Universität zu Köln

Die clathrin-vermittelte Endozytose (CME) ist einer der wichtigsten endozytotischen Wege in eukaryotischen Zellen und spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufnahme von Nährstoffen und Substanzen wie dem LDL-Rezeptor (low-density lipoprotein receptor, LDLR) und dem Transferrin-Rezeptor (TfnR). Bei Neuronen, die hochpolarisiert, nicht-mitotisch und mit langen Axonen und Dendriten weit vom Zellkörper entfernt sind, ist CME von größter Bedeutung. CME spielt eine zentrale Rolle beim Recycling von synaptischen Vesikeln und gewährleistet die Kontinuität der synaptischen Funktion sowie die Erneuerung der Plasmamembran (PM), was für die neuronale Gesundheit von entscheidender Bedeutung ist. Die Adaptor-assoziierte Kinase 1 (AAK1) wurde ursprünglich als Kinase entdeckt, die den Adaptor-Protein-Komplex 2 (AP2) phosphoryliert, wodurch dessen Affinität zur PM erhöht und die Reifung der endozytotischen Vesikel gefördert wird. Neuere Studien haben gezeigt, dass AAK1 über ihre kanonische Rolle in der CME hinaus vielseitige Funktionen hat und möglicherweise eine Rolle bei der Neurodegeneration und der Regulation der Autophagie spielt. Unsere Studie zielte darauf ab, die Rolle von AAK1 im Gehirn in vivo zu untersuchen, wobei sowohl globale als auch konditionale Knockout (cKO) Mausmodelle von AAK1 verwendet wurden. Diese Modelle zeigten auffallend ähnliche Phänotypen, darunter reduziertes Körpergewicht, Hyperaktivität und beeinträchtigte motorische Fähigkeiten im Beam-Walk-Test. Diese Ergebnisse deuten stark darauf hin, dass AAK1 eine neuronenspezifische Rolle spielt, die entscheidend für die Aufrechterhaltung der neuronalen Funktion und Gesundheit ist. Um die molekularen Grundlagen dieser Phänotypen zu verstehen, haben wir einen „Narrowing-Down“-Ansatz verwendet, der vom gesamten Gehirn bis hin zu synaptischen Kompartimenten (Synaptosomen) reicht und mit biochemischen, proteomischen und bildgebenden Techniken kombiniert wurde. Unsere Daten zeigten, dass AAK1 eine wesentliche Rolle bei der Regulation der Mikrotubuli-assoziierten Proteinkinase 2 (MARK2) spielt, einem neuartigen Substrat im Gehirn. Interessanterweise erreicht die AAK1-Expression in Wildtyp-Kortexen (WT) ihren Höhepunkt etwa im Alter von 12 Wochen, was mit der Spitzenphase der synaptischen Verfeinerung und Plastizität übereinstimmt. Dieses zeitliche Muster stimmt mit dem beobachteten Anstieg der ATG9A-Expression in AAK1-Knockout-Mäusen (KO) im Alter von 12 Wochen überein, was darauf hindeutet, dass AAK1 eine Rolle bei der Aufrechterhaltung der Autophagie-Homöostase während dieses kritischen Entwicklungszeitfensters spielen könnte. Tatsächlich führte der Verlust von AAK1 zu einer dysregulierten Autophagie, was sich durch eine erhöhte Anzahl von Autophagosomen und eine verringerte Anzahl von synaptischen Vesikeln in Synapsen widerspiegelte, was auf eine beeinträchtigte Autophagosomen-Trafficking hinweist. Die Dysregulation der MARK2-Lokalisation aufgrund des AAK1-Mangels beeinträchtigte ebenfalls 11 die Mikrotubuli-Dynamik, die synaptische Physiologie und den vesikulären Transport. Dies spiegelte sich in veränderten posttranslationalen Modifikationen von Mikrotubuli wider. Diese Veränderungen führten letztendlich zur Akkumulation von Autophagosomen in Synapsen, einer beeinträchtigten Autophagie-Flussrate und einer reduzierten Verfügbarkeit von synaptischen Vesikeln, was AAK1 als kritischen Regulator des Autophagosomen-Traffickings und der synaptischen Gesundheit weiter impliziert. Zusammenfassend zeigen diese Ergebnisse, dass AAK1 ein wichtiger Regulator der neuronalen Funktion ist, der das Autophagosomen-Trafficking und die Mikrotubuli-Dynamik durch die Modulation von MARK2 insbesondere während kritischer Phasen der synaptischen Plastizität und Reifung miteinander verknüpft.

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