Thousand and one amino acid kinase 2 (TAOK2) modulates Hippo pathway activity and impacts on synaptic plasticity

Ma, Xiao (2021): Thousand and one amino acid kinase 2 (TAOK2) modulates Hippo pathway activity and impacts on synaptic plasticity. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Der Hippo-Signalweg ist ein evolutionär konservierter Signalweg und spielt eine entscheidende Rolle bei der Kontrolle der Gewebehomöostase, der Zelldifferenzierung und der richtigen Entwicklung der Organgröße durch die Regulierung der Zellproliferation und Apoptose. Der Hippo-Signalweg wurde als Tumoursuppressor-Signalweg identifiziert und ist an verschiedenen Krebsarten beteiligt. Darüber hinaus deutet Vieles darauf hin, dass der Hippo-Signalweg in mehreren Stadien an der neuronalen Entwicklung beteiligt ist, von der Proliferation neuronaler Stammzellen (NSCs) bis zur Apoptose neuronaler Zelltypen. Dieser Signalweg kann nicht nur auf Signale reagieren, die das Wachstum fördern oder begrenzen, sondern auch verschiedene zelluläre Signale integrieren, einschließlich mechano-sensorischer Stimuli und Stresssignale. Auf molekularer Ebene reguliert der Hippo-Signalweg die Aktivität des Co-Transkriptionsaktivators YAP1, der der Haupteffektor des Signalwegs ist. Der Kern des Weges besteht aus einer sog. Kinasekassette, die die Kinasen STK3/4 und LATS1/2 umfasst, die wiederum die Aktivität von YAP1 einschränken. Die Aktivität des Signalwegs wird darüber hinaus durch Polaritätsproteine wie Mitglieder der WWC-Familie oder Proteine der AMOT-Familie und weitere Kinasen und Strukturproteine, aber auch Membranrezeptoren gesteuert. Im ersten Teil der Studie verwendete ich das zellbasierte genetisch kodierte Split-TEV-Testsystem, um Protein-Protein-Wechselwirkungen zwischen Kernkomponenten und Hauptregulatoren des Hippo-Signalwegs zu analysieren. Das Ziel war es, bisher verborgene Wechselwirkungen zwischen Komponenten zu identifizieren, die die Aktivität des Hippo-Signalwegs modulieren könnten. Als zentralen Modulator der Hippo-Signalisierung habe ich TAOK2 identifiziert. TAOK2 bindet an LATS1 und phosphoryliert dieses. Die Überexpression von TAOK2 erhöhte die Phosphorylierung von LATS1, verringerte die YAP1-Transkriptionsaktivität und führte zu einer verringerten Proliferation von HEK293-Zellen. Dagegen führte eine Herunterregulierung von TAOK2 zu einer Reduzierung der LATS1-Phosphorylierung und einer erhöhten Proliferationsrate. Diese Beobachtungen aus der Zellkultur korrelieren mit einer reduzierten TAOK2- Expression und einer reduzierten Überlebensrate von Patienten, die an bestimmten Krebsarten, wie z.B. Lungen- und Pankreas-Adenokarzinome oder Gliome niedrigen Malignitätsgrades, gelitten haben. Da der Hippo-Signal-Weg auch an der Proliferation neuronaler Vorläufer und der Entwicklung von Neuronen beteiligt ist, beschreibt der zweite Teil der Studie mögliche Rollen von TAOK2 in synaptischen Signalnetzwerken. Vorarbeiten aus unserem Labor an Mäusen, bei denen Taok2 spezifisch in Neuronen im Gehirn während der frühen Phasen der Nervenentwicklung mit einer Emx1-Cre-Line ausgeschaltet wurde, zeigten mit einem milden Hyperaktivitätsphänotyp und leichten kognitiven Defizite ein verändertes Verhaltensprofil. Darüber hinaus haben Kollegen in Mäusen, die einen kompletten Taok2-Knockout (Taok2-ko) tragen, einen eindeutigen Hyperaktivitätsphänotyp sowie Defizite in der Kognition und im Angst- und Sozialverhalten beschrieben. Um diese Phänotypen auf zellulärer Ebene besser zu verstehen, habe ich in meiner Arbeit den Effekt einer Taok2-Inaktivierung in primären kortikalen Neuronenkulturen aus der Maus untersucht. Eine zelluläre Profilierung anhand des multiparametrischen cisProfiler-Assays in Taok2-ko-Neuronen zeigte, dass die genetische Deletion von Taok2 die Aktivität von MAP-Kinase-Signalwegen verringerte, die nach synaptischer Aktivität, z.B. durch Stimulation mit AMPA, aktiviert werden. RNAseq-Analysen in primären Maus-Neuronen mit TAOK2-Überexpression und shRNA-vermittelter Taok2-Inaktivierung wiesen gemeinsame differentiell regulierte Gene (DEGs) auf, die für den Zellzyklus und den Notch-Signalweg angereichert waren. Auf Proteinebene verursachte die Inaktivierung von Taok2 in primären Mausneuronen, die mit AMPA bzw. NMDA stimuliert wurden, eine Verringerung des Phosphorylierungsniveaus der MAP-Kinase Erk. Eine Inaktivierung von Taok2 in Neuronen führt somit unter definierten Bedingungen zu einer verringerten Weiterleitung der synaptischen Aktivität in Neuronen, was die in Taok2-ko-Mäusen beobachteten Verhaltensdefizite auf molekularer Ebene erklären könnte.

