Turnover and localization of the actin-binding protein Drebrin in neurons

Abstract

Die vorliegende Arbeit erforscht die Regulation der Expression von Drebrin; DBN (Developmentally Regulated Brain Protein) in Neuronen. DBN ist ein Protein das Actin bindet und Actin-Filamente bündeln kann. Änderungen der Morphologie der Spines verändern die synaptische Aktivität und Plastizität – wichtigen Prozessen bei der Gedächtnisbildung und Alterung des Gehirns, sowie bei geistigen Störungen bzw. Behinderungen. DBN-Expression im Alter und in einigen neurodegenerativen Krankheiten reduziert ist. Eine schwächere Expression von DBN in Spines geht außerdem mit einem Verlust an synaptischen Verbindungen einher, einem gemeinsamen Merkmal von Alterung und neurologischen Störungen wie der Alzheimer Krankheit. Diese Befunde bildeten die Motivation und Grundlage für meine Erforschung der Produktion und Lokalisierung von DBN. In meinem Projekt, habe ich den Effekt der sequenzspezifischen S647-Phosphorylierung von DBN untersucht. Die Arbeit zeigt, dass diese post-translatorische Modifikation die Stabilität von DBN reguliert. Ich habe FUNCAT-PLA und Puro-PLA für die Visualisierung von de novo synthetisierten Proteinen in situ benutzt. Mittels hochauflösender Fluoreszenz-Hybridisierung konnte ich zeigen, dass DBN nicht nur im Zellkörper sondern auch lokal in den Spines translatiert wird. Meine Resultate bieten eine Grundlage für das Verständnis der Regulierung de DBN-Konzentration in Zellen und ermöglichen die weitere Erforschung der Rolle der S647-Phosphorylierung von DBN für die Morphologie von Spines. Die Arbeit bildet außerdem eine experimentelle Plattform für weitere Studien der Rolle von DBN für Spines, sowohl in Bezug auf Stabilität als auch der synaptischen Funktion und Stabilität.

This thesis studies the abundance of the protein Drebrin; DBN (Developmentally Regulated Brain Protein) in neurons, which is an actin-binding protein capable of bundling actin filaments. Synapses in the mammalian brain are formed on tiny protrusions, called dendritic spines. Changes in spine morphology affect synaptic activity and plasticity, which are processes underlying memory formation. DBN abundance plays an important role in regulating dendritic spine morphology. Cognitive decline and neurodegenerative conditions have been shown to be linked with a decrease in DBN levels. A weakening in the expression of this protein in spines is associated with the loss of synaptic connections, a common feature of ageing and neurological disorders such as Alzheimer''s disease. This evidence was the underlying motivation for studying the localization and turnover of DBN. I studied the effect of the site-specific S647 phosphorylation of DBN and found that such post-translational modification regulates protein stability. For the project, I established several novel techniques in our laboratory, including state-of-the-art methods such as FUNCAT-PLA and Puro-PLA for the visualization of de novo synthesized proteins in situ. My results show that DBN translation occurs not only in somata but also locally in the dendrites and spines. The same observation is true for DBN transcripts, which are present both in the soma and dendrites of neurons. These observations suggest that DBN could play an important role during synaptic plasticity. My results allow the future investigation of the potential role of site-specific phosphorylation of DBN in spine morphology. This PhD thesis represents a contribution to better understanding the regulation of DBN abundance. It also provides an experimental platform for additional investigation about the role of DBN in spine morphology, regarding its stability and its correlation with synaptic maintenance and function.