Multi-level regulation of microtubules in neurons by microtubule-associated proteins, phosphorylation, and conformational changes

Abstract

Mikrotubuly jsou významnou složkou cytoskeletu neuronů, hrají důležité role ve vývoji nervové soustavy a jsou také nepostradatelné pro buněčný transport. Poruchy regulace mikrotubulů jsou pro neurony toxické a mohou vyústit v degeneraci neuronů nebo v některé neurovývojové poruchy. Dynamika mikrotubulů je regulována několika způsoby, mezi které patří interakce s proteiny vážícími mikrotubuly. Aktivita těchto regulačních proteinů je rovněž přísně kontrolována. Přestože byla popsána souvislost mezi narušenou regulací funkce některých mikrotubuly-vazebných proteinů a neurodegenerací, přesná regulace fungování těchto proteinů není zcela objasněna. Mezi proteiny vážící mikrotubuly patří CRMP2 a tau, které upravují dynamiku a stabilitu mikrotubulů a byly oba spojeny s patogenezí Alzheimerovy choroby. V této práci je popsána regulace funkce proteinu CRMP2 nastavením hladin CRMP2 isoforem, fosforylací zprostředkovanou kinázou Cdk5 a konformačními změnami katalyzovanými prolyl isomerázami PIN1 a FKBP12. Tyto regulační mechanismy mají přímý vliv na dynamiku mikrotubulů. Dále ukazujeme, že fosforylace kinázou Cdk5 má negativní dopad na utváření a stabilitu tau obálek (shluků tau proteinu spojených kooperativní vazbou a obalujících mikrotubuly), což vede ke snížení stability mikrotubulů v buňce. Naše výsledky...

Microtubules are crucial components of cytoskeleton in neurons, play important roles in neural development, and are indispensable for intracellular transport. The dysregulation of the microtubule dynamics is neurotoxic and can result in neurodegeneration or various neurodevelopmental disorders. Microtubule dynamics is regulated by several mechanisms, one of which are interactions with microtubule-associated proteins. The activity of microtubule- associated proteins is itself tightly controlled. Even though the dysregulation of many microtubule-associated proteins has been linked to human conditions, the precise regulation of their function is not completely understood. Microtubule-associated proteins CRMP2 and tau have been shown to control microtubule dynamics and stability and both have been associated with the pathogenesis of Alzheimer's disease. Here we show that CRMP2 function is regulated on the level of isoforms proportion, Cdk5- mediated phosphorylation, and conformational changes catalyzed by prolyl isomerases PIN1 and FKBP12. All of these have a direct impact on microtubule dynamics. We also show that Cdk5-mediated phosphorylation has a negative impact on the formation and maintenance of tau envelopes - patches of cooperatively bound tau with microtubule-protecting function. Disruption of...