Abstract

The Hippo-signaling pathway, which is an evolutionarily conserved pathway, has a crucial function in the field of controlling the homeostasis of different tissues, cell differentiation across diverse organisms, and coordinates the proper size of organ during development by regulating the proliferation process and the apoptosis of cells. It has been identified that Hippo-signaling is a tumor-suppressing pathway and has been related with various types of cancers. In addition, accumulating researchers indicate that Hippo-signaling pathway participates the neuronal development at multiple stages, involving in the proliferation process of neural stem cells (NSCs) and neuronal death. This pathway not only responds to signals promoting or limiting growth, but also integrates diverse cellular cues including mechano-sensory inputs and energy stress. At the molecular level, Hippo signaling regulates the activity of the co-transcriptional activator YAP1, which is the main effector of the pathway. Two kinases: STK3/4 and LATS1/2, which can moderate the activity of YAP1, comprise a kinase cassette that composes the key component of the Hippo pathway. Upstream, the polarity proteins, such as WWC family members or AMOT family proteins, other kinases, scaffolding proteins, and transmembrane receptors control the activity of the pathway. In the first part of the study, I used the cell-based genetically encoded split TEV assay method to profile protein-protein interactions among Hippo pathway core components and major regulators to identify so far hidden interactions among components that may modulate Hippo pathway activity. I identified TAOK2 as central modulator of Hippo signaling. TAOK2 binds to and phosphorylate LATS1. Overexpression of TAOK2 reduced YAP1 transcriptional activity and led to decreased proliferation of HEK293 cells. In contrast, downregulation of TAOK2 led to a reduction in LATS1 phosphorylation levels and an increased proliferation. These observations from cell culture correlate with reduced TAOK2 expression and survival in patients who have suffered from certain cancers, such as lung and pancreatic adenocarcinomas or low-grade gliomas. Due to the involvement of this pathway in the proliferation of neural precursors and development of neurons as well, the second part of this study describes the potential role of TAOK2 in synaptic signaling networks. Preliminary work from our lab in mice in which Taok2 was specifically inactivated in neurons in the brain during early neurodevelopment using an Emx1-Cre driver line showed an altered behavioral profile with a mild hyperactivity phenotype and mild cognitive deficits. In addition, colleagues have described a distinct hyperactivity phenotype in mice carrying a complete Taok2 knockout (Taok2-ko), as well as deficits in social behavior, cognition and anxiety. To better understand these phenotypes at the molecular level, my work investigated the effect of Taok2 inactivation in primary murine cortical neuron cultures. A cellular profiling using the multiparametric cisProfiler assay in Taok2-ko neurons showed that the genetic inactivation of Taok2 reduced the activity of MAP kinase signaling which is, e.g., after AMPA stimulation, activated upon synaptic transmission. RNAseq-based analyses for neurons either with overexpressed human TAOK2 or shRNA-depleted Taok2 shared differentially regulated genes (DEGs) that were enriched for the cell cycle and Notch signaling. At the protein level, an inactivation of Taok2 in neurons, stimulated with AMPA or NMDA, caused a reduction in the phosphorylation levels of the MAP kinase Erk1/2. An inactivation of Taok2 in neurons thus led to reduced transmission of synaptic activity in neurons under defined conditions, which could explain the behavioral deficits observed in Taok2-ko mice at the molecular level.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften ; 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin und Gesundheit
• Fakultäten: Medizinische Fakultät
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 16. Dezember 2021
• 1. Bericht­erstatter:in: Wehr, Michael