Cellular form of prion protein (PrPC) associates with contactin associated protein (Caspr) and inhibits its serine protease reelin-mediated shedding on the neuronal surface in mouse (Mus musculus, Linnaeus, 1758)

Abstract

Summary Prion protein (PrP) is an adhesion molecule anchored to the membranes of neurons by a glycosylphosphatidylinositol anchor (GPI). PrP regulates its neuronal survival, neurite outgrowth and synapse formation. Misfolding of this protein results in the formation of its scrapie form, which is the causative agent of Creutzfeldt - Jakob disease, Bovine Spongiform Encephalopathy and Transmissible Spongiform encephalopathies. Hence, understanding of the mechanisms by which PrP regulates its cellular functions is an important issue in the field of neurobiology. We identified Contactin associated protein (Caspr) as a novel binding partner of PrP. Both proteins are associated with each other in the brain as shown by coimmunoprecipitation experiments and directly interact as shown by ELISA. We show that PrP regulates Caspr levels in neurons by inhibiting serine protease dependent shedding of Caspr from the neuronal surface membrane. Reelin was identified as a major serine protease that mediates Caspr shedding in a PrP-dependent manner. In cultured cerebellar neurons, PrP deficiency resulted in enhanced reelin-mediated shedding of Caspr from the cell surface. PrP deficiency also resulted in reduced levels of the full length Caspr in the brain accompanied by an increase in the levels of proteolytic degradation product of Caspr indicating that PrP inhibits Caspr shedding in the brain tissue also. We show that antibody-induced Caspr clustering at the surface of live neurons inhibits neurite outgrowth. In accordance with this observation, neurite outgrowth in PrP deficient cerebellar neurons maintained in vitro and locomotor recovery following spinal cord injury was enhanced correlating with reduced levels of Caspr in this mutant. Thus we reveal a previously unrecognized role for Caspr and PrP in inhibitory modulation of neurite outgrowth in central nervous system neurons.

Zusammenfassung PrP (prion protein) ist ein Adhäsionsmolekül, das mittels eines Glycosylphosphatidylinositol (GPI)-Ankers mit der Membran verbunden ist. PrP reguliert Zellüberleben von Neuronen,Neuritenwachstum sowie Synapsenbildung. Eine falsche Faltung des Proteins führt zur Entstehung der Scrapie-Form, die wiederum die Creutzfeldt-Jacob-Krankheit, BSE (Bovine Spongiform Encephalopathy) und TSE (Transmissible Spongiform Encephalopathies)verursacht. Deshalb ist die Erforschung der Mechanismen, durch die PrP Zellfunktionen reguliert, ein sehr wichtiges Feld innerhalb der Neurobiologie. Wir konnten Caspr (Contactin associated protein) als neuen Bindungspartner von PrP identifizieren. Mittels Coimmunpräzipitationen wurde eine Assoziation der beiden Proteine im Gehirn gezeigt. In ELISA-Experimenten weisen PrP und Caspr außerdem eine direkte Bindung aneinander auf. Wir zeigen, dass PrP die Expressionslevel von Caspr in Neuronen reguliert, indem es die Serinprotease-abhängige Abspaltung von Caspr von neuronalen Zelloberflächen inhibiert. Reelin wurde als hauptsächlich verantwortliche Serinprotease identifiziert, die die Abspaltung von Caspr in Abhängigkeit von PrP vermittelt. In kultivierten Kleinhirnneuronen führte die Defizienz von PrP zu erhöhter Reelin-vermittelter Abspaltung von Caspr von der Zelloberfläche. Außerdem konnte bei PrP-Defizienz eine verringerte Menge von Caspr voller Länge im Gehirn nachgewiesen werden, während gleichzeitig die Menge des proteolytischen Abbauproduktes von Caspr erhöht war. Dies weist darauf hin, dass PrP die Caspr-Abspaltung auch in Gehirngewebe inhibiert. Wir zeigen auch, dass eine durch Antikörper hervorgerufene Verdichtung von Caspr auf der Oberfläche lebender Neurone das Neuritenwachstum in vitro inhibiert. In Übereinstimmung mit diesen Beobachtungen waren sowohl eine Förderung des Neuritenwachstums von in vitro kultivierten PrP-defizienten Kleinhirnneuronen sowie eine verbesserte Erholung der Beweglichkeit nach Rückenmarksverletzungen in PrP-defizienten Mäusen zu beobachten. Beide Effekte korrelieren mit einer verringerten Menge von Caspr in dieser Mutante. Folglich konnten wir eine vorher unbekannte Rolle von Caspr und PrP in der inhibitorischen Regulierung von Neuritenwachstum im zentralen Nervensystem aufzeigen.