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Identification of a novel microtubule acetyltransferase ATAT1

Kalebic, Nereo

German Title: Identifikation eine neuen Mikrotubulus Acetyltransferase ATAT1

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Abstract

Mechanotransduktion ist ein Prozess bei welchem die Zelle mechanische Energie in elektrische oder chemische Signale umwandelt. Genetisches Screening in C. elegans erwies sich als hauptsächliche Quelle für Informationen über Moleküle, die bei Mechanotransduktion eine Rolle spielen. Durch das Screening identifizierte Gene wurden mec genannt, da diese einen mechanosensorischen Phänotyp bewirken. Die Funktion fast aller mec Gene wurde sowohl in C. elegans als auch in Säugetieren beschrieben, allerdings ist die Funktion eines Genes, mec-17, bislang unbekannt. Wir identifizierten ATAT1, ein Säugetierhomolog von mec-17 und konnten nachweisen, dass es sich um eine Mikrotubulus Acetyltransferase handelt. Acetylierung des alpha-Tubulin ist eine hochkonservierte posttranslationale Modifikation, welche langlebige Mikrotubuli markiert, aber bislang kaum geklärte funktionale Bedeutung besitzt. Obwohl bereits Tubulin Deacetylasen bekannt sind, ist ATAT1/mec-17 die erste Mikrotubulus Acetyltransferase, die identifiziert werden konnte. Wir konnten zeigen, dass ATAT1 insbesondere im Zentralnervensystem von Säugetieren exprimiert wird und dass es intrazellulär mit Mikrotubuli und Mikrotubuli-assoziierten Proteinen colokalisiert. Unsere Ergebnisse beweisen, dass die Hauptsubstrate von ATAT1 nicht lösliches Tubulin, sondern polymerisierte und stabile Mikrotubuli sind. Des Weiteren acetyliert ATAT1 alpha-Tubulin an Lysin 40. Interessanterweise, acetyliert sich ATAT1 auch selbst, was einem selbstregulatorischen Mechanismus unterliegt, welcher für die effektive Modifikation von Tubulin notwendig ist. In Säugetierzellen wird ATAT1 mittels „end-binding“ Proteinen (EB- 3) zu den Mikrotubuli rekrutiert, wo es die Dynamiken am Plus-Ende beschleunigt und die Destabilisierung der Mikrotubuli fördert. Bemerkenswerterweise bleibt dieser Effekt in ATAT1 Mutationen bestehen die keine Acetylierungsaktivität mehr aufweisen. Dies legt nahe, dass die Interaktion von ATAT1 mit Mikrotubuli ein wichtiger Faktor für die Stabilitätsregulierung der Mikrotubuli ist und nicht nur in der Acetylierung per se eine Rolle spielt. Des Weiteren konnte ich nachweisen, dass C. elegans‘ mit Mutationen in mec-17 neben der Berührungsinsensitivität auch eine beeinträchtigte neuronale Morphologie und eine zerstörte Mikrotubuli-Ultrastruktur aufweisen. Wichtig ist, dass die meistenPhänotypen,einschließlichder Berührungsinsensitivität, durch Gabe von katalytisch inaktiven mec-17 Mutanten und Wildtyp mec-17 wiederhergestellt werden können. Unsere in vitro und in vivo Beweise legen nahe, dass es sich bei mec-17/ATAT1 um eine wichtige Acetyltransferase von Mikrotubuli handelt, deren Funktion über die enzymatische Aktivität hinaus geht.

Translation of abstract (English)

Mechanotransduction is the process by which a cell converts mechanical energy into electrical or chemical signals. Genetic screens in C.elegans emerged as the major source of information about molecules involved in mechanotransduction. Genes identified in these screens have been named mec genes for their mechanosensory phenotype. Functions of most of the mec genes have been described in both C.elegans and mammals, but function of one of the genes, mec-17, remained unknown. We identified ATAT1, a mammalian homologue of mec-17, and found that it is a microtubule acetyltransferase. Acetylation of alpha-tubulin is a well conserved posttranslational modification that marks long-lived microtubules but has poorly understood functional significance. Although tubulin deacetylates are well known, ATAT1/mec-17 is the first major microtubule acetyltransferase identified. We found that ATAT1 is especially expressed in mammalian central nervous system and that intracellularly it co-localizes with microtubules and microtubule associated proteins. We demonstrate that polymerized and stable microtubules rather than soluble tubulin are the predominant substrate of ATAT1 and that it acetylates alpha-tubulin at lysine 40. Strikingly, ATAT1 also acetylates itself and this underlies a self-regulatory mechanism that is required for effective modification of tubulin. In mammalian cells, ATAT1 is recruited to microtubules by end-binding protein EB-3 where it accelerates plus-end dynamics and promotes microtubule destabilization. Intriguingly, this effect persists in an ATAT1 mutant with no acetyltransferase activity, suggesting that interaction of ATAT1 with microtubules, rather than acetylation per se, is the critical factor regulating microtubule stability. We also found that in C.elegans mec-17 animals show impaired neuronal morphology and disrupted microtubule ultrastructure, in addition to touch- insensitivity. Interestingly, most of these phenotypes, including the touch-insensitivity, are equivalently rescued by both the catalytically inactive mec-17 mutants and the wild type mec- 17. Our in vitro and in vivo evidence suggest that mec-17/ATAT1 is the main microtubule acetyltransferase whose role on microtubules goes beyond its enzymatic activity.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Heppenstall, PhD Paul
Date of thesis defense: 20 March 2012
Date Deposited: 26 Apr 2012 13:30
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > European Molecular Biology Laboratory (EMBL)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Mikrotubulus, Acetylierung
Uncontrolled Keywords: Mechanotransduktion , ATAT1Mechanotransduction , ATAT1
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