University of Oulu

Collagen XIII as a neuromuscular synapse organizer : roles of collagen XIII and its transmembrane form, and effects of shedding and overexpression in the neuromuscular system in mouse models

Saved in:
Author: Härönen, Heli1,2,3,4
Organizations: 1University of Oulu Graduate School
2University of Oulu, Faculty of Biochemistry and Molecular Medicine
3Biocenter Oulu
4Center for Cell Matrix Research
Format: ebook
Version: published version
Access: open
Online Access: PDF Full Text (PDF, 4.4 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526218014
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2018
Publish Date: 2018-01-02
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Health and Biosciences of the University of Oulu for public defence in Auditorium F101 of the Faculty of Biochemistry and Molecular Medicine (Aapistie 7), on 12 January 2018, at 1 p.m.
Tutor: Professor Taina Pihlajaniemi
Doctor Anne Heikkinen
Reviewer: Associate Professor Hiroshi Nishimune
Assistant Professor Tadafumi Hashimoto
Opponent: Docent Juha Hulmi
Description:

Abstract

Collagen XIII is a transmembrane protein consisting of intracellular, transmembrane and extracellular domains. The latter can be cleaved by proteases of the furin family at the plasma membrane and in the trans-Golgi network. Both the transmembrane and shed collagen XIII are expressed at the neuromuscular junctions of mice and humans. Such motor synapse passes the contraction signal from the central nervous system to the muscles and brings about all voluntary movements. Loss of both forms of collagen XIII in mice and loss-of-function mutations in the COL13A1 gene in humans leads to congenital myasthenic syndrome characterized by decreased neuromuscular transmission and muscle weakness.

To study the roles of the two collagen XIII forms, a novel mouse line was engineered to harbor only the transmembrane collagen XIII by mutating the furin cleavage site. Transmembrane collagen XIII was discovered to be sufficient to prevent adhesion defects, Schwann cell invagination, the ineffective vesicle accumulation and dispersion of both acetylcholinesterase and acetylcholine receptors, phenotypes seen in the complete lack of collagen XIII. On the other hand, lack of shedding led to acetylcholine receptor fragmentation, aberrantly increased neurotransmission and presynaptic complexity. Remarkably, in vivo and in vitro interaction of collagen XIII and acetylcholinesterase-anchoring ColQ was detected. Furthermore, muscle and neuromuscular junction phenotype in the lack of both forms of collagen XIII closely resembled those in the human patients harboring mutations in the COL13A1 gene and these mice were validated as a good model for studying the human disease. Misexpression of collagen XIII was studied with mice exhibiting transgenic overexpression of the protein. Overexpression of collagen XIII was detected to be mostly extrasynaptic in the muscles of such mice. Exogenous collagen XIII was found at the myotendinous junctions, tenocytes and fibroblast-like cells, in addition to some localization in the near vicinity of the neuromuscular junctions. Collagen XIII expression was found, for the most part, to be normal at the neuromuscular junctions, although some were devoid of collagen XIII. The neuromuscular junction phenotype resembled in many ways the findings made in the lack of collagen XIII. Furthermore, acetylcholine receptor and nerve pattern was discovered to be widened.

see all

Tiivistelmä

Kollageeni XIII on solukalvoproteiini, jonka rakenne koostuu solunsisäisestä, solukalvon läpäisevästä ja solun ulkoisesta osasta, joka pystytään entsymaattisesti irrottamaan solukalvoilta. Täten se esiintyy kahdessa eri muodossaan; solukalvomuotoisena ja soluvälitilan lihasperäisenä proteiinina hiirten ja ihmisten hermolihasliitoksessa. Tässä motorisessa synapsissa keskushermostosta peräisin oleva lihaksen supistumiskäsky välittyy lihakseen ja aikaan saa tahdonalaiset liikkeet. Molempien kollageeni XIII:n muotojen puute hiirillä ja COL13A1 geenin mutaatiot ihmisillä johtavat synnynnäiseen myasteeniseen oireyhtymään, jossa heikentynyt hermolihasliitoksen toiminta johtaa lihasheikkouteen.

Kollageeni XIII:n eri muotojen hermolihasliitosvaikutusten selvittämiseksi luotiin hiirilinja, jossa kollageeni XIII ilmenee geneettisen manipulaation seurauksena ainoastaan solukalvomuodossaan. Tutkimukset osoittivat solukalvomuotoisen kollageeni XIII:n tarvittavan hermon ja lihaksen kiinnittymiseen toisiinsa, hermovälittäjäainerakkuloiden ankkuroimiseen hermopäätteeseen, estämään Schwannin solujen tunkeutuminen synapsirakoon, asetyylikoliiniesteraasin sitomiseen ja asetyylikoliinireseptorien vakaantumiseen. Soluvälitilan kollageeni XIII:n puutos puolestaan johti lihaksen puolen liitoksen pirstaloitumiseen sekä hermopäätteiden liialliseen kasvuun ja aktiivisuuteen. Kollageeni XIII todettiin sitoutuvan asetyylikoliiniesteraasia hermolihasliitokseen ankkuroivan kollageeni Q:n kanssa. Lisäksi molempien kollageeni XIII:n muotojen suhteen poistogeenisten hiirten hermolihas- ja lihaslöydökset todettiin muistuttavan COL13A1 geenin mutaatioista kärsivien ihmisten vastaavia löydöksiä todistaen nämä hiiret hyväksi tautimalliksi tulevaisuuden hoitomuotojen suunnitteluun.

Kollageeni XIII:n ylimäärän vaikutusta hermolihasliitokseen ja lihaskudokseen tutkittiin kollageeni XIII:a ylenmäärin ilmentävillä hiirillä. Kollageeni XIII todettiin ilmentyvän ylenmäärin lihaksessa fibroblastinkaltaisissa soluissa, lihasjänneliitoksessa ja hermolihasliitoksen lähettyvillä, mutta ei hermolihasliitoksessa. Osa hermolihasliitoksista näissä hiirissä ilmensi jopa vähemmän kollageeni XIII:a kuin normaalisti. Asetyylikoliinireseptorien ja hermojen valtaama alue todettiin leventyneeksi ja hermolihasliitoslöydökset muistuttivat molempien kollageeni XIII:n muotojen suhteen poistogeenisien hiirten löydöksiä.

see all

Series: Acta Universitatis Ouluensis. D, Medica
ISSN: 0355-3221
ISSN-E: 1796-2234
ISSN-L: 0355-3221
ISBN: 978-952-62-1801-4
ISBN Print: 978-952-62-1800-7
Issue: 1448
Subjects:
Copyright information: © University of Oulu, 2018. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.