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Schwenk, Benjamin (2015): The FTLD risk factor TMEM106B controls lysosomal trafficking and dendrite outgrowth. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät
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Abstract

Frontotemporal dementia is the second most common neurodegenerative disease in people younger than 65 years. Patients suffer from behavioral changes, language deficits and speech impairment. Unfortunately, there is no effective treatment available at the moment. Cytoplasmic inclusions of the DNA/RNA-binding protein TDP-43 are the pathological hallmark in the majority of FTLD cases, which are accordingly classified as FTLD-TDP. Mutations in GRN, the gene coding for the trophic factor progranulin, are responsible for the majority of familiar FTLD-TDP cases. The first genome-wide association study performed for FTLD-TDP led to the identification of risk variants in the so far uncharacterized gene TMEM106B. Initial cell culture studies revealed intracellular localization of TMEM106B protein in lysosomes but its neuronal function remained elusive. Based on these initial findings, I investigated the physiological function of TMEM106B in primary rat neurons during this thesis. I demonstrated that endogenous TMEM106B is localized to late endosomes and lysosomes in primary neurons, too. Notably, knockdown of the protein does neither impair general neuronal viability nor the protein level of FTLD associated proteins, such as GRN or TDP-43. However, shRNA-mediated knockdown of TMEM106B led to a pronounced withering of the dendritic arbor in developing and mature neurons. Moreover, the strong impairment of dendrite outgrowth and maintenance was accompanied by morphological changes and loss of dendritic spines. To gain mechanistic insight into the loss-of-function phenotypes, I searched for coimmunoprecipitating proteins by LC-MS/MS. I specifically identified the microtubule-binding protein MAP6 as interaction partner and was able to validate binding. Strikingly, overexpression of MAP6 in primary neurons phenocopied the TMEM106B knockdown effect on dendrites and loss of MAP6 restored dendritic branching in TMEM106B knockdown neurons, indicating functional interaction of the two proteins. The link between a lysosomal and a microtubule-binding protein made me study the microtubule dependent transport of dendritic lysosomes. Remarkably, live cell imaging studies revealed enhanced movement of dendritic lysosomes towards the soma in neurons devoid of TMEM106B. Again, MAP6 overexpression phenocopied and MAP6 knockdown rescued this effect, strengthening the functional link. The MAP6-independent rescue of dendrite outgrowth by enhancing anterograde lysosomal movement provided additional evidence that dendritic arborization is directly controlled by lysosomal trafficking. From these findings I suggest the following model: TMEM106B and MAP6 together act as a molecular brake for the retrograde transport of dendritic lysosomes. Knockdown of TMEM106B and (the presumably dominant negative) overexpression of MAP6 release this brake and enhance the retrograde movement of lysosomes. Subsequently, the higher protein turnover and the net loss of membranes in distal dendrites may cause the defect in dendrite outgrowth. The findings of this study suggest that lysosomal misrouting in TMEM106B risk allele carrier might further aggravate lysosomal dysfunction seen in patients harboring GRN mutations and thereby contribute to disease progression. Taken together, I discovered the first neuronal function for the FTLD-TDP risk factor TMEM106B: This lysosomal protein acts together with its novel, microtubule-associated binding partner MAP6 as molecular brake for the dendritic transport of lysosomes and thereby controls dendrite growth and maintenance.

