich radial ausbreiten, wenn der unpolarisierte Zustand aufgehoben wird, und sich schließlich in einem bestimmten Neuriten anreichern, dem mutmaßlichen Axon. Darüber hinaus habe ich beobachtet, dass Cep120, ein zentriolares Protein, den Grad der Mikrotubuli-Acetylierung moduliert, um folglich die Axonbildung über die Regulierung der Cep120-Expression zu steuern. Andererseits konnte ich durch Photoaktivierungsanalyse feststellen, dass somatisches F-Aktin bevorzugt in die kürzeren Neuriten verlagert wird, um deren Wachstum während der Axonbildung zu unterdrücken. Dementsprechend wird während des Dendritenwachstums die somatische F-Actin-Translokation aus allen Neuriten drastisch verringert, was darauf hindeutet, dass der somatische F-Actin-Fluss in wachsende Neuriten ein hemmendes Signal für das Zellwachstum ist. Mechanistisch konnte ich entdecken, dass Myosin-II-Motoren diese radiale somatische F-Aktin-Translokation vermitteln. Darüber hinaus deuten meine Daten darauf hin, dass die Aktinphosphorylierung an Tyrosin-53 in den Neuritenschäften diese somatische F-Aktin-Translokation in Neuriten ausschließt/minimiert und dadurch das Neuritenwachstum erleichtert. Darüber hinaus zeigen meine Ergebnisse, dass die Akkumulation der Kinesin-1-Motordomäne, die der früheste Marker der axonalen Identität ist, selektiv im Neurit mit stärker phosphoryliertem Aktin erfolgt. Wichtig ist, dass die Mikrotubuli-Acetylierung und Aktin-Phosphorylierung an Tyrosin-53 im längsten Neurit, der als Axon wächst, gemeinsam angereichert sind. Die pharmakologische Verstärkung der Mikrotubuli-Acetylierung fördert die Aktinphosphorylierung, um die Etablierung der Polarität zu regulieren. Meine Daten liefern mechanistische Einblicke in die Rolle des Zentrosoms, das die Stabilisierung der Mikrotubuli bei der Axonbildung organisiert. Darüber hinaus zeige ich einen zellulären Mechanismus, der aus der Translokation von somatischem F-Aktin in Neuriten besteht und das Neuritenwachstum hemmt. Schließlich stelle ich fest, dass dieser somatischen F-Aktin-Translokation in Neuriten durch Aktin-Phosphorylierung an Tyrosin-53 im Neuritenschaft entgegengewirkt wird; Dadurch wird die neuronale Polarisierung in Synergie mit der Acetylierung der Mikrotubuli gefördert.

Neurons undergo an intricate process to generate an axon and several dendrites enabling information process. This cellular process is highly stereotyped during which one of the neurites outpaces the others to become the axon, while the rest sequentially develop into dendrites. The formation of the axon is featured with a dynamic growth cone and more stable microtubules. Recently, we identified that somatic F-actin is transported to the cell periphery to affect growth cone behavior. My study unveiled that centrosome-dependent microtubule stabilization sets the conditions for axon formation. Specifically, by immunostaining and western blot analysis I could detect that acetylated microtubules initially organized near the centrosome spread out radially as the unpolarized state is broken, and are eventually enriched in one specific neurite which is the putative axon. Moreover, I have observed that Cep120, a centriolar protein, modulates the level of microtubule acetylation to consequently direct axon formation via the regulation of Cep120 expression. On the other hand, by photoactivation analysis I could ascertain that somatic F-actin is preferentially translocated into the shorter neurites to suppress their growth during axon formation. Accordingly, during dendrite outgrowth somatic F-actin translocation to all neurites is drastically diminished suggesting somatic F-actin flow into growing neurites is an inhibitory signal for cellular growth. Mechanistically, I could discover that myosin II motors mediate this radial somatic F-actin translocation. Furthermore, my data indicate that actin phosphorylation at tyrosine-53 in the neurite shaft excludes/minimizes this somatic F-actin translocation into neurites, thereby facilitating neurite growth. Additionally, my results unveil that the accumulation of the Kinesin-1 motor domain, which is the earliest marker of axonal identity, occurs selectively in the neurite with more phosphorylated actin. Importantly, microtubule acetylation and actin phosphorylation at tyrosine-53 are co-enriched in the longest neurite that grows as an axon. Pharmacological enhancement of microtubule acetylation promotes actin phosphorylation to regulate the establishment of polarity. My data provide mechanistic insights into the role of the centrosome organizing microtubule stabilization in axon formation. Moreover, I uncovered a cellular mechanism consisting of the translocation of somatic F-actin into neurites, which inhibits neurite growth. Finally, I identified that this somatic F-actin translocation into neurites is counteracted by actin phosphorylation at tyrosine-53 in the neurite shaft; thus, promoting neuronal polarization in synergy with microtubule acetylation.