The serine/threonine kinase thousand and one amino acid kinase 2 (TAOK2) regulates hippo/YAP signaling and synaptic activity

Wernigg, Madalina (2025): The serine/threonine kinase thousand and one amino acid kinase 2 (TAOK2) regulates hippo/YAP signaling and synaptic activity. Dissertation, LMU München: Medizinische Fakultät

Abstract

Psychiatric disorders are genetically complex and stress-associated disorders with great impact on society. Their manifestation occurs during early adulthood in genetically predisposed individuals who are exposed to adverse environmental factors. Genetic mutations that are present in patients suffering from mental disorders are believed to cause subtle changes in the activity of key signaling pathways. In turn, these changes in pathway activity manifest as clinical symptoms. Therefore, psychiatric disorders are also viewed as pathway diseases, leading to pathogenic changes in synaptic transmission, neural plasticity, and the manifestation of disease symptoms. Signaling molecules are activated or deactivated through phosphorylation or dephosphorylation and mediate pro- respectively anti-apoptotic processes regulating neural maturation and formation of functional synapses. A well investigated cellular stress pathway is the Hippo signaling pathway which modulates fundamental homeostatic cellular events such as the maintenance of cellular polarity and actin cytoskeleton dynamics. It is mainly known as a tumor suppressor pathway, mediating both tumor suppressor and proto-oncogenic functions. Previous research works have shown interactions between the Hippo signaling network and other pathways associated to neuropsychiatric and oncologic diseases. The serine/threonine kinase Thousand and One Amino Acid Protein Kinase 2 (TAOK2) belongs, as well as TAOK1 and TAOK3, to the TAOK family, a MAP-Kinase-KinaseKinase family (MAP3K) and was classified as a schizophrenia risk gene based on data from the 2014 large-scale genome-wide association study (GWAS). Previous studies showed an activation of the Hippo Pathway by TAOK1 and TAOK3, but not by TAOK2. This thesis investigates the regulatory mechanism of TAOK2 from a molecular and cell biological perspective in heterologous cells (e.g. HEK293) und primary neurons. Further, TAOK2-mediated protein interactions previously identified in a focused protein protein interaction screening of Hippo modulators were biochemically validated in HEK293 cells. In the process, a strong interaction between TAOK2 and large tumor suppressor kinase 1 (LATS1) was identified. Overexpression of TAOK2 led to increased phosphorylation of LATS1 and Yes-associated protein 1 (YAP1). Also, protein levels of several Hippo pathway components were investigated at different lysis timepoints, under serum stimulation respectively deprivation conditions as well as under 2-Deoxy-D-glucose-induced cellular stress. In primary neurons, the influence of TAOK2 on synaptic activity was assessed by using a multiparametric assay (pathwayProfiler, Systasy Bioscience GmbH) which was then validated by an E-SARE assay, an assay to monitor synaptic activity signaling. The results showed a strong increase in synaptic activity in TAOK2 depleted cells, indicated by the enhanced activity of several sensors involved in MAPK/ERK1/2 signaling pathways, which are associated with neural activity and cellular stress.

Abstract

Psychiatrische Erkrankungen sind genetisch komplexe und stress-assoziierte Erkrankungen mit erheblichen gesellschaftlichen Auswirkungen, die bei genetischer Prädisposition durch Umweltfaktoren begünstigt werden und sich oft bereits im jungen Erwachsenenalter manifestieren. Es wird angenommen, dass psychisch beeinträchtigte Menschen genetische Mutationen aufweisen, die subtile Veränderungen in der Aktivität von Schlüsselsignalwegen verursachen. Im Gegenzug manifestieren sich diese Aktivitätsveränderungen der Signalwege durch klinische Symptome. Vor diesem Hintergrund werden psychiatrische Erkrankungen daher auch als Störungen von Signalwegen angesehen. Auf neurobiologischer Ebene wird über die Integration von Stresssignalen eine Vielzahl von zellulären Signalkaskaden aktiviert, die zu krankheitsfördernden Veränderungen der neuronalen Plastizität und der synaptischen Übertragungsprozesse führen. Über die geregelte Aktivierung und Inaktivierung von Signalmolekülen, z.B. durch Phosphorylierung von Kinasen, können in Zellen unterschiedlichste Prozesse, wie die Differenzierung oder Proliferation von Zellen, vermittelt werden. Dadurch wird u.a. die neuronale Reifung und Ausbildung funktionaler Synapsen reguliert. Zu den Stress-assoziierten Signalwegen gehört auch der Hippo-Signalweg, der neben homöostatischen Zellstoffwechselprozessen das Aufrechterhalten zellulärer Polarität und die Dynamik des AktinZytoskeletts kontrolliert. Der Hippo-Signalweg ist hauptsächlich als TumorsuppressorWeg bekannt, dessen Effektoren jedoch sowohl tumorsupprimierende als auch protoonkogene Funktionen vermitteln. Es wurde bisher gezeigt, dass der Hippo-Signalweg mit zahlreichen anderen Signalwegen interagiert, die mit verschiedenen neuropsychiatrischen und onkologischen Erkrankungen assoziiert wurden. Die Serin/Threonin-Kinase Thousand And One Amino Acid Protein Kinase 2 (TAOK2) gehört neben TAOK1 und TAOK3 zur Familie der MAP-Kinase-Kinase-Kinasen (MAP3K) und wurde 2014 anhand von Daten aus der größten genomweiten Assoziationsstudie (genome-wide association study, GWAS) als Schizophrenie-Risikogen klassifiziert. Nachdem in bisherigen Studien eine Aktivierung des Hippo-Signalweges durch TAOK1 und TAOK3, jedoch nicht durch TAOK2 gezeigt wurde, liegt der Fokus dieser Arbeit auf den Regulationsmechanismus von TAOK2 in HEK293-Zellen und primären Neuronen. Des Weiteren werden TAOK2-vermittelte Protein-Interaktionen, die vor dieser Arbeit in einem fokussierten Protein-Protein-Interaktionsscreen von potenziellen Modulatoren des Hippo-Signalweges identifiziert wurden, mittels biochemischer Methoden in HEK293 Zellen validiert. Dabei ist eine starke Interaktion zwischen TAOK2 und large tumor suppressor kinase 1 (LATS1) zu beobachten. In Zellen mit überexprimiertem TAOK2 wird eine verstärkte Phosphorylierung von LATS1 und Yes-associated protein 1 (YAP1) gezeigt. Ebenso werden Proteinmengen verschiedener Mitglieder des Hippo Signalwegs zu unterschiedlichen Lysis-Zeitpunkten, unter nährstoffreichen bzw. nährstoffarmen Serumkonditionen sowie unter Stressinduktion durch Zugabe von 2-DeoxyD-glucose untersucht. In primären Neuronen wurde der Einfluss von TAOK2 auf die synaptische Aktivität mittels eines multiparametrischen Screenings (pathwayProfiler, Systasy Bioscience GmbH) untersucht und durch den E-SARE-Assay, einem Assay zur Bestimmung der synaptischen Aktivität, validiert. Neuronen mit TAOK2-knockdown weisen eine vermehrte Aktivität von synaptischen Sensoren auf, die mit dem MAPK/ERK1/2 Signalweg in Zusammenhang stehen und an der Regulation von neuronaler Aktivität und zellulärem Stress beteiligt sind.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Schizophrenia, cellular stress, TAOK2, Hippo Signaling Pathway, PPI, synaptic activity
• 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: 23. Januar 2025
• 1. Bericht­erstatter:in: Wehr, Michael