Abstract

Frontotemporale Demenz ist die zweithäufigste Form neurodegenerativer Erkrankungen bei Menschen unter 65 Jahren. Patienten leiden an Verhaltensauffälligkeiten und Sprach- sowie Artikulationsstörungen. Leider steht zurzeit keine wirksame medikamentöse Therapie zur Verfügung. Das pathologische Hauptmerkmal der meisten FTLD-Fälle sind zytoplasmatische Einschlüsse des DNA/RNA-bindenden Proteins TDP-43. Diese Fälle werden entsprechend als FTLD-TDP klassifiziert. Für einen Großteil der familiären FTLD-TDP Fälle sind Mutationen in GRN, dem für den Wachstumsfaktor Progranulin kodierenden Gen, verantwortlich. Die erste für FTLD-TDP durchgeführte genomweite Assoziationsstudie führte zur Entdeckung von genetischen Varianten im bis dato uncharakterisierten Gen TMEM106B. Diese Varianten sind mit einem erhöten Risiko an FTLD zu erkranken assoziiert. Initiale Studien in Zellkultur zeigten eine Lokalisierung des TMEM106B Proteins in Lysosomen, die Frage nach der neuronale Funktion des Proteins blieb allerdings bisher unbeantwortet. Auf diesen ersten Ergebnissen aufbauend untersuchte ich während meiner Dissertation die physiologische Funktion von TMEM106B in primären Ratten-neuronen. Ich konnte zeigen, dass endogenes TMEM106B auch in primären Neuronen in späten Endsosomen und Lysosomen lokalisiert ist. Beachtenswerterweise verminderte die Herunterregulierung (shRNA-vermittelter Gen-Knockdown) des Proteins weder das generelle Überleben der Neuronen noch die Level von anderen FTLD-assoziierten Proteinen, wie GRN oder TDP-43. Die Herunterregulierung von TMEM106B führte jedoch zu einem ausgeprägten Verlust von Dendriten in sich entwickelnden und ausgereiften Neuronen. Des Weiteren war die starke Beeinträchtigung dendritischen Wachstums und Aufrechterhaltung von einer morphologischen Veränderung und dem Verlust der Dornfortsätze begleitet. Um den Mechanismus dieser Phänotypen zu erklären, suchte ich nach TMEM106B coimmunopräzipitierenden Proteinen mittels Massenspektrometrie. Ich konnte das Mikrotubuli bindende Protein MAP6 als spezifischen Bindungspartner identifizieren und die Interaktion beider Proteine validieren. Hervorzuheben ist, dass die Überexpression von MAP6 in primären Neuronen den Effekt der Herunterregulation von TMEM106B auf die Dendriten kopierte und die Herunterregulation von MAP6 die dendritischen Verästelungen in TMEM106B depletierten Neuronen sogar wiederherstellen konnte. Diese Ergebnisse legen eine funktionelle Interaktion beider Proteine nahe. Die Verbindung zwischen einem lysosomalen und einem an die Mikrotubuli bindenden Protein brachte mich dazu, den Mikrotubuli abhängigen Transport von dendritischen Lysosomen zu untersuchen. Bemerkenswerterweise zeigten mittels Lebendzellmikroskopie erzeugte Aufnahmen eine erhöhte Bewegung dendritischer Lysosomen Richtung Zellsoma in TMEM106B depletierten Neuronen. Auch in diesem Kontext konnte die Überexpression von MAP6 den Effekt kopieren und die Herunterregulation von MAP6 den Effekt aufheben und somit die These einer funktionellen Interaktion festigen. Die MAP6 unabhängige Wiederherstellung des dendritischen Wachstums durch die Erhöhung des lysosomalen Transports in anterograder Richtung lieferte einen zusätzlichen Beweis dafür, dass das dendritische Wachstum direkt von lysosomalem Transport abhängt. Ausgehend von diesen Ergebnissen schlage ich folgendes Modell vor: TMEM106B und MAP6 wirken zusammen als molekulare Bremse für den retrograden Transport dendritischer Lysosomen. Die Herunterregulation von TMEM106B und die (wahrscheinlich dominant negative wirkende) Überexpression von MAP6 lösen diese Bremse und verstärken die retrograde Bewegung von Lysosomen. Daraufhin könnten der gestiegene Proteinumsatz und der Verlust von Plasmamembranbestandteilen zu einem Fehler im dendritischen Wachstum führen. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass fehlerhafter, lysosomaler Transport in TMEM106B Risikoallelträgern zu einer Verstärkung der lysosomalen Fehlfunktion in Patienten mit GRN Mutation führt und dabei zur Krankheitsentwicklung beiträgt. Zusammengefasst habe ich die erste neuronale Funktion für den FTLD-TDP Risikofaktor TMEM106B entdeckt: Dieses lysosomale Protein wirkt zusammen mit seinem neuentdeckten, Mikrotubuli assoziierten Bindungspartner MAP6 als molekulare Bremse für den dendritischen Transport von Lysosomen und kontrolliert dadurch Wachstum und Aufrechterhaltung von Dendriten.