Mutations in the extracellular domain of the neural cell adhesion molecule L1 impair protein trafficking in vitro and in vivo

Das neurale Zelladhasionsmolekul L1 ist ein Mitglied der Immunglobulin Superfamilie und erfullt wichtige Funktionen im sich entwickelnden und adulten Nervensystem. So ist L1 an verschiedenen Prozessen, wie der Migration und dem Uberleben von Neuronen, dem Auswachsen, der Bundelung und der Wegfindung von Axonen und der synaptischen Plastizitat, beteiligt. Mutationen in allen Regionen des L1 Gens konnen beim Menschen zu gravierenden neurologischen Syndromen des sogenannten L1 Spektrums fuhren. Gemeinsame Merkmale dieser Syndrome sind eine erhohte Sterblichkeit, geistige Behinderung und verschiedene Missbildungen des Gehirns. Patienten mit Punktmutationen in der extrazellularen Domane von L1 entwickeln haufig einen schwereren Phanotyp als solche mit Mutationen im zytoplasmatischen Bereich. Um Einblicke in die Ursachen fur das haufige Auftreten von schwerwiegenden Punktmutationen in der extrazellularen Domane zu gewinnen, wurden in dieser Studie die funktionellen Konsequenzen von Mutationen sowohl der extrazellularen als auch der intrazellularen Domane von L1 untersucht. Die Expression von mutierten L1 Konstrukten wurde in CHO- (chinese hamster ovarian) Zellen analysiert. Es konnte gezeigt werden, dass die pathogene L1 Punktmutation C264Y (L1C264Y), die in der extrazellularen Domane liegt und zu einem schweren Phanotyp beim Menschen fuhrt, nicht auf der Zelloberflache exprimiert wird. Ahnliche Resultate ergaben sich fur ein L1 Konstrukt mit einer Deletion der putativen homophilen Bindungsstelle von L1 (L1[Delta]hbs). Im Gegensatz dazu zeigte eine intrazellular deletierte L1-Variante normale L1-Mengen auf der Zelloberflache. Das Molekulargewicht von L1C264Y- und L1[Delta]hbs-Proteinen war reduziert, da die N-gekoppelten Oligosaccharide der Proteine keine Golgi-typische Modifikationen aufwiesen. Diese Beobachtungen lassen vermuten, dass die mutierten Proteine im endoplasmatischen Reticulum (ER) zuruckgehalten und nicht weiter zum Golgi-Apparat transportiert werden. Um die Konsequenzen einer humanpathologischen Mutation auf die Expression und Funktion von L1 in vivo zu untersuchen, wurde eine transgene Mauslinie erzeugt, in der die extrazellular gelegene Punktmutation C264Y unter Kontrolle des L1-Promotors vor einem L1-defizienten Hintergrund exprimiert wird. In diesen Mausmutanten war das L1C264Y-Protein in neuronalen Zellkorpern lokalisiert und wies einen abnormalen Glykosylierungsgrad auf. Diese Ergebnisse stimmen mit den Befunden der Zellkultur-Untersuchungen uberein. Eine phanotypische Analyse der L1C264Y-transgenen Mause ergab keine Unterschiede zu L1-defizienten Mausen, d.h. beide Mutanten zeigten eine verringerte Uberlebenswahrscheinlichkeit, eine Reduktion des corticospinalen Traktes, Fehler in der Wegfindung von corticospinalen Axonen, sowie abnormale unmyelinisierte Fasern in peripheren Nerven. Diese Befunde legen nahe, dass die transgenen Mause funktionale Null-Mutanten reprasentieren. Die Ergebnisse der in vitro und in vivo Untersuchungen deuten darauf hin, dass eine Akkumulation des mutierten L1 Proteins im ER, gefolgt von einer Degradation des Proteins, den zugrundeliegenden molekularen Pathomechanismus der L1C264Y Mutation darstellt. Demnach konnte eine gestorte Zelloberflachenexpression ursachlich fur das haufige Auftreten von schweren pathogenen Punktmutationen im humanen L1 Gen sein.