Characterization of phosphorylation-dependent interactions involving neurofibromin 2 (NF2, merlin) isoforms and the Parkinson protein 7 (PARK7, DJ1)

Abstract

Veränderungen in phosphorylierungsabhängigen Signalwegen, Akkumulation von Proteinaggregaten im Gehirn und neuronaler Zelltod sind Neurodegenerationskennzeichen und Indikatoren für überlappende molekulare Mechanismen. Um Einblicke in die involvierten Signalwege zu erhalten, wurde mit Hilfe eines modifizierten Hefe-Zwei-Hybrid (Y2H)-Systems für 71 Proteine, die mit neurologischen Erkrankungen assoziiert sind, proteomweit nach Protein-Protein Interaktionen (PPIs) gesucht. Für 21 dieser Proteine wurden PPIs identifiziert. Das Gesamtnetzwerk besteht aus 79 Proteinen und 90 PPIs von denen 5 phosphorylierungsabhängig sind. Ein Teil dieser PPIs wurde in unabhängigen Interaktionsassays mit einer Validierungsrate von 66 % getestet. Der netzwerkbasierte Versuch verbindet erfolgreich neurologische Erkrankungen untereinander aber auch mit zellulären Prozessen. Ser/Thr-Kinase abhängige PPIs verknüpfen zum Beispiel das Parkinson Protein 7 (PARK7, DJ1) mit den E3 Ligase Komponenten ASB3 und RNF31 (HOIP). Die Funktion dieser Proteine bekräftigt den Zusammenhang zwischen dem Ubiquitin-Proteasom-System und der Parkinson Krankheit (PD). Neurofibromin 2 (NF2, merlin) Isoformen und PARK7 interagieren mit der regulatorischen PI3K Untereinheit p55-gamma (PIK3R3). Diese PPIs basieren auf Tyr-Kinase Aktivität im modifizierten Y2H System und funktionellen PIK3R3 pTyr-Erkennungsmodulen (SH2 Domänen) in co-IP und Venus PCA Versuchen. Dies verknüpft den PI3K/AKT Überlebenssignalweg mit zwei unterschiedlichen neurologischen Erkrankungsphenotypen: dem PD assoziierten neuronalen Zelltod und der Neurofibromatose Typ 2-assoziierten Tumorentstehung. Die vergleichende Beobachtung von PIK3R3, AOF2 (KDM1A, LSD1) Interaktionen auf NF2 Isoformlevel offenbart eine Bevorzugung von Isoform 7 bei zytoplasmatischer Lokalisation, wohingegen Isoform 1 PPIs an der Membran lokalisiert sind. Das modifizierungsabhängige und isoformspezifische PPI Netzwerk ermöglichte neue Hypothesen zu molekularen Pathomechanismen.

Alterations in phosphorylation-dependent signalling pathways, accumulation of aggregated proteins in the brain and neuronal apoptosis are common to neurodegeneration and implicate overlapping molecular mechanism. To gain insight into involved pathways, a modified yeast-two hybrid (Y2H) system was applied to screen 71 proteins associated with neurological disorders in a proteome-wide manner. For 21 of these proteins interactions were identified including 5 phosphorylation-dependent ones. In total, the network connected 79 proteins through 90 protein-protein interactions (PPIs). A fraction of these Y2H PPIs was tested in secondary interaction assays with a validation rate of 66 %. The described network-based approach successfully identified proteins associated with more than one disorder and cellular functions connected to specific disorders. In particular, the network revealed Ser/Thr kinase-dependent PPIs between the Parkinson protein 7 (PARK7, DJ1) and the E3 ligase components ASB3 and RNF31 (HOIP). The function of these proteins further substantiates the established connection between Parkinson’s disease (PD) and ubiquitination-mediated proteasome (dis)functions. Neurofibromin 2 (NF2, merlin) isoforms and PARK7 were identified as PI3K regulatory subunit p55-gamma (PIK3R3) interactors. These PPIs required Tyr kinase coexpression in the modified Y2H system and functional PIK3R3 pTyr-recognition modules (SH2 domains) in co-IP and Venus PCA experiments. This finding implicates the PI3K/AKT survival pathway in PD-associated neuronal apoptosis and Neurofibromatosis type 2-associated tumour formation. Investigation of PIK3R3, AOF2 (KDM1A, LSD1) and EMILIN1 PPIs on NF2 isoform level revealed preferential isoform 7 binding and cytoplasmic or membrane localisation of these PPIs for isoform 7 or 1, respectively. The generated modification-dependent and isoform-specific PPI network triggered many hypotheses on the molecular mechanisms implicated in neurological disorders.