Regulation of tau on septin3 in neuronal branching
Septin3' ün nöronal dallanma üzerindeki etkisinin tau tarafından düzenlenmesi
- Tez No: 486599
- Danışmanlar: PROF. DR. ARZU KARABAY KORKMAZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoloji, Genetik, Biology, Genetics
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 82
Özet
Hücre iskeleti, hücre için son derece gerekli olup hücre içi molekül taşınması, hücre hareketi, hücre bölünmesi gibi önemli mekanizmalarda görevli ağ şeklinde bir yapıdır. Ökaryotik hücrelerde hücre iskeleti aktin filamentler, ara filamentler ve mikrotubullerden oluşur. Mikrotubuller (MT), alfa ve beta tubulin heterodimerlerinden oluşurlar ve hücre bölünmesi sırasında kromozomların kutuplara çekilmesi, hücre hareketi, nöron hücrelerinde yapının şekillenmesi ve akson ile dendritik gibi nöronal yapıların oluşmasında görevlidir. Nöronlar mikrotubul yapısından oluşurlar ve kendilerine özgü bu yapıları oluşturması, özel görevlerini gerçekleştirmesinde etkili olur. Mikrotubuller 'dinamik kararsızlık' adı verilen bir özellikle ile alfa ve beta tubulin monomelerinin polimerizasyonu ve depolimerizasyonu sonucu mikrotubuller yeniden yapılandırılmaktadır. Mikrotubullerin hızlı büyümesine 'kurtarma', GTP-başlıklı artı uçtan alt ünite kaybına uğramasına 'katastrofi' ismi verilmiştir. Katastrofi için gerekli olan enerji GTP hidrolizi ile sağlanmaktadır. GTP'nin hidroliz edilemeyen formu olan GMPCPP ile gerçekleşen deneylerde, mikrotubullerin dinamik instabiliteyi gerçekleştirmediği gözlemlenmiştir. Uzun mikrotubuller hareketsizdir ve hareket edip taşınabilmesi için küçük parçalara kesilmesi gerekmektedir. Katanin, p60-katanin ve p80-katanin olarak isimlendirilen ve sırasıyla 60 kDa ve 80 kDa büyüklüğündeki iki alt birimden oluşan bir mikrotubul kesim enzimidir. p60-katanin, KATNA1 geni tarafından kodlanırken, p80-katanin KATNB1 geni tarafından kodlanmaktdır. p60-katanin, katanin proteininin küçük alt birimi olup üzerinde çok çalışılan, özellikle nöronlarda dallanma oluşumu açısından önemli bir proteindir. C-terminalinde bulunan AAA bölgesi proteine ATPaz özelliği kazandırmakta, dolayısıyla p60-katanin mikrotubulleri kesmek suretiyle büyük parçalardan küçük mikrotubul parçaları oluşumunu sağlamaktadır. p80-katanin'in enzimatik aktivitesi olmamakla birlikte, p60-katanin aktivitesinin düzenlenmesinde ve p60-katanin'in sentrozoma yönlendirilmesinde görevlidir. Mikrotubullerin kesilmesi hem bölünen hücrelerde hem de bölünmeyen nöronlarda akson ve dendrit gibi proseslerin dallanmalarında önemli rol oynamaktadır. Hareketsiz mikrutubuller nöronlarda bulunmaktadır. Nöronların hücre gövdesinde üretilen proteinlerin akson uçlarına kadar taşınabilmesi için görevli bir sabit yapıya ihtiyacı vardır. Kesilen mikrotubuller taşınmaktadır. Bu mekanizma mikrotubul ile ilişkili proteinler (MAP) tarafından kontrol edilmektedir. Septinler 1967 yılında Saccharomyces cerevisiae ile yapılan bir çalışmada, ısıya-duyarlı-ölümcül mutantların hücre çeperi oluşumundaki sorunlardan dolayı koloni oluşturamamasının sebebi olarak ortaya çıkmıştır. Septinler, evrimsel olarak korunmuş GTPaz ailesidir. Bitkilerde ve protistlerde bulunmazken, mantarlar ve hayvanlarda çok sayıda mevcuttur. Septinlerin temel özelliği, filamentler oluşturabilmeleridir. Filament oluşumu GTP hidrolizine bağlı, hetero-oligomerik komplekslerin daha üst seviye yapılar oluşturmasıyla gerçekleşir. Farklı septin alt gruplarını içeren septin proteinleri 1:1:1 veya 1:1:1:1 sitokiyometrik oranlarla GTP hidrolizinden açığa çıkan enerji sayesinde bir araya gelerek hetero-heksamer veya hetero-oktomer oluşturmaktadır. Bu hetero-oligomerler daha sonra polar olmayan filament demetlerini ya da sitokinez sırasında meydana gelen dairesel bölümleri oluştururlar. Temel bir septin hetero-trimeri sırası ile Septin2-Septin6-Septin7-Septin3 grubu septin proteinlerinin bir araya gelmesi ile oluşmaktadır. Daha sonra bu trimer uç kısımlarda bulunan Septin2-Septin2 ve Septin3-Septin3 bağlanması ile hetero-oktomer oluşturmaktadır. Bu oluşum, birbirini takip eden septin proteinlerinin GTPaz bölgeleri arasında, korunmuş etkileşimler sayesinde gerçekleşmektedir.Septin ailesinin birçok üyesinin mikrotubul ve aktin ağı ile bir