βPix-dはPAK/Stathmin1シグナル伝達経路を介してチューブリンのアセチル化と神経突起の伸長を促進する

βPix-d promotes tubulin acetylation and neurite outgrowth through a PAK/Stathmin1 signaling pathway.

• Younghee Kwon
• Ye Won Jeon
• Minjae Kwon
• Yongcheol Cho
• Dongeun Park
• Jung Eun Shin

抄録

βPix (ARHGEF7)は、アクチンフィラメントと微小管の組織化を調節する小さなGTPase Rac1とCdc42のためのグアニンヌクレオチド交換因子である。βPixは、ユビキタスアイソフォームであるβPix-a、ニューロンアイソフォームであるβPix-b、βPix-dを含む様々な変異体として発現しているが、ニューロンアイソフォームの機能は明らかにされていない。本研究では、βPixのニューロンアイソフォームがチューブリンのアセチル化と神経突起の伸長を制御していることを明らかにした。この研究では、βPixニューロンアイソフォームノックアウト（βPix-NIKO）マウスから培養した海馬のニューロンは、DIV4において、ニューロンの形態とチューブリンアセチル化（しばしば安定した微小管を標識するチューブリン修飾の一種である）の欠陥を示した。βPix-NIKOニューロンを微小管を安定化するパクリタキセルで処置するか、またはニューロンのβPixアイソフォームのいずれかをKOニューロンに再導入すると、ニューロンの形態およびチューブリンアセチル化の障害が克服され、ニューロンのβPixアイソフォームがニューロンの発達の間に微小管の安定化を促進することが示唆される。また、βPix-NIKOニューロンは、微小管安定化タンパク質であるStathmin1のSer16での低いリン酸化レベルを示す。βPix-NIKOニューロンでβPixニューロンアイソフォームのいずれかを発現させると、Stathmin1のリン酸化レベルが回復し、βPix-dはβPix-bよりも大きな効果を示した。さらに、βPix-dの発現による神経細胞の長さとStathmin1リン酸化の回復には、PAKキナーゼ活性が必要であることを見いだした。本研究では、βPix-dがPAK依存的にStathmin1のリン酸化を制御していること、また、βPixアイソフォームが神経発生の際にチューブリンのアセチル化と神経突起の形態形成を促進することを明らかにした。

Microtubules are a major cytoskeletal component of neurites, and the regulation of microtubule stability is essential for neurite morphogenesis. βPix (ARHGEF7) is a guanine nucleotide exchange factor for the small GTPases Rac1 and Cdc42, which modulate the organization of actin filaments and microtubules. βPix is expressed as alternatively spliced variants, including the ubiquitous isoform βPix-a and the neuronal isoforms βPix-b and βPix-d, but the function of the neuronal isoforms remains unclear. Here, we reveal the novel role of βPix neuronal isoforms in regulating tubulin acetylation and neurite outgrowth. At DIV4, hippocampal neurons cultured from βPix neuronal isoform knockout (βPix-NIKO) mice exhibit defects in neurite morphology and tubulin acetylation, a type of tubulin modification which often labels stable microtubules. Treating βPix-NIKO neurons with paclitaxel, which stabilizes the microtubules, or reintroducing either neuronal βPix isoform to the KO neurons overcomes the impairment in neurite morphology and tubulin acetylation, suggesting that neuronal βPix isoforms may promote microtubule stabilization during neurite development. βPix-NIKO neurons also exhibit lower phosphorylation levels for Stathmin1, a microtubule-destabilizing protein, at Ser16. Expressing either βPix neuronal isoform in the βPix-NIKO neurons restores Stathmin1 phosphorylation levels, with βPix-d having a greater effect than βPix-b. Furthermore, we find that the recovery of neurite length and Stathmin1 phosphorylation via βPix-d expression requires PAK kinase activity. Taken together, our study demonstrates that βPix-d regulates the phosphorylation of Stathmin1 in a PAK-dependent manner and that neuronal βPix isoforms promote tubulin acetylation and neurite morphogenesis during neuronal development.