The effect of CAP on actin dynamics in the Drosophila ovary

Abstract

Epiteelisolut muodostavat rajapintoja monisoluisten eliöiden kudosten ja ulkoisen ympäristön välille. Epiteelin morfogeneesi eli epiteelikerrosten muotoutuminen onkin tärkeä prosessi yksilönkehityksessä. Aktiinitukiranka nimensä mukaisesti ylläpitää solujen muotoa, ja epiteelin morfogeneesin aikana tuottaa solun muodonmuutokseen tarvittavaa voimaa. Tätä varten aktiini muodostaa solussa ulospäin työntyviä tai supistuvia verkostoja. Näitä verkostoja muokataan solussa jatkuvasti, joten ovat toistuvassa muodostuksen ja hajotuksen syklissä. Aktiinisäikeiden kiertoa säätelevät aktiinia sitovat proteiinit, mutta niiden rooli epiteelin morfogeneesin aikana tunnetaan vielä huonosti.

Aktiinin hajotusta kaikilla multisoluisilla eliöillä säätelee ADF/kofiliini. ADF/kofiliinin aktiivisuutta puolestaan säätelevät muut aktiinia sitovat proteiinit, joista yksi merkittävimmistä on CAP (engl. cyclase-associated protein). CAP edistää aktiinisäikeiden kiertokulkua tehostamalla ADF/kofiliinin aktiinisäikeiden hajotusta sekä kierrättämällä aktiinimonomeereja sinne, missä aktiinisäikeitä polymerisoituu lisää. Toisin kuin ADF/kofiliini, joka säätelee aktiinin hajotusta kaikkialla solussa, CAP:n aktiivisuus soluissa saattaa olla paikallisen säätelyn alaisena. Tämä tulee ilmi CAP:n nolla-alleelin suhteen homotsygoottisissa epiteelisoluissa, joissa CAP:n poisto johtaa aktiinisäikeiden kasaantumiseen vain solun apikaaliselle puolelle. CAP:n merkitystä solujen morfogeneettisissä uudelleenjärjestäytymisessä ei kuitenkaan tunneta riittävästi. Tämän lisäksi CAP:n eri biokemiallisten toimintojen merkitystä elävissä soluissa ei ole selvästi osoitettu.

Tämän pro gradu -tutkielman tavoitteena on selvittää, kuinka CAP-mutaatio vaikuttaa banaanikärpäsen epiteelisolujen aktiinirakenteisiin, ja kuinka aktiinirakenteiden muutokset vaikuttavat kehittyvään munasarjaan. CAP:n toimintaa epiteelisoluissa tutkittiin tekemällä geenin suhteen kimeerejä kärpäsmutantteja, joissa nolla-alleelin suhteen homotsygootit solut tuottavat toimimatonta CAP:ia. CAP:n nolla-alleelin vaikutusta tutkittiin tämän jälkeen niissä munasarjan epiteelin populaatioissa, joissa tapahtuu morfogeneettisiä muutoksia. Toimimatonta proteiinia tuottavien mutanttien lisäksi luotiin kimeerejä, joilla nolla-alleelin lisäksi on transgeeninen CAP-mutaatio. Näin voitiin tunnistaa CAP-proteiinin osa, jonka aktiivisuus on elävissä soluissa olennainen aktiinitukirangan säätelyssä. Lisäksi puhdistettiin CAP:lle spesifinen vasta-aine, jota käytettiin vasta-ainevärjäykseen. Munasarjat kuvattiin käyttämällä konfokaalimikroskopiaa.

