Novel insights into filopodia function – A focus on integrin and F-actin regulation

Abstract

Filopodia are actin-rich cell protrusions that are extended from the plasma membrane by different cell types in order to sense the surrounding environment. In cancer cells, the emergence of filopodia supports metastasis, while in neuronal cells filopodia help to form synapses by probing adjacent cells for suitable presynaptic partners. Filopodia can make contact with the extracellular matrix with small, integrinmediated adhesions located at their tips. During cancer invasion, recognition of the extracellular matrix by filopodia not only supplies migrating cells with guidance cues but has also been linked with increased colony growth at the metastatic site. In neuronal cells, inhibition of integrin activity has been shown to negatively impact synapse formation. Although both filopodia and integrin-positive adhesions have roles in metastasis or in synaptogenesis, filopodial adhesions remain under-studied cellular structures and there exists minimal literature on how these adhesions are regulated or how they function. The objective of this study was to reveal novel regulatory mechanisms of filopodia by studying two integrin and filopodia linked proteins: myosin-X and SHANK3. The work presented here provides fundamental information on how 1) integrins are activated at filopodia tips, 2) which integrinlinked proteins are recruited to adhesions at filopodia providing a road-map to classify these adhesions and 3) how SHANK3, an F-actin network organizer and filopodia regulator, modulates the crosstalk between integrin and F-actin via direct and conformationally regulated binding with F-actin. The thesis also provides novel methodology in the form of a high-end biochemical binding assay (4) where protein binding to integrin tails can be interrogated in the presence of a lipidic membrane.

<b>Solun filopodien toiminta</b>

Filopodit ovat solukalvon pullistumia, joita täyttää sisältäpäin solun aktiinitukiranka. Filopodit syntyvät solukalvon pullistuessa ulospäin aktiinitukirangan vaikutuksesta ja solut käyttävät niitä ympäristönsä aistimiseen käyttämällä filopodien kärjissä sijaitsevia tarttumisreseptoreja - integriinejä. Syövän leviämisen aikana solujen kyky tunnistella ympäröivää soluväliainetta tarjoaa solulle tarkkaa tietoa sen ympäristöstä, ohjaten solun kulkua vaikeassa 3-ulotteisessa soluväliaineen verkostossa. Toisaalta hermosolut käyttävät filopodeja naapurisolujensa (tai ympäröivän kudoksen) tarkasteluun hermoliitosten muodostusprosessissa. Vaikka filopodit ja integriinireseptorit ohjaavat sekä syövän leviämistä ja aivojen normaalia toimintaa, filopodien välittämien integriini-positiivisten soluadheesioiden synty tunnetaan huonosti. Lisäksi filopodien soluadheesioiden säätely sekä vaikutukset solun toiminnalle ovat heikosti ymmärrettyjä tapahtumasarjoja. Tämän väitöskirjatyön tarkoituksena oli ymmärtää filopodien solullisia säätelyketjuja paremmin tutkimalla kahta integriineihin ja filopodeihin aiemmin liitettyä proteiinia: myosiini-X ja SHANK3. Tässä väitöskirjatyössä esitetyt tulokset tuovat täysin uutta tietoa seuraavista tapahtumista: 1) miten filopodit muodostavat adheesioita soluväliaineen kanssa 2) mitkä solun adheesioproteiinit sijoittuvat filopodien kärkiin adheesiomuodostusprosessin aikana sekä 3) kuinka SHANK3 proteiini säätelee samanaikaisesti solun aktiinitukirankaa ja integriiniaktiivisuutta. Lisäksi väitöskirja sisältää menetelmällisen julkaisun uudesta biokemiallisesta koeasetelmasta, jonka avulla voidaan paremmin tutkia solun proteiinien sitoutumista integriinireseptoreihin solukalvon läheisyydessä.