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Regulation of Morphogenetic Cell Behavior by Xenopus Paraxial Protocadherin

Berger, Corinna D.

German Title: Regulierung morphogenetischen Zellverhaltens durch Xenopus Paraxial Protocadherin

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Abstract

Gastrulation is one of the most important processes during embryogenesis and must therefore be strictly controlled. A central regulator of this complex morphogenetic process is Paraxial Protocadherin (PAPC). PAPC function is necessary for convergent extension movements and tissue separation. It promotes beta-catenin-independent Wnt-signaling and modulates C-Cadherin-mediated cell adhesion. In this work I explored the role of PAPC in convergent extension and tissue separation. I could show using loss of function approaches that PAPC is necessary for the elongated cell shape and the bipolarity of mesodermal cells. Furthermore the activation of endogenous Rho, which can be visualized by a novel in situ staining method, depends on PAPC in the dorsal marginal zone. PAPC promotes the activation of Rho by antagonizing Spry, an inhibitor of beta-catenin-independent Wnt-signaling, by binding to it. The interaction between PAPC and Spry is independent of FGF signaling, but the two putative phosphorylation sites at serines 741 and 955 in the cytoplasmic domain of PAPC are essential for it. The expression of the PAPC cytoplasmic domain alone but not of the point mutant PAPC-S741A/S955A, which is unable to bind to Spry, can rescue Rho activation after PAPC loss of function. In addition the cytoplasmic domain of PAPC can enter the nucleus, where it might mediate transcription. Using bimolecular fluorescence complementation I could show that PAPC interacts with C-Cadherin and the receptor Frizzled 7 (Fz7). In gain of function experiments PAPC decreases cell adhesion by binding to C-Cadherin. For this function only the extracellular and transmembrane domains of PAPC are necessary. Although PAPC induces endocytosis of C-Cadherin/PAPC-complexes in intact tissues, this effect does not contribute to the downregulation of cell adhesion. PAPC interacts with Fz7 via their extracellular domains. PAPC and Fz7 do not act as ligand and receptor across cell membranes; both proteins must be inside the same cell in order to induce ectopic tissue separation in the ectoderm. Furthermore the interaction between PAPC and Fz7 can be modulated by coexpression of C-Cadherin or Wnt11, a ligand of Fz7.

Translation of abstract (German)

Die Gastrulation ist einer der wichtigsten Vorgänge während der Embryonal-entwicklung und wird daher streng geregelt. Ein zentraler Teil der Steuerung dieses komplexen morphogenetischen Prozesses ist Paraxiales Protocadherin (PAPC). Die Funktion von PAPC ist erforderlich für die konvergente Extension und das Gewebe-trennungsverhalten. PAPC fördert den beta-Catenin-unabhängigen Wnt-Signalweg und moduliert die von C-Cadherin vermittelte Zelladhäsion. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Rolle von PAPC während der konvergenten Extension und des Gewebetrennungsverhaltens untersucht. Mit Hilfe von „loss of function“-Experimenten konnte gezeigt werden, dass PAPC für die elongierte Form und Polarität von Mesodermzellen notwendig ist. Die Aktivierung der kleinen GTPase Rho, die mittels einer neuen Färbemethode in situ gezeigt werden kann, hängt in der dorsalen Marginalzone von PAPC ab. PAPC fördert die Aktivierung von Rho, indem es Spry, einen Inhibitor des beta-Catenin-unabhängigen Wnt-Signalwegs, bindet und neutralisiert. Die Bindung zwischen PAPC und Spry ist unabhängig von FGF-Signalen, braucht jedoch die mutmaßlich phosphorylierten Serine 741 und 955 der zytoplasmatischen Domäne von PAPC. Die Expression der zytoplasmatischen Domäne, nicht jedoch die der Mutante PAPC-S741A/S955A, konnte die Rho-Aktivierung nach Verlust von PAPC wiederherstellen. Schließlich kann die zytoplasmatische Domäne von PAPC in den Zellkern gelangen, wo sie möglicherweise Gentranskription reguliert. Mittels bimolekularer Fluoreszenzkomplementierung konnte gezeigt werden, dass PAPC an C-Cadherin und den Rezeptor Frizzled 7 (Fz7) bindet. Überexprimiertes PAPC vermindert die von C-Cadherin vermittelte Zelladhäsion, indem es an C-Cadherin bindet. Für diesen Vorgang werden nur die extrazelluläre und die Transmembrandomäne von PAPC benötigt. Obwohl PAPC in intakten Geweben die Endozytose von PAPC/C-Cadherin-Komplexen auslöst, hat diese keinen Einfluss auf die Zelladhäsion. PAPC bindet über die jeweiligen extrazellulären Domänen an Fz7. PAPC und Fz7 wirken nicht wie Rezeptor und Ligand über Zellgrenzen hinweg, sondern beide Proteine müssen in der gleichen Zelle vorhanden sein, um ektopisches Gewebetrennungsverhalten im Ektoderm hervorzurufen. Zudem kann die Bindung zwischen PAPC und Fz7 durch die Koexpression von C-Cadherin oder Wnt11, einem Liganden von Fz7, reguliert werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Steinbeisser, Prof. Dr. Herbert
Date of thesis defense: 17 July 2009
Date Deposited: 27 Aug 2009 14:57
Date: 2009
Faculties / Institutes: Medizinische Fakultät Heidelberg > Institut für Humangenetik
Subjects: 570 Life sciences
Controlled Keywords: Embryonalentwicklung, Gastrulation, Glatter Krallenfrosch, Zelladhäsion, Rho-Proteine, Endocytose, Signaltransduktion
Uncontrolled Keywords: Proteininteraktion , Wnt-Signalwege , Paraxial Protocadheringastrulation , Paraxial Protocadherin , cell adhesion , wnt signaling , protein interaction
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