Nasir Imam

• The nervous system relies on an orchestrated assembly of complex cellular entities called neurons, which are specifically committed to information management and transmission. Inter-neuronal communication takes place via synapses, membrane-membrane junctions which ensure efficient signal transfer. Synaptic neurotransmission involves release of presynaptic neurotransmitters and their reception by cognate receptors at postsynaptic terminals. Inhibitory neurotransmission is primarily mediated by the release of neurotransmitters GABAThe nervous system relies on an orchestrated assembly of complex cellular entities called neurons, which are specifically committed to information management and transmission. Inter-neuronal communication takes place via synapses, membrane-membrane junctions which ensure efficient signal transfer. Synaptic neurotransmission involves release of presynaptic neurotransmitters and their reception by cognate receptors at postsynaptic terminals. Inhibitory neurotransmission is primarily mediated by the release of neurotransmitters GABA (γ-Aminobutyric acid) and glycine, which are precisely sensed by GABA type-A receptors (GABAARs) and glycine receptors (GlyRs), respectively. GABAAR assembly and maintenance is coordinated by various postsynaptic neuronal factors including the scaffolding protein gephyrin, the neuronal adaptor collybistin (CB) and cell adhesion proteins of the neuroligin (NL) family, specifically NL2 and NL4. At inhibitory postsynaptic specializations, gephyrin has been hypothesized to form extended structures underneath the plasma membrane, where its interaction with the receptors leads to their stabilization and impedes their lateral movement. Gephyrin mutations have been associated with various brain disorders, including autism, schizophrenia, Alzheimer’s disease, and epilepsy. Furthermore, gephyrin loss is lethal and causes mice to die within the first post-natal day. Gephyrin recruitment from intracellular deposits to postsynaptic membranes primarily relies on the adaptor protein CB. As a moonlighting protein, CB, a guanine nucleotide exchange factor (GEF), also catalyzes a nucleotide exchange reaction, thereby regenerating the GTP-bound state of the small GTPase Cdc42 from its GDP-bound form. The CB gene undergoes alternative splicing with the majority of CB splice variants featuring an N-terminal SH3 domain followed by tandem Dbl-homology (DH) and pleckstrin-homology (PH) domains. Previous studies demonstrated that the most widely expressed, SH3-domain containing splice variant (CB2SH3+) preferentially adopts a closed conformation, in which the N-terminally located SH3 domain forms intra-molecular interaction with the DH-PH domain tandem. Previous cell-based studies indicated that SH3 domain-encoding CB variants remain untargeted and colocalize with intracellular gephyrin deposits and hence require additional factors which interact with the SH3 domain, thus inducing an open or active conformation. The SH3 domain-deficient CB isoform (CB2SH3-), on the contrary, adopts an open conformation, which possess enhanced postsynaptic gephyrin-clustering and also effectively replenishes the GTP-bound small GTPase-Cdc42 from its GDP-bound state. Despite the fundamental role of CB as a neuronal adaptor protein maintaining the proper function of inhibitory GABAergic synapses, its interactions with the neuronal scaffolding protein gephyrin and other post synaptic neuronal factors remain poorly understood. Moreover, CB interaction studies with the small GTPase Cdc42 and TC10, a closely related member of Cdc42 subfamily, remains poorly characterized. Most importantly, the roles of the neuronal factors and small GTPases in CB conformational activation have not been elucidated. This PhD dissertation primarily focuses on delineating the molecular basis of the interactions between CB and postsynaptic neuronal factors. During the course of my PhD dissertation, I engineered a series of CB FRET (Förster Resonance Energy Transfer) sensors to characterize the CB interaction with its binding partners along with outlining their role in CB conformational activation. Through the aid of these CB FRET sensors, I analyzed the gephyrin-CB interaction, which, due to technical limitations remained unaddressed for more than two decades (refer Chapter 2 for more details). Subsequently, I also unraveled the molecular basis of the interactions between CB and the neuronal cell adhesion factor neuroligin 2 (refer chapter 2) and the small GTPases Cdc42 and TC10 (refer chapter 3) and describe how these binding partners induce a conformational activation of CB. In summary, this PhD dissertation provides strong evidence of a closely knit CB communication network with gephyrin, neuroligin and the small GTPase TC10, wherein CB activation from closed/inactive to open/active states is effectively triggered by these ligands.…
