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Intracellular self-activation of the TrkB kinase domain causes FAK phosphorylation and disrupts actin filopodia dynamics

Intrazelluläre Selbst-aktivierung der TrkB Kinase induziert FAK Phosphorylierung und verändert die Dynamik von Aktinfilopodien

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:20-opus-233829
  • The tropomysin receptor kinase B (TrkB), the receptor for the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF), plays an important role in neuronal survival, neuronal differentiation, and cellular plasticity. Conventionally, TrkB activation is induced by binding of BDNF at extracellular sites and subsequent dimerization of receptor monomers. Classical Trk signaling concepts have failed to explain ligand-independent signaling of intracellular TrkB or oncogenic NTRK-fusion proteins. The intracellular activation domain of TrkB consists of aThe tropomysin receptor kinase B (TrkB), the receptor for the neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF), plays an important role in neuronal survival, neuronal differentiation, and cellular plasticity. Conventionally, TrkB activation is induced by binding of BDNF at extracellular sites and subsequent dimerization of receptor monomers. Classical Trk signaling concepts have failed to explain ligand-independent signaling of intracellular TrkB or oncogenic NTRK-fusion proteins. The intracellular activation domain of TrkB consists of a tyrosine kinase core, with three tyrosine (Y) residues at positions 701, 705 and 706, that catalyzes the phosphorylation reaction between ATPγ and tyrosine. The release of cisautoinhibition of the kinase domain activates the kinase domain and tyrosine residues outside of the catalytic domain become phosphorylated. The aim of this study was to find out how ligand-independent activation of TrkB is brought about. With the help of phosphorylation mutants of TrkB, it has been found that a high, local abundance of the receptor is sufficient to activate TrkB in a ligand-independent manner. This self-activation of TrkB was blocked when either the ATP-binding site or Y705 in the core domain was mutated. The vast majority of this self-active TrkB was found at intracellular locations and was preferentially seen in roundish cells, lacking filopodia. Live cell imaging of actin dynamics showed that self-active TrkB changed the cellular morphology by reducing actin filopodia formation. Signaling cascade analysis confirmed that self-active TrkB is a powerful activator of focal adhesion kinase (FAK). This might be the reason why self-active TrkB is able to disrupt actin filopodia formation. The signaling axis from Y705 to FAK could be mimicked by expression of the soluble, cytosolic TrkB kinase domain. However, the signaling pathway was inactive, when the TrkB kinase domain was targeted to the plasmamembrane with the help of artificial myristoylation membrane anchors. A cancer-related intracellular NTRK2-fusion protein (SQSTM1-NTRK2) also underwent constitutive kinase activation. In glioblastoma-like U87MG cells, self-active TrkB kinase reduced cell migration. These constitutive signaling pathways could be fully blocked within minutes by clinically approved, anti-tumorigenic Trk inhibitors. Moreover, this study found evidences for constitutively active, intracellular TrkB in tissue of human grade IV glioblastoma. In conclusion, the data provide an explanation and biological function for selfactive, constitutive TrkB kinase domain signaling, in the absence of a ligand.show moreshow less
