Genetic and molecular analysis of Caenorhabditis elegans unc-69 gene in axonal outgrowth and presynaptic differentiation

Abstract

Der Nematode C. elegans wurde in grossem Rahmen als Modellsystem eingesetzt, um die genetischen Voraussetzungen für die richtige Entwicklung und Funktion des Nervensystems zu ermitteln. Das C. elegans-Gen unc-69 ist erforderlich für die Steuerung, das Auswachsen und die Bündelung der Axone und für die Synaptogenese. UNC-69 ist ein Protein aus 108 Aminosäuren mit einer kurzen Coiled-coil-Domäne. Während in starken unc-69 Funktionsverlust-Mutanten die Axone nicht genügend wachsen und die Bündelung verloren geht, bewirkt das Allel unc-69(ju69), welches die Funktion nur schwach reduziert, vor allem die falsche Lokalisierung von SNB-1::GFP, einem Markierer von synaptischen Vesikeln. UNC-69 ist spezifisch notwendig für das Auswachsen der Axone und die präsynaptische Differenzierung, zumal die Dendriten in unc-69-Mutanten normal wachsen und der Diazetylrezeptor ODR-10 zu den Zilien gelangt. UNC-69 ist ein neuer Bindungspartner von UNC-76, einem Protein, welches in vielen Organismen für die Verlängerung und Bündelung der Axone und den axonalen Transport zuständig ist. UNC-69 und UNC-76 kolokalisieren in den Neuronen als Puncta und regulieren gemeinsam die Verlängerung der sensorischen Axone und die Lokalisierung von SNB-1::GFP. Allerdings können UNC-69 und UNC-76 in Würmern teilweise nicht kolokalisieren, in denen unc-116 mutiert ist, das C. elegans Ortholog der schweren Kinesin-Kette, welches ebenfalls Defekte im Auswachsen der Axone und in der normalen präsynaptischen Differenzierung zur Folge hat. Möglicherweise reguliert der UNC-69/UNC-76-Komplex durch die Assoziation mit der schweren Kinesin- Kette den axonalen Transport. Ausserdem deuten meine Resultate darauf hin, dass Synapsenbildung und Wachstum der Axone eng gekoppelte Prozesse sind, eine Funktion, die unter Umständen evolutionär weitgehend konserviert ist.

The nematode C. elegans has been used extensively as a model system to identify genetic requirements for proper nervous system development and function. The C. elegans gene unc-69 is required for axon guidance, outgrowth, fasciculation and synaptogenesis. UNC-69 is a 108 amino acid protein with a short coiled-coil domain. Whereas axons fail to elongate and become defasciculated in strong unc-69 loss-of- function mutants, the weak reduction-of-function allele unc-69(ju69) preferentially causes mislocalization of synaptic vesicle marker SNB-1::GFP. UNC-69 is specifically required for axonal outgrowth and presynaptic differentiation, as unc-69 mutants do not show defects in dendritic growth or targeting the diacetyl receptor ODR-10 to cilia. UNC-69 is a novel binding partner of UNC-76, a protein required for axon elongation, fasciculation and axonal transport in many organisms. UNC-69 and UNC-76 colocalize as puncta in neurons, and cooperate to regulate sensory axon extension and SNB-1:: GFP localization. Moreover, UNC-69 and UNC-76 occasionally fail to colocalize in worms mutant for unc-116, the C. elegans orthologue of kinesin heavy chain, which is also defective in both axonal outgrowth and normal presynaptic differentiation. The UNC-69/ UNC-76 protein complex might mediate cargo transport in the axons by associating with kinesin heavy chain. In addition, my results suggest that synapse formation and axonal growth are tightly coupled processes, and this function might be well evolutionarily conserved.