Tangavelou, Karthikeyan

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Name: Karthikeyan TangavelouSummaryStrumpellin is a novel valosin-containing protein (VCP/p97) binding partner linking hereditary spastic paraplegia to protein aggregation diseasesMutations in the human valosin-containing protein (VCP/p97) and strumpellin genes cause inclusion  body  myopathy  associated  with  Paget’s  disease  of  bone  and  frontotemporal dementia  (IBMPFD) and hereditary spastic  paraplegia  (HSP),  respectively.  VCP has been reported to play an important role in various cellular processes, while strumpellin is a largely uncharacterized protein. We found that strumpellin is a novel binding protein to VCP and localized in the cytosol and the endoplasmic reticulum. Strumpellin is a ubiquitous protein and an evolutionary highly conserved protein containing a “spectrin-like” domain. Our cell migration assays showed that hereditary spastic paraplegia causing mutant N471D strumpellin is functionally inactive protein,  which imply a strumpellin loss-of-function pathogenesis in hereditary spastic paraplegia. Strumpellin knock-down in human cell lines revealed defects in cell migration as well as  axonal outgrowth development. Morpholino based knock-down of the  strumpellin  ortholog  in  zebrafish  revealed  severe  cardiac  contractile  dysfunction,  tail curvature and impaired motility which are due to a loss of central and peripheral motoneuron formation. These data imply that strumpellin play an important role in cell migration, axonal outgrowth  development  and  motoneuron  formation.  Our  pull  down  assays  and immunofluorescence analyses showed neither IBMPFD mutant R155C VCP nor hereditary spastic  paraplegia  mutant  N471D  strumpellin  affect  binding  to  each  other.  Indirect immunofluorescence  showed  strumpellin  is  a  pre-synaptic  protein  colocalized  with synaptophysin in the human central nervous system. We further identified strumpellin is a novel component of pathological protein aggregates in IBMPFD, Huntington’s disease and various myofibrillar  myopathies.  Beyond hereditary spastic  paraplegia,  our findings imply that mutant forms of strumpellin and VCP may have a concerted pathogenic role in various protein  aggregation  diseases,  thereby  interlinking  motoneuron  diseases,  frontotemporal dementias, and protein aggregate myopathies.ZusammenfassungStrumpellin, ein neuer Bindungspartner von VCP/p97, einem Valosin enthaltenden Protein, das von Proteinaggregationen verursachten Krankheiten zur spastischen Paraplegie verbindetMutationen  im  humanen  VCP  (valosin  containing  protein)-Gen  und  im  Strumpellin-Gen verursachen die autosomal dominant vererbte IBMPFD (IBM = inclusion body myopathy, P= Paget disease of the bone, FD = frontotemporal dementia) und die HSP (hereditary spastic paraplegia oder ererbte spastische Paraplegie). VCP spielt eine Rolle in diversen zellulären Prozessen, während Strumpellin bisher ein weitgehend unbeschriebenes Protein ist. In dieser Arbeit  wurde herausgefunden,  dass  Strumpellin  ein  neuer  direkter  Interaktionspartner  von VCP ist und im Zytosol und im Endoplasmatischen Reticulum lokalisiert ist. Zusätzlich ist das Strumpellin Protein hochkonserviert und wird ubiquitär exprimiert. Die mutierte N471D Strumpellin Variante, welche die HSP auslöst, verursacht Störungen der Zellmobilität,  was darauf  hinweist,  dass  die  Mutation  die  Strumpellinfunktion  hemmt.  Neben  gestörter Zellmobilität verursacht eine Herabregulierung des Strumpellins in neuronalen Zellen Defekte im Axonwachstum. Im Modellorganismus Zebrafisch bewirkt diese Herabregulierung diverse Fehlfunktionen  wie  z.B.  kontraktile  Dysfunktionen,  abnormale  Schwanzkrümmung  und gehemmte  Mobilität,  welche  auf  eine  gestörte  Bildung  der  zentralen  und  peripheren Motoneuronen  zurückzuführen  ist.  Diese  Daten  weisen  auf  eine  wichtige  Rolle  von Strumpellin in zellulären Prozessen wie Zellmobilität und Dynamik, Axonenausbildung und -Entwicklung  und  Motoneuronenbildung  hin.  Pull-down-Experimente  sowie Immunfluoreszenzfärbungen weisen weder bei der mutierten IBMPFD-VCP-R155C-Variante noch bei der HSP-N417D-Strumpellin-Variante einen negativen Einfluss auf die Interaktion beider Proteine nach. Strumpellin ist, wie Immunfluoreszenzanalysen gezeigt haben, ein prä-synaptisches Protein, welches mit Synaptophysin kolokalisiert. Weiterhin wurde Strumpellin als  Bestandteil  von  pathogenen  Proteinaggregaten  in  Skelettmuskel  von  IBMPFD-  und Huntingtonpatienten  sowie  im  Skelettmuskel  von  Patienten,  welche  an  myofibrillären Myopathien leiden, identifiziert. Über die Rolle hinaus, welche Strumpellin im Krankheitsbild der  HSP  spielt,  weisen  unsere  Ergebnisse  auf  eine  allgemeinere  komplexe  Rolle  der Strumpellin-VCP  Interaktion  in  humanen  Proteinaggregationskrankheiten  hin.  Strumpellin kann somit als wichtiges Bindeglied zwischen Motoneuron-Erkrankungen, frontotemporalen Demenzen und Proteinaggregationsmyopathien gelten. 

Strumpellin is a novel valosin-containing protein (VCP/p97)-binding partner linking hereditary spastic paraplegia to protein aggregation diseases

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