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Characterization of developmental role and mechanistic function of Kremen proteins

Hassler, Christine

German Title: Charakterisierung der entwicklungsbiologischen Rolle und Funktion von Kremen Proteinen

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Abstract

The Wnt/beta-catenin signaling pathway plays pivotal roles during embryonic development and adult tissue homeostasis; these include the regulation of cell fate decisions during germ layer induction, axial patterning and organogenesis, as well as cell proliferation and stem cell maintenance. Wnt signaling is antagonized by Dickkopf (Dkk) proteins, which play an important role in antero-posterior patterning of the central nervous system. Dkks function by inhibiting the Wnt receptor LRP5/6. They act in conjunction with transmembrane proteins of the Kremen family (Krm1 and 2, collectively termed Krms). Dkk binds to both LRP5/6 and Krm and induces formation of a ternary complex, which is cleared from the cell surface by endocytosis, leading to shut down of Wnt signal transduction. This study was initiated by several open questions: How do Krms function to mediate LRP6 clearance from the cell surface? Are there other proteins involved in this process? Do Krms have Dkk-independent roles during Xenopus development? Towards a mechanistic analysis of Krm/Dkk mediated Wnt inhibition, several screens for Krm interaction/binding partners were undertaken which led to the identification and characterization of Erlectin, a novel secreted protein which (i) binds to N-glycans linked to Krm2; (ii) is a member of the endoplasmic reticulum (ER) synexpression group in Xenopus; (iii) is localized in the ER lumen; and (iv) is essential for normal Xenopus development. As a second major result of this study, I observed and established that Krm2 plays a Dkk1-independent role during Xenopus neural crest formation. The experimental data revealed that Krm2 (i) is co-expressed with Wnts and regulated by zygotic Wnt signaling; (ii) shows differential expression in the neural crest and can induce neural crest tissue when overexpressed; (iii) is required for neural crest formation; and (iv) promotes cell surface localization of LRP6, as well as LRP6-mediated Wnt signaling in cultured cells. Based on these findings I developed a model in which Krms may be considered as context-dependent inhibitors or activators of Wnt/LRP6 signaling, which are regulated by the presence or absence of Dkk, respectively.

Translation of abstract (German)

Der Wnt/beta-catenin Signalweg hat als bedeutender Regulator der Embryonalentwicklung, aber auch der Gewebshomöostase im adulten Organismus, eine Schlüsselrolle inne; er kontrolliert Prozesse wie Keimblattinduktion, Musterbildung der Körperachsen, Zellproliferation und Stammzellerneuerung. Der Wnt Signalweg selbst wird streng reguliert, unter anderem von Proteinen der Dickkopf (Dkk) Familie, die als Inhibitoren wirken und die Signaltransduktion blockieren. Diese durch Dkk1 vermittelte Inhibition des Wnt Signalweges ist essentiell für die Entwicklung des Kopfes als Teil der Musterbildung entlang der antero-posterioren Körperachse. Dkk1 bindet an den Wnt Rezeptor LRP5/6 und blockiert ihn; dabei arbeitet Dkk1 mit einem weiteren Korezeptor zusammen, dem Transmembranprotein Kremen (Kremen1 bzw. 2, abgekürzt Krm1 bzw. 2). Zusätzlich zu LRP5/6 bindet Dkk1 auch an Krm, und gemeinsam bilden Dkk1, LRP5/6 und Krm einen ternären Komplex, der durch Endozytose von der Zelloberfläche entfernt wird – nun kann das Wnt Signal nicht mehr übermittelt werden. Am Anfang dieser Studie standen folgende Fragen: Wie reguliert Krm die Entfernung bzw. den Abbau des Wnt Rezeptors LRP5/6 von der Zelloberfläche? Sind andere Proteine an diesem Prozess beteiligt, und wenn ja, welche? Weiters: Arbeitet Krm immer mit Proteinen der Dkk Familie zusammen, oder hat es auch eigene, Dkk-unabhängige Funktionen während der Embryonalentwicklung von Xenopus? Ein Ziel dieses Arbeit ist die mechanistische Analyse der durch Krm und Dkk mediierten Inhibition des Wnt Signalweges. Es wurden mehrere Suchansätze unternommen um Binde- und Interaktionspartner von Krm zu finden; diese führten zur Isolierung und Charakterisierung von Erlectin, einem neuartigen sekretierten Protein. Erlectin (i) bindet an N-Glykangruppen auf Krm2; (ii) ist ein Mitglied der Synexpressionsgruppe des Endoplasmatischen Retikulums (ER); (iii) ist im Lumen des ER lokalisiert; und (iv) ist essentiell für die normale Entwicklung von Xenopus Embryonen. Das zweite bedeutende Ziel dieser Arbeit umfasst die Analyse der Rolle von Krm2 während der Neuralleistenentwicklung in Xenopus. Meine Experimente zeigten dass Krm2 (i) mit Wnt Genen koexprimiert ist, und weiters dass die Expression von Krm2 vom Wnt Signalweg regulirt wird; (ii) differenziell in der Neuralleistenregion exprimiert wird und selbst Neuralleistengewebe induzieren kann; (iii) für die Neuralleisteninduktion unbedingt nötig ist; und (iv) in Zellkulturzellen sowohl den Wnt Signalweg stimulieren, als auch die vermehrte Lokalisierung von LRP6 an der Zelloberfläche bewirken kann. Aus diesen Ergebnissen habe ich ein hypothetisches Modell abgeleitet, in dem Kremen Proteine als kontextabhängige Inhibitoren oder Aktivatoren der Wnt Signalweges verstanden werden können, deren Wirkweise durch An- oder Abwesenheit von Dkk1 reguliert wird.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Christof Prof. Dr., Niehrs
Date of thesis defense: 12 June 2007
Date Deposited: 21 Jun 2007 12:39
Date: 2007
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Glatter Krallenfrosch, Entwicklungsbiologie, Induktion <Entwicklungsbiologie>, Neuralleiste, Wnt-Proteine, Signaltransduktion, Endoplasmatisches
Uncontrolled Keywords: LRP6 , Synexpressionsgruppe , Dickkopf1 , N-GlykanXenopus , development , neural crest , Wnt signaling , dickkopf1 , LRP6 , synexpression group , N-glycan
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