Significance of neuroplastin and its paralog Basigin for plasma membrane-associated Ca 2+ ATPases in the central and peripheral nervous system

Abstract

Neuroplastin (Nptn), a transmembrane protein of the immunoglobulin superfamily categorized as a cell adhesion molecule (CAM), has been implicated in long term synaptic plasticity and synapse formation/stabilization. Moreover, studies on Nptn-mutant mice uncovered a crucial role in learning and memory. Recently, plasma membrane calcium ATPases (PMCAs) emerged as first order binding partners of Nptn. This suggested a role for Nptn in Ca2+ homeostasis, which was supported by studies on various cell types. The actual impact of Nptn loss on the various PMCA isoforms in the brain remained largely unaddressed. Moreover, the mode of interaction between Nptn and PMCAs was not explored in detail, before this work was initiated. Here, I present a detailed analysis of the effects of constitutive and conditional loss of Nptn on PMCAs in various central brain areas and in the cochlea. While principally leading to reduced PMCA levels, the different isoforms were affected to surprisingly various extent and in a brain-region specific manner. Knockdown of Nptn was accompanied by strikingly increased levels of Basigin, a close paralog of Nptn. Cell culture assays confirmed the hypothesis that Basigin can partially compensate for loss of Nptn. The well-conserved transmembrane domain in Nptn and Basigin was identified as the crucial determinant for stabilizing PMCAs. Further analyses point to an interdependent relation between PMCAs and Nptn or Basigin. In a second major part of this thesis, I analyzed the role of Nptn in the auditory system, demonstrating that deafening in Nptn mutants is a rapidly progressing process mainly due to loss of Nptn in hair cells of the cochlea, which is accompanied by profound reduction of PMCAs and subsequent cell death. In summary, these data corroborate and specify the crucial role of Nptn for stabilizing PMCAs. They also add another level of complexity by uncovering redundancy with Basigin. While leading to surprisingly differential profiles of PMCA reduction in the central nervous system, loss of Nptn in the inner ear causes altered Ca2+ homeostasis and as a consequence hearing deficits due to hair cell degeneration.

Neuroplastin (Nptn), ein Zelladhäsionsmolekül der Immunoglobulin-Superfamilie, ist funktionell eng mit synaptischer Langzeitplastizität und der Bildung und Stabilisierung von Synapsen assoziiert. Untersuchungen an Nptn-mutanten Mäusen offenbarten zudem eine wichtige Rolle für Lernen und Gedächtnis. Kürzlich wurden Plasmamembran-assoziierte Calcium ATPasen (PMCAs) als enge Interaktionspartner von Nptn identifiziert. Dies legt eine Rolle für Nptn bei der Ca2+ Homöostase nahe, was anhand verschiedener Zelltypen bestätigt wurde. Weitgehend unbeantwortet waren bei Beginn der Arbeit Fragen nach dem Einfluß von Nptn auf die verschiedenen PMCA Isoformen sowie nach dem Interaktionsmodus. In dieser Arbeit präsentiere ich eine detaillierte Analyse der Effekte des konstitutiven oder konditionalen Ausfalls von Nptn auf PMCAs in verschiedenen Hirnarealen und in der Cochlea. Abgesehen von einer prinzipiellen Reduktion der PMCA-Levels, zeigte sich, dass die verschiedenen Isoformen in überraschend unterschiedlichem Maße und in regionsspezifischer Weise vermindert waren. Der Knockdown von Nptn war zudem stets mit einer auffallenden Zunahme von Basigin, einem eng verwandten Paralogon von Nptn, verbunden. Zellkulturversuche bestätigten die Hypothese, dass Nptn zumindest teilweise durch Basigin ersetzt werden kann. Die gut konservierte Transmembrandomäne von Nptn und Basigin wurde als entscheidende Determinante für die PMCA-Stabilisierung identifiziert. Weitere Analysen deuten auf wechselseitige Abhängigkeiten zwischen PMCAs und Nptn bzw. Basigin. Der zweite Hauptteil meiner Arbeit befasst sich mit der Rolle von Nptn im auditorischen System. Dort wird gezeigt, dass der Hörverlust in Nptn-Mutanten ein rasch voranschreitender Prozess ist, der vornehmich auf dem Verlust von Nptn in Haarzellen der Cochlea basiert und mit einer drastischen PMCA-Reduzierung und anschließendem Absterben der Zellen einhergeht. Zusammengefasst belegen die Befunde die Bedeutung von Nptn für die Stabilisierung von PMCAs, illustrieren aber auch eine erhöhte Komplexität durch die partielle Redundanz mit Basigin. Während Nptn-Defizienz im Zentralnervensystem unterschieliche Auswirkungen auf die PMCA-Expression hat, führt der Verlust in der Cochlea zu gravierender Degeneration der Haarzellen und verursacht so Taubheit.