Proper cellular function requires precise and dynamic assembly of multiple structural, regulatory and signalling molecules. Scaffold proteins serve exactly this purpose by functioning as protein-interaction hubs and providing interaction surfaces to a broad variety of proteins. Especially in polarised cells and at cell-cell contact sites, scaffold proteins are indispensable for the positioning and anchoring of diverse classes of proteins. A very particular type of cell-cell contact in highly polarised cells are chemical synapses, where different scaffold proteins, like the prototypical PSD-95, are critical for the proper recruitment and membrane localisation of transmembrane proteins, receptors and ion channels. Scaffold proteins assemble assemble them together with regulatory and additional scaffold proteins into large multiprotein complexes that are responsible for synapse formation, maintenance and plasticity. MPP2 belongs to the MPP subfamily of membrane- associated guanylate kinase (MAGUK) scaffold proteins, which has primarily been studied for its importance at epithelial cell-contact sites. The present thesis describes MPP2 as a novel scaffold protein at the postsynapse of central neurons. It is demonstrated to be associated with core components of AMPA receptor complexes and directly interacting with the abundant postsynaptic scaffold proteins PSD-95 and GKAP. MPP2 was found at postsynapses of hippocampal neurons, where it co-localises with the transmembrane cell adhesion protein SynCAM1 that was identified as a specific ligand to the MPP2 PDZ domain. SynCAM1 is an important synaptic cell adhesion protein with functions for the formation and maintenance of stable synaptic contacts. Taking advantage of diverse super-resolution imaging pproaches, MPP2 and SynCAM1 were found in a particular spatial arrangement at the border of the postsynaptic density (PSD). Distinct nanoclusters of both proteins are positioned juxtaposed and almost alternating, forming a bracelet-like structure surrounding the PSD border. MPP2 being positioned at the PSD border together with SynCAM1 as synapse-stabilising protein, suggests an important role for MPP2 in the formation and maintenance of glutamatergic synapses. Subsequent comparative investigations of the protein complexes, which are organised by the PSD-95 and MPP2 SH3GK tandem domain, revealed an unexpected association of MPP2 with multiple proteins, which are important for inhibitory synaptic transmission, foremost seven different GABA(A) receptor subunits. A direct interaction between MPP2 and the GABA(A)R subunits alpha1, alpha2 and beta3 was confirmed. Moreover, MPP2 co-localises with multiple GABA(A)R subunits in a subset of dendritic spines of excitatory glutamatergic, but not inhibitory synapses. In summary, this dissertation provides evidence that the novel postsynaptic scaffold protein MPP2 sits at the PSD periphery of glutamatergic synapses, where it serves as a link between central protein complexes of excitatory synapses and peripheral elements for the inhibitory regulation of synaptic transmission. These results provide further insights into the postsynaptic architecture and a new perspective for studying its functional regulation.
Zellfunktionen werden durch das präzise und dynamische Zusammenspiel verschiedenster struktureller und regulatorischer Elemente und Signalmoleküle bestimmt. Gerüstproteine sind hierbei zentrale Elemente, die vielfältige Protein-Interaktionen, insbesondere in polar organisierten Zellen und an Zellkontakten, ermöglichen und die für die Anordnung und Verankerung verschiedenster Klassen von Proteinen von Bedeutung sind. Chemische Synapsen, die Kontaktpunkte zwischen Nervenzellen, sind eine besondere Form von Zellkontakten. Hier sind Gerüstproteine, wie PSD-95, essentiell für die Rekrutierung vielfältiger Proteine, wie Transmembranproteine, Rezeptoren und Ionenkanäle an die synaptische Membran, sowie deren korrekter Positionierung. Darüber hinaus stellen diese Gerüstproteine eine Verbindung zu anderen regulatorisch und strukturell wichtigen Elementen her und organisieren dadurch die großen Multiproteinkomplexe, welche die Bildung, Stabilität und auch Plastizität von Synapsen erst ermöglichen. MPP2 gehört der MPP Unterfamilie der Membran-assoziierten Guanylatkinasen (MAGUK) an und wurde bisher vor allem wegen seiner Funktion an Epithelzellkontakten untersucht. Die vorliegende Arbeit beschreibt MPP2 erstmals an der postsynaptischen Dichte (PSD) zentraler Neurone. Es wird gezeigt, dass MPP2 mit zentralen Elementen AMPA-Rezeptor-assoziierter Proteinkomplexe verbunden ist und mit wichtigen Proteinen wie PSD-95 und GKAP direkt interagiert. MPP2 co-lokalisiert in Postsynapsen hippocampaler Neurone mit SynCAM1, welches als spezifischer PDZ-Ligand von MPP2 identifiziert wurde. SynCAM1 ist ein transsynaptisches Zelladhäsionsprotein mit Bedeutung für die Bildung und Stabilisierung von Synapsen. Mithilfe superauflösender Mikroskopieverfahren konnte gezeigt werden, dass MPP2 und SynCAM1 auf besondere Weise zusammen am Rand der PSD arrangiert sind: Nanocluster beider Proteine liegen fast abwechselnd unmittelbar nebeneinander und bilden dadurch eine Struktur ähnlich einem Armband, dass die PSD umgibt. Analyse und Vergleich der Proteinkomplexe, die jeweils durch die SH3GK Tandemdomänen von MPP2 und PSD-95 organisiert werden, ergab eine unerwartete Verbindung von MPP2 zu mehreren Proteinen, die für inhibitorische Signalübertragung verantwortlich sind, allen voran sieben GABA(A)-Rezeptoruntereinheiten. Zwischen MPP2 und den Rezeptoruntereinheiten alpha1, alpha2 und beta3 konnte eine direkte Interaktion und darüber hinaus eine Co-Lokalisation von MPP2 mit einigen Untereinheiten gezeigt werden. Diese Co-Lokalisation zeigte sich in einer Subpopulation dendritischer Spines an erregenden glutamatergen, jedoch nicht inhibitorischen Synapsen. Zusammenfassend zeigt die vorliegende Arbeit, dass MPP2 ein neues postsynaptisches Gerüstprotein ist, welches sich am Rande der PSD exzitatorischer Synapsen befindet und dadurch eine physische Verbindung zwischen zentralen Proteinkomplexen glutamaterger Synapsen und peripheren Elementen der inhibitorischen Regulation synaptischer Signalübertragung herstellt. Diese Ergebnisse erweitern das Verständnis über die Architektur der Postsynapse und bieten eine weitere Perspektive für die Erforschung ihrer funktionellen Regulation.