  • Die Rezeptortyrosinkinase TrkB, der Rezeptor für das Neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF), spielt eine wichtige Rolle für das neuronale Überleben, die neuronale Differenzierung und die zelluläre Plastizität. Üblicherweise wird TrkB bei der Bindung von BDNF an extrazellulären Domänen durch Dimerisierung von Rezeptormonomeren aktiviert. Klassische Konzepte der Trk Signalübertragung können jedoch die Liganden-unabhängige Signalübertragung von intrazellulären TrkB- oder Onkogen-aktiven NTRK-Fusionsproteinen nicht erklären. DieDie Rezeptortyrosinkinase TrkB, der Rezeptor für das Neurotrophin brain-derived neurotrophic factor (BDNF), spielt eine wichtige Rolle für das neuronale Überleben, die neuronale Differenzierung und die zelluläre Plastizität. Üblicherweise wird TrkB bei der Bindung von BDNF an extrazellulären Domänen durch Dimerisierung von Rezeptormonomeren aktiviert. Klassische Konzepte der Trk Signalübertragung können jedoch die Liganden-unabhängige Signalübertragung von intrazellulären TrkB- oder Onkogen-aktiven NTRK-Fusionsproteinen nicht erklären. Die intrazelluläre Aktivierungsdomäne von TrkB besitzt eine Tyrosinkinasedomäne mit drei Tyrosin (Y)-Resten an den Positionen 701, 705 und 706. Diese katalysieren die Phosphorylierungsreaktion zwischen ATPγ und Tyrosin. Durch die Enthemmung der cis-Autoinhibition wird die Kinase-Domäne aktiv und Tyrosinreste außerhalb der katalytischen Domäne werden phosphoryliert. Ziel dieser Arbeit war herauszufinden, wie es zur Liganden-unabhängigen Aktivierung von TrkB kommen kann. Mit Hilfe von TrkB-Phosphorylierungsmutanten wurde gefunden, dass eine hohe, lokale Abundanz des Rezeptors ausreicht, um TrkB Liganden-unabhängig zu aktivieren. Diese Selbstaktivierung von TrkB konnte blockiert werden, wenn entweder die ATP-bindende Domäne oder Y705 in der Kinasedomäne mutiert wurden. Die überwiegende Mehrheit dieses selbstaktivierenden TrkB wurde intrazellulär, in rundlichen Zellen ohne Filopodien, gefunden. Live-Zellbildgebung der Aktindynamik zeigte zudem, dass selbstaktives TrkB die Zellmorphologie veränderte, indem es die Bildung von Aktin-Filopodien reduzierte. Die Analyse von Signalkaskaden bestätigte, dass selbstaktives TrkB ein starker Aktivator der Focal Adhesion Kinase (FAK) ist. Dies kann der Grund sein, warum selbstaktives TrkB die Bildung von Aktin-Filopodien zerstört. Die Signalkaskade von Y705 bis FAK konnte durch Expression der löslichen, zytosolischen TrkB-Kinase-Domäne imitiert werden. Der Signalweg war jedoch inaktiv, wenn die TrkB-Kinase-Domäne durch künstliche Myristoylierung an die Plasmamembran gebunden wurde. Ein intrazelluläres NTRK2-Fusionsprotein (SQSTM1-NTRK) zeigte ebenfalls konstitutive Kinaseaktivierung. In Glioblastom-ähnlichen U87MG-Zellen reduzierte die selbstaktive TrkB-Kinase sogar die Zellwanderung. Die konstitutiven Signalwege konnten durch klinisch zugelassene, anti-tumorale Trk-Inhibitoren innerhalb von Minuten vollständig blockiert werden. Darüber hinaus zeigt diese Studie Beweise für konstitutiv-aktives, intrazelluläres TrkB im Gewebe von humanem Glioblastom Grad IV. Die Daten dieser Arbeit geben somit eine Erklärung und eine biologische Funktion für die selbst-aktive, konstitutive Signalübertragung der TrkB-Kinase-Domäne, in Abwesenheit eines Liganden.show moreshow less

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Metadaten
Author: Rohini GuptaORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:20-opus-233829
Document Type:Doctoral Thesis
Granting Institution:Universität Würzburg, Graduate Schools
Faculties:Graduate Schools / Graduate School of Life Sciences
Medizinische Fakultät / Institut für Klinische Neurobiologie
Referee:PD. Dr. Robert BlumORCiD
Date of final exam:2021/03/23
Language:English
Year of Completion:2021
DOI:https://doi.org/10.25972/OPUS-23382
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 57 Biowissenschaften; Biologie / 570 Biowissenschaften; Biologie
Tag:BDNF; NTRK fusions; TrkB; cancer; phosphorylation; self-activation; tyrosine kinase
Release Date:2021/04/14
Licence (German):License LogoCC BY-NC-ND: Creative-Commons-Lizenz: Namensnennung, Nicht kommerziell, Keine Bearbeitungen 4.0 International