arada ya da etkileşim halinde bulunduğu saptanmıştır. Buna ilaveten, Septinler, MAP'lerle birlikte mikrotubul dinamiğini düzenlemede de önemli rol oynarlar. Septin3 nöron-spesifik bir proteindir ve on iki doku ile yapılan inceleme sonucu yalnızca beyinde saptanmıştır. Sinaptozom ve presinaptik terminallerde yoğun bir biçimde bulunmaktadır. Septin3, başka bir beyin-spesifik Septin olan Septin5 ile ko-lokalize halde bulunmuştur. Hippokampal nöronların sinapslarında yapılan bir araştırmaya göre, Septin3' ün Septin5 ve Septin7 ile beraber presinaptik kompleks oluşturduğu gösterilmiştir. MT'lerin kesilmesinin ya da stabil kalmasının regülasyonu da tamamiyle MAP'ler aracılığıyla gerçekleşir. MAP'ler üzerinde yapılan fosforilasyon gibi modifikasyonlar p60-katanin gibi kesici enzimlerin MT'lere ulaşabiliriliğini değiştirmektedir. Örneğin, bir mikrotubul bağlanma proteini olan MAP4'ün nöronal olmayan hücreler üzerinde düzenleyici etkisi olduğu görülmüştür. Nöronal hücreler MAP4 içermemektedir; ancak başka bir çalışmada mikrotubule bağlanan bir protein olan nöronal Tau'nun, mitotik MAP4 gibi, aksonların p60-katanin tarafından kesilmesini önlediği gösterilmiştir. Nöronlara spesifik bir MAP olan Tau'nun mikrotubul polimerizasyonu üzerindeki etkisi in vitro olarak incelendiğinde nukleasyonu teşvik ederek MT polimerizasyonunun hızını ve derecesini uyardığı, böylece katastrofi evresine geçiş oranını direkt olarak düşürdüğü gözlemlenmiştir. Çok düşük miktarlarda dahi Tau mikrotubullerin katastrofi sıklığını dramatik olarak azaltmıştır. Aynı zamanda, Tau mikrotubuller ile etkileşim halindedir ve aktin filamentlere bağlanarak bundle (demet) oluşturabilirler. Mikrotubuller, mikrotubul asosiye Tau proteini ile bağlanarak stabilize edilirler. MAP'ler katanin-mikrotubul interaksiyonunun gerçekleşme ihtimalini azaltmaktadır. Bunun sebebi ise MAP varlığında katanin alt ünitelerinin mikrotubul etrafında heksamer oluşturamayarak onu kesme aktivitesi gerçekleştiremiyor olmasıdır. Hiperfosforilasyon ile MT'lerden ayrılan Tau, p60-katanin'in MT'lere erişebilirliğini arttırmıştır. Bu bağlamda p60-katanin'in modifikasyondan bağımsız olarak Tau ile olası etkileşimi de MT dinamiği açısında önem kazanmaktadır. Aynı zamanda, Septinlerin anafazda mitotik iğ ipliğine, telofazda ise orta cisimciğe lokalize olması ve p60-katanin'in benzer şekilde hücre siklusu boyunca yoğun bir şekilde sentrozomlarda ve mitotik mekiği oluşturan mikrotubuller üzerinde lokalize olması; p60-katanin ve septinlerin mikrotubul dinamiğinin düzenlenmesinde birlikte rol alabilecekleri fikrini ortaya çıkarmştır. Bu çalışmada, p60-katanin ve Septin3 ilişkisi üzerinde bir mikrotubul-bağlanma proteini olan Tau' nun etkisi hem mitotik hem de nöronal diferansiyasyon/dallanma üzerindeki etkisinin araştırılması amacıyla post-mitotik hücrelerde incelenmiştir. Septin3 ve Tau' nun fiziksel etkileşiminin incelenmesi amacıyla yetişkin sıçan beyninden izole edilen protein kullanılmış ve Septin3 ile Tau' nun etkileştiği ancak, p60-katanin ve Tau' nun fiziksel olarak etkileşmediği görülmüştür. Septin3 ve Tau' nun ko-lokalizasyonu RFL6 ve primer kortikal nöron hücrelerinde yapılan immunositokimya (ICC) deneyleriyle gösterilmiştir. Aynı zamanda, primer kortikal nöron hücrelerinde yapılan over (aşırı)-ekspresyon ve gen susturulması deneylerinde, Septin3 over-ekspresyonunun akson uzaması/kalınlığı ile dendiritik-spine (iğne) oluşumunu arttırdığı görülmüştür. Septin3 ve Tau ağırlıklı olarak aksonda ko-lokalize olmuştur. Septin3 ve/veya Tau yokluğunda ise akson uzamasında hasar meydana gelmiştir. Bu çalışmadaki bulgularımız, Septin protein ailesinin diğer üyeleri gibi Septin3' ün de filament formasyonu oluşturduğunu göstermiştir. Aynı zamanda, nöronal bir Septin olan Septin3' ün nöronal polarizasyonda görevi olduğu bulunmuştur. Nörotransmitter salınmasında önemli bir göreve sahip olan dendiritik iğne oluşumu Septin3 over (fazla)-ekspresyonu ile artmıştır. Septin3 ve bir mikrotubul ile ilişkili protein olan ve nöronlarda yoğun olarak bulunan Tau' nun etkileşim içinde olduğu ve yoğun olarak aksonda ko-lokalize olduğu ve beraber görev yaptığı gösterilmiştir. Tau' nun p60-kataninin mikrotubuller üzerindeki koruyucu etkisi bilinmekte olup, Septin3 filamentleri üzerinde benzer bir etkisi olup olmadığı araştırılmış, olabileceği düşünülmüş ancak daha ileri deneyler yapılarak kesin sonuca varılabileceği düşünülmüştür.
