Functional characterization of the cell polarity proteins Bazooka and LKB1

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-379160
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.37916

Kullmann, Lars

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Date of publication of this fulltext: 12 Nov 2018 10:26

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	October 2018
Referee:	Prof. Dr. Dr. Michael Krahn
Date of exam:	9 October 2018
Institutions:	Biology, Preclinical Medicine > Institut für Anatomie > Lehrstuhl für Molekulare und zelluläre Anatomie > Prof. Dr. Ralph Witzgall
Keywords:	Zellpolarität, Bazooka, LKB1
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 570 Life sciences
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	37916

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Abstract (English)

Abstract (English)

Cell polarity is a highly conserved characteristic of epithelia. Baz and LKB1 are two key players in the establishment of a cellular polarity and the role of their membrane localization and organization were the subjects of this study.
The liver kinase B1 (LKB1) is an essential kinase that regulates various cellular processes by modulating the activity of several downstream kinases. Its loss or inactivation is closely linked to tumorigenesis. Understanding the regulation of this tumour suppressor will help to better understand the process of tumorigenesis itself. The C-terminus of LKB1 beard a polybasic motif (lysine and arginine residues), which mediates its membrane localization together with a farnesylation site. The polybasic motif acts as a lipid binding (LB) domain that directly binds to phosphoinsotides. Deletions of the LB domain and farnesylation site cause embryonic lethality and phenocopies a null allele. LKB1 preferentially binds to phosphatidic acid (PA), which in turn significantly enhances its catalytic activity. Furthermore, also human LKB1 (hLKB1) localizes at the plasmamembrane of epithelial cells, which requires its conserved LB domain. Lipid binding is important for hLKB1 to counteract mTORC1 in order to suppress cell proliferation in human cancer cell lines. Finally, in specimen of melanoma patients, an association of downregulated LKB1 with elevated levels of PLD2 (which produces PA that activates LKB1 and mTOR) and activated mTORC1 targets has been found. Taken together, membrane binding of LKB1 is essential to fully activate it in order to counteract cell proliferation and promote development.
The oligomerization domain (OD) of Bazooka (Baz) has been reported to be important for viability of the Drosophila embryo and the cortical localization of the protein. This study found a functional redundancy of the OD and the lipid binding (LB) motif that is essential for the cortical localization of Baz. Thus, it has been confirmed that the OD contributes to the membrane localization of Baz. Nevertheless, in contrast to previous studies oligomerization was dispensable for viability of embryos, but a yet undescribed function of the OD to stabilize Baz has been observed.
In the end, a novel basis for the interaction between Baz and Par6 has been determined. A so far unrecognized PDZ binding motif (PBM) at the C-terminus of Par6 directly binds to the first and the third PDZ domains of Baz. The previously assumed PDZ-PDZ domain interaction could not be confirmed in vitro. However, in vivo a functional redundancy of the PDZ domain and the PBM of Par6 promotes its apical localization in the epithelium of Drosophila embryos.

Translation of the abstract (German)

Zellpolarität ist eine hochkonservierte Eigenschaft von Epithelzellen. Bazooka (Baz) und die Liver Kinase B1 (LKB1) sind zwei Schlüsselproteine bei der Etablierung einer zellulären Polarität und die Rolle ihrer Membranlokalisierung und -organisation waren die Themen dieser Studie.
LKB1 ist eine essentielle Kinase, die verschiedene Zellprozesse reguliert, indem sie die Aktivität mehrerer Kinasen moduliert. Ihr Verlust oder ihre Inaktivierung sind eng mit der Tumorentstehung verbunden. Das Verständnis der Regulation dieses Tumorsuppressors kann helfen, den Prozess der Tumorentwicklung besser zu verstehen. Am C-Terminus von LKB1 befindet sich ein polybasisches Motiv (Lysin und Arginin), das dessen Membranlokalisation zusammen mit einer Farnesylierungsstelle ermöglicht. Das polybasische Motiv fungiert als Lipidbindedomäne (LB), die direkt an Phospholipide bindet. Die Deletion der LB-Domäne und der Farnesylierungsstelle führen zu embryonaler Letalität und ähnelt vom Phänotyp einer lkb1 Mutante in Drosophila. LKB1 bindet bevorzugt an Phosphatidsäure (PA), was wiederum seine katalytische Aktivität erhöht. Darüber hinaus lokalisiert auch humanes LKB1 (hLKB1) an der Plasmamembran von Epithelzellen, was ebenfalls die konservierte LB-Domäne erfordert. Die Lipidbindung ist wichtig für hLKB1, um dem mTORC1 entgegenzuwirken und die Zellproliferation in Krebszelllinien zu regulieren. In Gewebeproben von Melanompatienten konnte eine Assoziation von geringen Mengen LKB1, einer erhöhten Menge an PLD2 (produziert PA, das LKB1 und mTOR aktiviert) und aktivierten mTORC1 gefunden werden. Zusammenfassend ist die Membranbindung von LKB1 unerlässlich, um dessen katalytische Aktivität zu erhöhen, um der Zellproliferation entgegenzuwirken als auch die Entwicklung von Drosophila Embryonen zu regulieren.
Über die Oligomerisierungsdomäne (OD) von Baz ist bekannt, dass sie für die Entwicklung von Drosophila Embryonen wichtig ist und zur kortikalen Lokalisation des Proteins beiträgt. Diese Studie ergab eine funktionelle Redundanz der OD und des Lipidbindungsmotivs (LB), das ebenfalls zur Lokalisation von Baz beiträgt. So konnte die Funktion der OD in Bezug auf dessen Rolle bei der Lokalisation von Baz bestätigt werden. Dennoch war im Gegensatz zu früheren Studien die Oligomerisierung für die Lebensfähigkeit von Embryonen entbehrlich. Darüber hinaus konnte eine noch unbeschriebene Funktion der OD zur Stabilisierung von Baz charakterisiert werden.
Darüber hinaus konnte die strukturelle Grundlage für die Interaktion zwischen Baz und Par6 aufgeklärt werden. Ein bisher unerkanntes PDZ-Bindemotiv (PBM) am C-Terminus von Par6 bindet direkt an die erste und dritte PDZ-Domäne von Baz. Die bisher angenommene Interaktion der PDZ Domänen beider Proteine konnte in vitro nicht bestätigt werden. In vivo fördert jedoch eine funktionelle Redundanz der PDZ-Domäne und des PBM von Par6 deren apikale Lokalisation im Epithel von Drosophila Embryonen.

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