Tämän tutkielmassa osoitettiin, että CAP:n nolla-alleeli aiheutti homotsygoottisena aktiinin kasaantumisen kaikissa tarkastelluissa munasarjan epiteelin populaatioissa. Yllättäen sekä villityyppinen CAP että kaikki tarkastellut mutantit CAP-proteiinit kykenivät pelastamaan aktiinin kierron, jolloin aktiinin kasaantumista ei ollut havaittavissa. Huomattiin kuitenkin, että muissa epiteelikerroksissa mutantit CAP-proteiinit eivät kyenneet pelastamaan CAP:n nolla-alleelin aiheuttamia fenotyyppejä. Lisäksi näytettiin, että CAP:n nolla-alleeli aiheutti sen suhteen homotsygoottisissa soluissa häiriöitä solujen leviämisessä sekä liikkuvuudessa. Toimimattoman CAP-proteiinin ilmentäminen aiheutti myös ekspression muutoksen muissa aktiinisäikeitä sitovissa proteiineissa.

Tutkielman löydösten perusteella voidaan todeta, että CAP on olennainen osa toiminnallista aktiinin kiertoa munasarjan epiteelissä, vaikka toiminnan suhteen olennaista proteiinidomeeinia ei pystyttykään määrittämään. Lisäksi tämä projekti osoittaa, että CAP:n toiminta on välttämätöntä epiteelin morfogeneettisissä prosesseissa. Yhdessä muiden aktiinia sitovien proteiinien kanssa CAP todennäköisesti säätelee aktiinisäikeiden kiertoa soluissa sijainnin suhteen tarkasti säädellyllä tavalla, tuottaen epiteelisoluissa ulospäin työntyvää ja solujen liitoksia ylläpitävää voimaa.

Epithelial cells form a barrier between the tissue and the external environment. Epithelial morphogenesis refers to the shaping of epithelial layers and is a key step in the development of organisms. The actin cytoskeleton provides the cell its form and during epithelial morphogenesis, produces force to shape the cells. To achieve this, the actin cytoskeleton is organized into protrusive and contractile networks. In a living cell, these actin networks are dynamic, as the filaments are constantly undergoing assembly and disassembly. Actin-binding proteins regulate the turnover of actin filaments, but in epithelial morphogenesis, the regulatory role of most of these proteins is still relatively unknown.

In all multicellular organisms, actin disassembly is controlled by ADF/cofilin. ADF/cofilin activity is furthermore enhanced by other actin-binding proteins, one of which is cyclase-associated protein (CAP). CAP promotes actin turnover by accelerating ADF/cofilin mediated actin disassembly and in recycling actin monomers to sites of actin polymerization. Unlike ADF/cofilin that regulates actin disassembly throughout the whole cell, CAP could be subject to more specific spatial regulation, as loss of CAP leads to F-actin accumulation on the apical side of epithelial cells. However, the role of CAP in morphogenetic cell rearrangements remains poorly known. In addition, the in vivo role of the biochemical functions of CAP has not been elucidated.

The aim of this master’s thesis is to describe the role of CAP in regulating the actin cytoskeleton in the follicular epithelium of the fruit fly Drosophila melanogaster. For this purpose, chimeric mutant flies with homozygous CAP loss of function mutation were generated. Subsequently, the effect of the CAP loss of function was observed in follicle cell populations undergoing morphogenetic changes. In addition, CAP loss of function was rescued with different transgenes producing mutant CAP proteins to identify the protein domains of CAP with in vivo significance. In addition, a Drosophila CAP specific antibody was purified to be used in immunostaining. The ovaries were imaged using confocal microscopy.

In this thesis, it is shown that CAP loss of function caused accumulation of filamentous actin in all observed follicular cell populations. Surprisingly, the actin turnover was rescued by all of the used CAP rescue transgenes, but the mutant transgenes exhibited phenotypes resembling the CAP loss of function in other epithelial tissues. Moreover, CAP loss of function caused defects in the follicle cell movement and cell spreading. The loss of function also caused expression changes in other actin-binding proteins.

The findings of these thesis support the current knowledge of CAP importance for functional actin turnover in the follicle cells, even though the protein domain necessary for in vivo function could not be deciphered. Moreover, this project provides indication that CAP has an indispensable role in dynamic morphogenetic processes in the epithelium. Together with other actin-binding proteins, CAP could regulate epithelial actin turnover in spatially directed manner, providing force for epithelial cell adhesions or protrusions.