The role of the actin regulators cyclase-associated proteins (CAP) in growth cone function and neuron differentiation

Das Axon ist der verlängerte Neurit eines Neurons, welches durch das Gehirn migriert um mit anderen Neuronen neuronale Schaltkreise zu bilden. Verantwortlich für die Navigation sind Wachstumskegel, welche sich an der Spitze ein jedes Axons befinden. Wachstumskegel sind reich an F-Aktin, deren Dynamik von Aktin-bindenden Proteinen (ABP) reguliert wird. Zyklase-assoziierte Proteine (CAPs) gehören zu den ABP und kommen in Säugetieren in zwei Isoformen vor (CAP1, CAP2), welche beide im Gehirn exprimiert werden. Obwohl in kürzlich veröffentlichten Studien gezeigt werden konnte wie CAPs Aktindynamik regulieren, ist über deren physiologische Funktion in der Gehirnentwicklung nahezu nichts bekannt. Um dieser Frage nachzugehen wurden Knockout (KO) Mäuse für beide Proteine analysiert. CAP1-KO Mäuse zeigten stark reduzierte Nervenfaserbildung, wohingegen andere wichtige Entwicklungsprozesse wie neuronale Migration und Vorläuferzellproliferation unverändert waren. Des Weiteren war die neuronale Differenzierung verlangsamt, die Neuriten verkürzt als auch verdickt und die Wachstumskegel vergrößert mit weniger Filopodien. Die Wachstumskegel wiesen zusätzlich eine verminderte Aktindynamik auf und zeigten eine gestörte Reaktion auf chemotaktische Reize. Im Gegensatz zu CAP1-KO Mäusen wiesen CAP2-KO Mäuse keinerlei Veränderungen in der Gehirnentwicklung auf und auch die neuronale Differenzierung blieb unverändert. Veränderungen in der neuronalen Differenzierung und der Morphologie der Neurone als auch in den Wachstumskegeln im CAP1-KO konnten durch die Überexpression von CAP1, als auch von CAP2, rückgängig gemacht werden. Daraus ließ sich schließen, dass beide Proteine redundante Funktionen in differenzierenden Neuronen ausüben. Des Weiteren konnte herausgefunden werden, dass die „helical fold domain“, welche die Interaktion mit dem Aktinregulator Cofilin1 vermittelt, wichtig für die Funktion von CAP1 im Wachstumskegel ist. Um die Interaktion von CAP1 und Cofilin1 im Wachstumskegel zu entschlüsseln, wurde ein Protokoll entwickelt, welches Neurone replattiert um somit frühe neuronale Differenzierung und Wachstumskegel nach dem KO von CAP1, Cofilin1 oder beiden Proteinen zu untersuchen. Damit konnte gezeigt werden, dass CAP1 und Cofilin1 synergistisch die Aktindynamik in Wachstumskegeln regulieren und dass deren Funktion vom jeweils anderen Protein abhängt. Zusammengefasst zeigt diese Studie, dass CAP1 und CAP2 redundant in ihrer Funktion bezüglich der Regulation der Dynamik von Wachstumskegeln sind, aber das CAP1 der wichtigere Regulator in der neuronalen Differenzierung ist. Zusätzlich bietet diese Studie ein Protokoll um Proteine in früher neuronaler Differenzierung zu untersuchen. Damit konnte gezeigt werden, dass CAP1 und Cofilin1 gemeinsam Wachstumskegel regulieren, welches einen neuen Einblick in die physiologische Relevanz der CAP1-Cofilin1-Interaktion gibt.