Özet (Çeviri)
Cytoskeleton is a network which consists of an interconnected filamentous proteins and regulatory motor proteins. In addition, cytoskeleton has important cellular activity roles for surviving and functioning such as determining cell shape and cell movement. Rearrangement of cytoskeleton is responsible for environmental changes and adaptation. Neurons distinguish from other cell types in the nature with their morphology. Their unique morphology allows them to perform their specific tasks. All neurons contain common structural backbone which is microtubule. Neurons have capacity to reconfigure their morphology and it is related to microtubule scaffolding. Neuronal cells undergo major developmental changes. Complex nervous systems require cytoskeleton-based processes that coordinate neuronal activites. Neurons are highly polarized cells and the establishment and maintenance of neuronal polarization is crucial for correct development of nervous system. They develop two types of cytoplasmic extensions; axons and dendrites. In response to electrical signals from the cell body, axons release neurotransmitters at the axon terminals. Dendrites, especially dendritic spines contain receptors for neurotransmitters and important function in signaling. The motility capacities of microtubules are directly related to their length. Mostly, the parent axon is dominated by very long microtubules chopped into short microtubules for direction of axon outgrowth. Microtubule severing is an important mechanism that take role in formation of specific neuron morphology. Neurons are rich in an enzyme called p60-katanin that makes breaks in a microtubule array. p60-katanin severes microtubules from the centrosome of neurons and later develops short microtubules that move more avidly than longer microtubules. There is a model called 'cut and run', in which the longer microtubules are mobilized by enzymes that sever them into shorter polymers. p60-katanin is not phosphorylated itself, yet its severing activity is regulated by phosporylation of microtubule binding proteins. Also, it is indicated that phosphorylation of MAP4 has regulatory effect on p60-katanin microtubule-severing activity in non-neuronal cells. Neuronal cells does not contain MAP4 but in place of MAP4, it has been shown that tau protects microtubules in the axon from severing by p60-katanin. According to this model, microtubule-associated proteins (MAPs) especially the axonal MAP tau bind along the axonal microtubules and has protective activity from severing proteins on microtubules. Tau deattaches from microtubules by phosphorylation and this controls levels of short microtubules in specific axonal regions. Short microtubules can then be transported by motor proteins into collateral branches to promote their growth and stabilization. Over the last several decades, Septin protein family has been recognized as fourth cytoskeleton compenent because of their filamentous appereance and their association between other cytoskeleton elements such as microtubules. Septins are evolutionarily conserved family classified under the GTPase superclass of P-loop NTPases. Septins have important roles in maintenance of cell shape and microtubule-dependent processes. For instance, it has been demonstrated that Septin2 and MAP4 intract and this interaction results in microtubule destabilization. Septin3 (Sept3) specifically associates with neurons and nerve terminals, which is found as a neuronal spesific protein after examination of 12 different tissues. Septin3 is found enriched in synaptosomes and presynaptic terminals. Here we sought to determine Septin3 - Tau interaction from the point of neuronal process formation and branching and how this interaction would effect p60-katanin activity on Septin3 filament formation. Initially, physical interaction of Tau & Septin3 and Tau & p60-katanin proteins were determined co-immunoprecipitation (co-IP) with rat brain lysate. co-IP results indicated that Septin3 and tau physically interacted, however tau and