Proteolytic cleavage of cadherins: Functional role of the cleaved extracellular and cytoplasmic domains

Billion, Karla (2006). Proteolytic cleavage of cadherins: Functional role of the cleaved extracellular and cytoplasmic domains. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Dynamic regulation of cadherin mediated cell-cell adhesion is crucial for morphogenesis and tissue homeostasis. Cadherin adhesive function can be regulated by distinct proteolytic cleavage events, resulting in release of either the ectodomain or cytoplasmic domain. However, it is unclear if the released fragments have biological activity by themselves. This thesis analyses the functional significance of the generated cadherin fragments. Using Xenopus laevis development as model system, it was shown in this thesis that the C-cadherin ectodomain has the capacity to interfere with morphogenetic movements in vivo, since overexpression of this fragment in early Xenopus embryos resulted in severe gastrulation defects. The observed defect was due to inhibition of convergent extension movements, a process that requires downregulation of cadherin adhesiveness. However, ectoderm integrity was not affected by expression of the cadherin ectodomain, demonstrating that this fragment specifically interferes with processes that require a tight regulation of cadherin function. The EC1 repeat of the cadherin extracellular domain contained all the necessary information to interrupt gastrulation movements. This activity was not dependent on the amino acid tryptophan at position 2, which is crucial for an adhesive functional molecule. Surprisingly, overexpressing the ectodomain of other classical cadherins caused similar defects, indicating the capacity for heterophilic interactions. The cadherin ectodomain may not only have a function during development, but could directly contribute to cancer progression. Indeed, a direct correlation was found between increased soluble E-cadherin levels in sera of melanoma patients and tumor mass. The cadherin cytoplasmic domain was shown to serve as a substrate for the PS1/gamma-secretase complex, raising the possibility that the released domain may translocate to the nucleus to regulate gene expression, in analogy to the Notch signalling pathway. Using full length cadherins fused to either Gal4 or Gal4VP16 transcription factors in combination with Gal4-dependent reporter assays, it was shown that cadherins translocate to the nucleus, but are unable to function as transcriptional activators. Interestingly, nuclear translocation appeared to be independent of PS1 and 2. Together, the presented results suggest that proteolytic cleavage not only alters cadherin adhesive activity, but may also serve as a mechanism to signal changes in adhesiveness to the nucleus.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated title:

Title	Language
Proteolytische Spaltung von Cadherinen: funktionale Bedeutung der freigesetzten extrazellulären und zytoplasmatischen Domäne	German

Translated abstract:

Abstract

Language

Die dynamische Regulierung der Cadherin-vermittelten Zell-Zelladhäsion ist entscheidend für Morphogenese und Homöostase von Geweben. Ein Mechanismus zur Regulierung von Cadherinen ist die proteolytische Freisetzung der extrazellulären und cytoplasmatischen Domäne. Bislang ist jedoch unklar, ob die Spaltprodukte selbst über biologische Aktivität verfügen. Ziel dieser Arbeit ist, die funktionale Bedeutung der freigesetzten Cadherin-Domänen zu untersuchen. Mit Hilfe des Xenopus laevis Modellsystems konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass die extrazelluläre Domäne des C-Cadherins morphogenetische Bewegungen beeinträchtigen kann, da eine Überexpression dieser Domäne zu einer Störung der Gastrulation führte. Dieser Effekt beruht auf einer Inhibierung der konvergenten Extension, einem Prozess, der verminderte Cadherin-Aktivität erfordert. Die Integrität des Ektoderms blieb jedoch von einer solchen Überexpression unbeeinträchtigt. Daraus wird ersichtlich, dass die extrazelluläre Domäne spezifisch solche Prozesse beeinflusst, die eine strenge Regulierung der Cadherin-vermittelten Zelladhäsion benötigen. Es konnte gezeigt werden, dass die EC1 Domäne des C-Cadherins alle notwendigen Informationen zur Störung der Gastrulation enthält. Diese Aktivität ist unabhängig von der Aminosäure Tryptophan an Position 2, welche für die adhäsive Funktion von Cadherinen essentiell ist. Die Expression von extrazellulären Domänen anderer klassischer Cadherine führte zu ähnlichen Defekten, was auf heterophile Cadherin-Interaktionen schließen lässt. Um den Einfluß der extrazellulären Domäne von Cadherinen auf Tumorprogression zu untersuchen, wurde der Gehalt an löslichem E-Cadherin in Seren von Melanompatienten analysiert. In dieser Arbeit konnte eine direkte Korrelation der Mengen an E-Cadherin und S100, einem Marker für die Malignität von Melanomen, nachgewiesen werden. In früheren Studien wurde gezeigt, dass die cytoplasmatische Domäne von Cadherinen als Substrat für den PS1/gamma-Sekretase-Komplex dienen kann. Dies wirft die Frage auf, ob die freigesetzte cytoplasmatische Domäne, ähnlich dem Notch Signaltransduktionsweg, in den Zellkern gelangen und Transkription aktivieren kann. Um die Rolle des freigesetzten Fragmentes zu untersuchen, wurden Cadherine mit den Transkriptionsfaktoren Gal4 oder Gal4VP16 fusioniert. Transfektionsstudien mit einem Gal4-abhängigen Reporter zeigten, dass Cadherine in der Tat kerngängig sind, aber keine Aktivierungsfunktion besitzen. Zusammenfassend weisen die in dieser Arbeit dargestellten Ergebnisse darauf hin, dass die proteolytische Spaltung von Cadherinen nicht nur der Regulierung von Adhäsion dient, sondern auch einen möglichen Mechanismus darstellt, Veränderungen in der Adhäsion zum Zellkern zu vermitteln.

German

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