• Das Nervensystem ist eine komplexe Ansammlung zellulärer Einheiten, darunter sind die Neuronen, die speziell für die Verarbeitung und Übertragung von Informationen zuständig sind. Die Kommunikation zwischen Neuronen erfolgt über Synapsen, spezialisierte Membran-Membran-Kontakte, die eine effiziente Signalübertragung gewährleisten. Die synaptische Neurotransmission umfasst die präsynaptische Freisetzung von Neurotransmitters und deren Empfang durch entsprechende Rezeptoren in den Postsynapsen. Die inhibitorische Neurotransmission wird in ersterDas Nervensystem ist eine komplexe Ansammlung zellulärer Einheiten, darunter sind die Neuronen, die speziell für die Verarbeitung und Übertragung von Informationen zuständig sind. Die Kommunikation zwischen Neuronen erfolgt über Synapsen, spezialisierte Membran-Membran-Kontakte, die eine effiziente Signalübertragung gewährleisten. Die synaptische Neurotransmission umfasst die präsynaptische Freisetzung von Neurotransmitters und deren Empfang durch entsprechende Rezeptoren in den Postsynapsen. Die inhibitorische Neurotransmission wird in erster Linie durch die Freisetzung der Neurotransmitter GABA (γ-Aminobuttersäure-Typ) und Glycin vermittelt, die von GABA-Typ-A-Rezeptor (GABAAR) bzw. Glycinrezeptoren (GlyR) präzise wahrgenommen werden. Der Aufbau und die Aufrechterhaltung von GABAAR Clustern wird durch verschiedene postsynaptische neuronale Faktoren koordiniert, darunter das Gerüstprotein Gephyrin, das neuronale Adaptorprotein Collybistin (CB) und Zelladhäsionsproteine der Neuroligin (NL)-Familie, insbesondere NL2 und NL4. Es wird angenommen, dass Gephyrin an hemmenden postsynaptischen Spezialisierungen ausgedehnte Strukturen unterhalb der Plasmamembran bildet, und durch Interaktion mit den Rezeptoren deren laterale Diffusion verhindert. Gephyrin-Mutationen wurden mit verschiedenen Hirnkrankheiten in Verbindung gebracht, darunter Autismus, Schizophrenie, Alzheimer und Epilepsie. Der Verlust von Gephyrin ist tödlich und führt dazu, dass Mäuse innerhalb des ersten postnatalen Tages sterben. Die Rekrutierung von Gephyrin aus intrazellulären Ablagerungen zu postsynaptischen Membranen hängt in erster Linie von CB ab. Als Moonlighting-Protein katalysiert CB, ein Guanin-Nukleotid-Austauschfaktor (GEF), auch den Nukleotidaustausch und somit die Reaktivierung der kleinen GTPase Cdc42 . Das CB-Gen wird durch alternatives Spleißen modifiziert; die meisten CB-Spleißvarianten weisen eine N-terminale SH3-Domäne auf, gefolgt von Tandem aus einer Dbl-Homologie (DH)- und einer Pleckstrin-Homologie (PH)-Domäne. Frühere Studien zeigten, dass die am häufigsten exprimierte Spleißvariante, die eine SH3-Domäne enthält (CB2SH3+), vorzugsweise eine geschlossene Konformation annimmt, bei der die N-terminal gelegene SH3-Domäne eine intra-molekulare Interaktion mit dem DH-PH- Tandem eingeht. Zellbasierte Studien zeigten, dass CB-Varianten, die für die SH3-Domäne kodieren, sich innerhalb der Zelle nicht an spezifischen Orten anreichern und stattdessen mit intrazellulären Gephyrin-Ablagerungen kolokalisieren. Zusätzliche Faktoren werden benötigt, die mit der SH3-Domäne interagieren und so eine offene oder aktive Konformation hervorrufen. Die SH3-Domänen-defiziente CB-Isoform (CB2SH3-) hingegen nimmt eine offene Konformation an, die eine verstärkte postsynaptische Gephyrin-Anhäufung aufweist und die GTP-gebundene kleine GTPase Cdc42 aus ihrem GDP-gebundenen Zustand effektiv wieder regeneriert. Trotz der grundlegenden Rolle von CB als neuronales Adaptorprotein, das die ordnungsgemäße Funktion hemmender GABAerger Synapsen aufrechterhält, ist seine Interaktion mit dem neuronalen Gerüstprotein Gephyrin und anderen post-synaptischen neuronalen Faktoren nach wie vor unzureichend verstanden. Darüber hinaus sind die Interaktionsstudien von CB mit der kleinen GTPase Cdc42 und TC10, einem eng verwandten Mitglied der Cdc42-Unterfamilie, noch immer unzureichend charakterisiert. Somit war die Frage, ob diese neuronalen Faktoren sowie die kleinen GTPasen an der CB-Konformationsaktivierung beteiligt sind. Diese Dissertation konzentriert sich in erster Linie auf die Beschreibung der molekularen Grundlagen der Interaktion von CB mit postsynaptischen neuronalen Faktoren. Im Rahmen meiner Dissertation habe ich eine Reihe von CB-FRET-Sensoren (Förster-Resonanz-Energie-Transfer) entwickelt, um die CB-Interaktion mit seinen Bindungspartnern zu charakterisieren und ihre Rolle bei der CB-Konformationsaktivierung zu beschreiben. Mit Hilfe der CB-FRET-Sensoren entschlüsselte ich das langjährige Rätsel der Gephyrin-CB-Interaktion, das aufgrund technischer Beschränkungen mehr als zwei Jahrzehnte lang ungelöst blieb (siehe Kapitel 2 für weitere Einzelheiten). In der Folge habe ich auch die molekularen Grundlagen der CB-Wechselwirkung und damit ihre konformelle Aktivierung durch den neuronalen Zelladhäsionsfaktor Neuroligin 2 (siehe Kapitel 2) und die kleinen GTPasen Cdc42 und TC10 (siehe Kapitel 3) analysiertt. Zusammengefasst liefert diese Dissertation starke Beweise für ein engmaschiges CB-Kommunikationsnetzwerk mit Gephyrin, Neuroligin und der kleinen GTPase TC10, in dem der CB-Konformationswechsel vom geschlossenen/inaktiven zum offenen/aktiven Zustand effektiv durch die Liganden ausgelöst wird.…