p60-katanin did not physically interact. The studies on RFL6 fibroblasts sought seek to test Septin3 – Tau – p60-katanin interaction in non-neuronal cell which do not express Septin3 and Tau endogenously. RFL6 cells were over-expressed both with tau and Septin3 and co-localization of tau then were confirmed. Septin3 over-expression resulted in filament formation, however after over-expression of both Septin3 and p60-katanin, Septin3 filament formation was damaged. This effect of p60-katanin is considered as similar to its effect on microtubules. In addition, RFL6 cells nucleofected with Septin3, tau and p60-katanin and Septin3 filament formation was investigated. According to these results, Septin3 protein formed filamentous appearance, in spite of p60-katanin over-expression. Several studies showed that septins increase spine morphogenesis and dendritic spine formation. For instance, Septin7 is found to localize at dendritic protrusions and dendritic branch points in cultured hippocampal neurons. Primary cortical neuron studies were performed to determine Septin3 – Tau – p60 - katanin interaction from the point of neuronal processes formation. Primary rat cortical neurons over-expression studies were carried out by nucleofection and gene silencing was carried out by Accell siRNA transfection. Septin3 over-expression increased dendritic branch formation and expedited neuronal development. Also, over-expression of Septin3 resulted in long and thick bundles in microtubules. Upon down regulation of Septin3, dendritic spine morphology and exon elongation were impaired. Following over-expression of both Septin3 and p60-katanin in the same cell, Septin3 was found to be interrupted along the axon in the presence of p60-katanin. Moreover, microtubules remained partially uninterrupted. Septin3 and tau were localized predominantly along the axon and resulted in even thicker bundles of Septin3 and microtubules. Besides Tau' s localization in mainly axons, Septin3 over-expressed and Tau silenced cells still lost their axon elongation. Observation in this study showed that, in addition to other known septin' s, Septin3 forms filaments in non-neuronal cells. Also, Septin3 has a role on neuronal polarization. Similar to some septins, Septin3 interacts with Tau and this interaction results in long and thicker microtubule bundles on neuronal microtubules. Although Further experiments needs to be carried out. tau may have a protective effect on Septin3 filaments against severing, like it does on the microtubules.
Benzer Tezler
- Regulation of SPG4 and KANTB1 gene expressions by ELK1 transcription factor
SPG4 ve KATNB1 gen anlatımlarının ELK1 transkripsiyon faktörü ile düzenlenmesi
ECE SELÇUK
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Biyolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARZU KARABAY KORKMAZ
- Hipertiroidi ve hipotiroidi oluşturulmuş sıçanlarda hipokampal amiloid prekürsör protein ile tau fosforilasyon yolağı ilgili gen ifadesindeki değişikliklerin araştırılması
Investigation of hypocampal amyloid precursor protein and tau phosforylation pathway related gene expression in hyperthyroid and hypothyroid rats
MELEK BATAKCI
- Transkripsiyon faktörü p53 tümör supressör proteininin p60-katanin (KATNA1) promotoru ile etkileşimi
Interaction between transcription factor p53 tumor suppressor and p60-katanin (KATNA1) promoter
MEHTAP KAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Genetikİstanbul Teknik ÜniversitesiMoleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ARZU KARABAY KORKMAZ
- Alzheimer hastalığı gelişiminde wnt/β-katenin sinyal iletiminin rolünün zebra balığı amiloid-β toksisite modelinde araştırılması
Investigation of the role of wnt/β-catenin signaling in development of Alzheimer's disease in a zebrafish model of amyloid-β toxicity
MAKBULE DİLEK NAZLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
BiyolojiDokuz Eylül ÜniversitesiGenom Bilimleri ve Moleküler Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE GÜNEŞ ÖZHAN
- İnsülin hormonu ile astarlanan sinapslarda uzun dönemli güçlenme ve baskılanmanın araştırılması
Investigation of long term potentiation and long term depression in primed synapses by insulin
ÖZLEM BARUTÇU
