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Abstract

During the development of an organism, gastrulation is a critical step laying the foundation of organogenesis. Cells in gastrulating embryos undergo a variety of coordinated cell movements to establish the three germ layers, ectoderm, mesoderm and endoderm. In this, concerted cell movements are orchestrated by multiple signaling pathways, but most importantly by different Wnt signaling cascades, such as the non-canonical Wnt/planar cell polarity (PCP) pathway. Paraxial protocadherin (PAPC) is a central player during Xenopus gastrulation regulating cell adhesion, polarization and the Wnt/PCP pathway. However, the mechanism of PAPC mediated signaling is not entirely understood. In this work I could show for the first time that PAPC interacts with Nemo like kinase 1 (Nlk1), an atypical Serine/Threonine MAP kinase and a known inhibitor of the canonical Wnt/β-catenin pathway. The interaction of Nlk1 with PAPC is mediated by the intracellular domain of PAPC, which triggers recruitment of Nlk1 to the plasma membrane. I further provide evidence that binding to each other causes a post-translational stabilization of both proteins, by inhibition of ubiquitination. Using a kinase negative mutant of Nlk1, I could show that this is independent of its kinase activity. At the same time, mutations of the putative Nlk1 phosphorylation sites in PAPC indicated that phosphorylation of these sites is required for Nlk1 mediated stabilization of PAPC. Notably, I could demonstrate that Nlk1, probably via its interaction with PAPC, is required for the regulation of Wnt/PCP signaling and gastrulation during early Xenopus development, in addition to its function in Wnt/β-catenin signaling. Interestingly, I found that the kinase activity of Nlk1, while required for canonical Wnt modulation, is dispensable for its role in Wnt/PCP signaling and regulation of gastrulation. Based on my results I propose that during Xenopus development Nlk1 is a versatile modulator of the Wnt/β-catenin and Wnt/PCP pathways. Moreover, I suggest that Nlk1 influences gastrulation movements by stabilizing the Wnt/PCP component PAPC.

Translation of abstract (German)

In der Embryonalentwicklung ist die Gastrulation ein entscheidender Schritt ,um die Grundlage für die Organogenese festzulegen. Eine Vielzahl koordinierter Zellbewegungen etabliert während der Gastrulation die drei Keimblätter Ektoderm, Mesoderm und Endoderm. Dabei werden die aufeinander abgestimmten Zellbewegungen von verschiedenen Signalwegen, wie z. B. dem nicht kanonischen Wnt/PCP (engl. für Planare Zellpolarität) Signalweg, organisiert. Hierbei spielt das Paraxiale Protocadherin (PAPC) eine zentrale Rolle, indem es während der Xenopus Gastrulation Wnt/PCP, Zelladhäsion und Polarisierung reguliert. Allerdings sind die Mechanismen der PAPC-abhängigen Signaltransmission noch unklar. In dieser Arbeit konnte ich erstmals zeigen, dass PAPC mit der Nemo like/ähnlichen Kinase 1 (Nlk1) interagiert. Nlk1 ist eine atypische Serin/Threonin MAPKinase und ein bekannter Inhibitor des kanonischen Wnt/β-Catenin Signalwegs. Die Bindung der von Nlk1 an PAPC erfolgt über die intrazelluläre Domäne von PAPC, wodurch Nlk1 an die Plasmamembran rekrutiert wird. Weiterhin konnte ich belegen, dass die Interaktion der beiden Proteine deren Ubiquitylierung hemmt, wodurch sie sich gegenseitig post-translationale stabilisieren. Mit Hilfe einer Kinase inaktiven Mutante von Nlk1, konnte ich weiterhin zeigen, dass diese Funktion unabhängig von der Kinaseaktivität von Nlk1 ist. Dennoch lassen Mutationen von mutmaßlichen Nlk1 Phosphorylierungsstellen in PAPC vermuten, dass Phosphorylierung dieser Stellen für die Nlk1-vermittelte Stabilisation von PAPC notwendig ist. Zudem konnte ich darlegen, dass Nlk1 nicht nur durch seine bereits bekannte Funktion im Wnt/β-Catenin Signalweg, sondern auch wegen seines Einflusses auf den Wnt/PCP Signalweg während der Gastrulation für die Xenopus Frühentwicklung benötigt wird. Dieser Effekt erfolgt vermutlich hauptsächlich durch die Interaktion von Nlk1 mit PAPC. Interessanterweise ist die Kinaseaktivität von Nlk1, die für die Regulation von Wnt/β-Catenin essentiell ist, für seine Funktion als Wnt/PCP- und Gastrulations-Regulator entbehrlich. Basierend auf meinen Ergebnissen komme ich zu dem Schluss, dass Nlk1 ein vielseitiger Modulator sowohl von Wnt/β-Catenin als auch von Wnt/PCP Signalwegen ist. Außerdem beeinflusst Nlk1 Zellbewegungen während der Gastrulation durch die Stabilisierung der Wnt/PCP Komponente PAPC.