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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-87437
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2019/8743/


The Role of Centrosomal Microtubules in F-actin Dynamics during Neuronal Polarization

Die Rolle der zentrosomalen Mikrotubuli in der F-Aktin-Dynamik während der neuronalen Polarisation

Zhao, Bing

pdf-Format:
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Basisklassifikation: 35.70 , 42.13 , 42.15
Institut: Chemie
DDC-Sachgruppe: Biowissenschaften, Biologie
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Brune, Wolfram (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 01.09.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum: 28.03.2019
Kurzfassung auf Deutsch: Neuronen sind hochpolarisierte Zellen mit morphologisch und funktionell distinkten Bereichen, dem Axon und den Dendriten. Diese verleihen den Neuronen die Fähigkeit zur Integration und Übertragung von Informationen im Gehirn. Neuriten, die Vorläufer der Dendriten und des Axons, zeigen zunächst eine relativ einheitliche Morphologie, bis sich einer von ihnen verlängert und seine axonale Identität erhält. Dieser Vorgang wird als neuronale Polarisation bezeichnet. Sowohl das Aktin- als auch das Mikrotubuli (MT)-Zytoskelett spielen eine unentbehrliche Rolle bei der Axonbildung. Jedoch, ob ein funktionelles Zusammenspiel zwischen Mikrotubuli und Aktindynamik in auswachsenden Axonen besteht und ob dies an der neuronalen Polarisation maßgeblich beteiligt ist, bleibt unklar.
In der vorliegenden Studie habe ich zuerst die Aktin-Dynamik während der Entwicklung von Neuronen in der Zeit der Axonbildung charakterisiert. Der Wachstumskegel ist eine zelluläre Domäne an der Spitze der Neuriten, die mit dynamischem Aktin angereichert ist. Die Aktin-Dynamik in Wachstumskegeln wurde seit langem untersucht. Mit dieser Studie konnte ich zeigen, dass im neuronalen Soma Aktin als punktförmige Struktur vorliegt und dass diese eine sehr variable Lebensdauer haben: Die Aktinpunkte erscheinen und verschwinden, was auf eine sehr dynamische Organisation des somatischen Aktins hindeutet. Die Analyse der Verteilung der Aktinpunkte und die ultrastrukturellen Bildanalysen zeigen, dass sich diese Aktinpunkte vorzugsweise in der Nähe des Zentrosoms, dem MT-Organisationszentrum, aufhalten. Pharmakologische Manipulation der MT enthüllen eine negative Korrelation zwischen MT- und Aktin-Dynamik, was darauf hindeutet, dass MT die Aktin-Dynamik modulieren und dass ein funktionelles Zusammenspiel zwischen diesen beiden besteht.
Als nächstes habe ich die Rolle von Drebrin, einem bekannten MT-Aktin-Vernetzer, zusammen mit dem MT Plus-Ende-bindenden Protein EB3 untersucht. Drebrin korreliert stark mit der Aktin-Dynamik und ist an der Axon-Verlängerung beteiligt. Eine Störung der Wechselwirkung zwischen MT und Actin mittels mutiertem Drebrin oder verkürztem EB3 führt zu einer verstärkten Aktin-Dynamik und einer eingeschränkten Bildung der Wachstumskegel. Frühere Studien haben gezeigt, dass die Aktin-Dynamik im Wachstumskegel für die Ausbildung des Axons entscheidend ist. Meine Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Drebrin-und-EB3-vermittelten Interaktion während der Axonentwicklung.
Zusammen genommen konnte ich zeigen, dass MTs die globale Aktin-Dynamik mittels Drebrin und EB3 regulieren und diese Direktive für die neuronale Polarisation kritisch ist.
Kurzfassung auf Englisch: Neurons are a highly polarized cell type, with morphologically and functionally distinct cellular compartments: axon and dendrites, which endow neurons the ability of integrating and transmitting information in the brain. Neurites, the precursor of dendrites and the axon, exhibit relatively uniform morphology until one of them elongates preferentially more than the others and acquires the axonal identity. This process is referred to as neuronal polarization. Both actin and microtubule (MT) cytoskeleton have been shown to play an indispensable role in axon formation. However, whether a functional interplay exists between microtubules and actin dynamics in growing axons and whether this is instrumental to neuronal polarization remain elusive.
In the present study, I first characterized the actin dynamics in developing neurons during the time of axon formation. The growth cone is a cellular domain present at the neurite tip and is enriched with dynamic actin. Actin dynamics in growth cones has long been studied. Here I also found that in the neuronal soma, actin is present as puncta, which appear and disappear with different lifetimes, suggesting a very dynamical organization of somatic actin. Analysis of actin dot distribution and ultrastructural imaging reveal that these dots preferentially distribute near the centrosome, the MT organization center. Pharmacological manipulations of MT unveil a negative correlation between MT and actin dynamics, suggesting that MT modulate actin dynamics and a functional crosstalk exists between these two.
Next I also studied the role of drebrin, a known MT-actin crosslinker together with MT plus end binding protein EB3. Drebrin is found to be strongly correlated with actin dynamics and involved in axon elongation. Disruption of the interaction between MT and actin via mutated drebrin and truncated EB3 leads to the attenuated actin dynamics and impaired growth cone formation. Previous studies have shown that actin dynamics in the growth cone is crucial for axon formation; therefore my data highlights the essentiality of drebrin-and-EB3-mediated interaction in axon development.
Taken together I have shown that MTs instruct global actin dynamics via drebrin and EB3 and this instruction is critical for neuronal polarization.

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