Missing-In-Metastasis (MIM) regulates cell morphology by promoting plasma membrane and actin cytoskeleton dynamics

The cells of multicellular organisms have differentiated to carry out specific functions that are often accompanied by distinct cell morphology. The actin cytoskeleton is one of the key regulators of cell shape subsequently controlling multiple cellular events including cell migration, cell division, endo- and exocytosis. A large set of actin regulating proteins has evolved to achieve and tightly coordinate this wide range of functions. Some actin regulator proteins have so-called house keeping roles and are essential for all eukaryotic cells, but some have evolved to meet the requirements of more specialized cell-types found in higher organisms enabling complex functions of differentiated organs, such as liver, kidney and brain. Often processes mediated by the actin cytoskeleton, like formation of cellular protrusions during cell migration, are intimately linked to plasma membrane remodeling. Thus, a close cooperation between these two cellular compartments is necessary, yet not much is known about the underlying molecular mechanisms. This study focused on a vertebrate-specific protein called missing-in-metastasis (MIM), which was originally characterized as a metastasis suppressor of bladder cancer. We demonstrated that MIM regulates the dynamics of actin cytoskeleton via its WH2 domain, and is expressed in a cell-type specific manner. Interestingly, further examination showed that the IM-domain of MIM displays a novel membrane tubulation activity, which induces formation of filopodia in cells. Following studies demonstrated that this membrane deformation activity is crucial for cell protrusions driven by MIM. In mammals, there are five members of IM-domain protein family. Functions and expression patterns of these family members have remained poorly characterized. To understand the physiological functions of MIM, we generated MIM knockout mice. MIM-deficient mice display no apparent developmental defects, but instead suffer from progressive renal disease and increased susceptibility to tumors. This indicates that MIM plays a role in the maintenance of specific physiological functions associated with distinct cell morphologies. Taken together, these studies implicate MIM both in the regulation of the actin cytoskeleton and the plasma membrane. Our results thus suggest that members of MIM/IRSp53 protein family coordinate the actin cytoskeleton:plasma membrane interface to control cell and tissue morphogenesis in multicellular organisms.

Monisoluisten eliöiden monimutkaiset fysiologiset toiminnot ovat mahdollisia pitkälle erilaistuneiden solujen ansiosta. Erilaistuneet solut omaksuvat niille tyypillisen morfologian. Aktiinitukiranka on yksi solun muodon pääsäätelijöistä, ja se onkin välttämätön useille solun perustoiminnoille, kuten jakautumiselle, liikkumiselle sekä endo- ja eksosytoosille. Muutokset aktiinitukirangassa ovat keskeisessä osassa myös solujen erilaistumisessa, niin esimerkiksi hermosoluiksi tai maksasoluiksi kuin syöpäsoluiksikin. Aktiinitukirangan toimintaa säädellään erittäin tarkasti lukuisten eri proteiinien avulla. Osa aktiinia säätelevistä proteiineista on kaikille soluille välttämättömiä, kun taas toiset ovat kehittyneet nimenomaan tiettyjen erilaistuneiden solujen tarpeisiin. Usein aktiinitukirangasta riippuvaiset soluprosessit, kuten ulokkeiden muodostus solun liikkuessa, ovat sidoksissa muutoksiin solukalvolla. Solujen täytyykin pystyä tarkasti koordinoimaan aktiinitukirangan ja solukalvon muutoksia, mutta molekyylimekanismit, joilla tämä saavutetaan, ovat hyvin huonosti tunnettuja. Tämän väitöskirjatutkimuksen kohteena on hiljattain löydetty proteiini, MIM (Missing-In-Metastasis), joka alun perin löydettiin virtsarakonsyöpäsolujen aggressiivisuutta vähentävänä tekijänä. Tässä työssä osoitamme, että MIM on solutyyppi-spesifinen proteiini, joka säätelee aktiinitukirankaa WH2-domeeninsa avulla. MIM-proteiinissa on myös IM-domeeni, jonka havaitsimme kaartavan solukalvoa ulospäin. Tämä ennen havaitsematon mekanismi johtaa soluissa filopodioiden, solujen liikkumisessa oleellisten ulokkeiden, muodostumiseen. MIM käyttää hyväkseen näitä kahta domeenia kytkien siten toisiinsa solutukirangan ja solukalvon molekyylitason muutokset. Ymmärtääksemme proteiinin biologista merkitystä paremmin, teimme MIM-poistogeenisen hiirimallin. Havaitsimme, että MIM ei ole välttämätön nisäkkäiden kehitykselle, mutta poistogeeniset hiiret sairastuvat vakavaan munuaistautiin ja altistuvat kasvainten, erityisesti maksasyöpien kehittymiselle. Nämä tulokset viittaavat MIM:n rooliin erilaistuneiden solutyyppien morfologian ylläpidossa ja muutoksissa. Tässä väitöskirjatyössä esitellyt tulokset esittävät, että MIM säätelee sekä solukalvoa että aktiinitukirankaa ja siten koordinoi solujen muodonmuutoksia erityisesti pitkälle erilaistuneissa kudoksissa.