Calsyntenin1-dependent vesicular trafficking is an important regulator of axonal behavior at choice points

Abstract

During the development of the nervous system, growing axons must find their correct targets in order to form a functional neural network. If neural circuit formation is hampered, brain diseases, such as autism spectrum disorders, schizophrenia, or mental retardation can be the result. In order to understand the molecular background of these diseases, we must understand how growing nerve fibers are led to their target cells. The dorsal commissural neurons are a well-established model system to investigate the molecular mechanisms of axon guidance, as their axons always grow in a stereotypic and characteristic manner. Axons extend from the dorsal location of the cell bodies to the ventral midline, where they cross the floor plate and then, after a sharp turn, grow in rostral direction along the contralateral floor-plate border. Along their trajectory growing axons are guided by so-called guidance cues, which either attract or repel them. In order to respond to these cues, the tips of the axons, called growth cones, must carry distinct receptors on their surface. In my thesis, I show that intracellular trafficking is a crucial regulatory mechanism for axon guidance by delivering specific receptors to the growth cone surface. Calsyntenin1, a transmembrane protein expressed in growth cones, links vesicles containing distinct cargo to kinesin motors and is thus involved in fast anterograde axonal transport. We identified Calsyntenin1 as a co-regulator of floor-plate exit and the contralateral turning decision of dorsal commissural axons. Calsyntenin1 is involved in the regulation of surface levels of two particular guidance cues, Robo1 and Fzd3. Während der Entwicklung des Nervensystems müssen die auswachsenden Axone die richtigen Zielzellen finden, um ein korrekt verbundenes Netzwerk bilden zu können. Wenn sich diese neuronalen Netzwerke nicht richtig ausbilden, kann das zu Krankheiten des Gehirns führen, wie beispielsweise zu Autismus, zu Schizophrenie oder zu geistiger Behinderung. Damit wir die molekularen Hintergründe dieser Krankheiten verstehen, ist es unabdingbar, auch zu verstehen, wie auswachsende Nervenfasern zu den richtigen Zielzellen geführt werden. Die dorsalen Kommissurualneurone sind ein etabliertes Modellsystem, um die molekularen Mechanismen der axonalen Wegfindung zu untersuchen. Kommissuralaxone wachsen entlang einem stereotypen und charakteristischen Pfad von der dorsalen Lage der Zellkörper zur ventralen Mittellinie, überqueren diese und wachsen anschliessend Richtung Kopf. Die auswachsenden Axone werden primär durch sogenannte guidance cues (Wegweisermoleküle) gesteuert, welche entweder attraktiv oder repulsiv auf die auswachsenden Nervenfasern wirken. Damit Axone auf diese guidance cues antworten können, müssen die Spitzen der Axone (sog. Wachstumskegel) bestimmte Rezeptoren auf ihrer Oberfläche tragen. Die Expression dieser Rezeptoren wiederum muss sorgfältig reguliert werden. In dieser Arbeit konnte ich zeigen, dass intrazellulärerer Vesikel-Transport ein essentieller Regulations- mechanismus für axonale Wegleitung ist, um spezifische Rezeptoren an die Oberfläche der Wachstumskegel abzuliefern. Calsyntenin1, ein Transmembran- protein, welches in Wachstumskegeln vorkommt, verbindet Vesikel, die bestimmte Fracht enthalten, mit Kinesin-Motoren. Auf diese Weise ist Calsyntenin in den schnellen anterograden Vesikeltransport in Axonen involviert. Ich konnte zeigen, dass Calsyntenin-1 eine wichtige Rolle im Transport von zwei spezifischen Rezeptoren, Robo1 und Fzd3, spielt.