Functional regulation of the Neurofibromatosis 2 tumor suppressor merlin

Neurofibromatosis 2 (NF2) is an autosomal dominant disorder manifested by the formation of multiple benign tumors of the nervous system. Affected individuals typically develop bilateral vestibular schwannomas which lead to deafness and balance disorders. The syndrome is caused by inactivation of the NF2 tumor suppressor gene, and mutation or loss of the NF2 product, merlin, is sufficient for tumorigenesis in both hereditary and sporadic NF2-associated tumors. Merlin belongs to the band 4.1 superfamily of cytoskeletal proteins, which also contain the related ezrin, radixin, and moesin (ERM) proteins. The ERM members provide a link between the cell cytoskeleton and membrane by connecting membrane-associated proteins to actin filaments. By stabilizing complexes in the cell cortex, the ERMs modulate morphology, growth, and migration of cells. Despite their structural homology, overlapping subcellular distribution, direct molecular association, and partial overlap of molecular interactions, merlin and ezrin exert opposite effects on cell proliferation. Merlin suppresses cell proliferation, whereas ezrin expression is linked to oncogenic activity. We hypothesized that the regions which differ between the proteins might explain merlin s specificity as a tumor suppressor. We therefore analyzed the regions, which are most diverse between merlin and ezrin; the N-terminal tail and the C-terminus. To determine the properties of the C-terminal region, we studied the two most predominant merlin isoforms together with truncation variants similar to those found in patients. We also focused on the evolutionally conserved C-terminal residues, E545-E547, that harbor disease causing mutations in its corresponding DNA sequence. In addition to inhibiting cell proliferation, merlin regulates cytoskeletal organization. The morphogenic properties of merlin may play a role in tumor suppression, since patient-derived tumor cells demonstrate cytoskeletal abnormalities. We analyzed the mechanisms of merlin-induced extension formation and determined that the C-terminal region of amino acids 538-568 is particularly important for the morphogenic activity. We also characterized the role of C-terminal merlin residues in the regulation of proliferation, phosphorylation, and intramolecular associations. In contrast to previous reports, we demonstrated that both merlin isoforms are able to suppress cell proliferation, whereas C-terminally mutated merlin constructs showed reduced growth inhibition. Phosphorylation serves as a mechanism to regulate the tumor suppressive activity of merlin. The C-terminal serine 518 is phosphorylated in response to both p21-activated kinase (PAK) and protein kinase A (PKA), which inactivates the growth inhibitory function of merlin. However, at least three differentially phosphorylated forms of the protein exist. In this study we demonstrated that also the N-terminus of merlin is phosphorylated by AGC kinases, and that both PKA and Akt phosphorylate merlin at serine 10 (S10). We evaluated the impact of this N-terminal tail phosphorylation, and showed that the phosphorylation state of S10 is an important regulator of merlin s ability to modulate cytoskeletal organization but also regulates the stability of the protein. In summary, this study describes the functional effect of merlin specific regions. We demonstrate that both S10 in the N-terminal tail and residues E545-E547 in the C-terminus are essential for merlin activity and function.

Neurofibromatoosi 2 (NF2) on vallitsevasti periytyvä kasvainsyndrooma, jossa potilaille muodostuu keskus- ja ääreishermoston kasvaimia, pääasiassa kahdeksannen aivohermon schwannoomia sekä aivokalvon meningeoomia. Vaikka kasvaimet ovat yleensä hyvänlaatuisia, niiden hankala sijainti ja monilukuisuus tekevät syndroomasta vaikeahoitoisen. Kasvaimet kehittyvät joko perittyjen tai hankittujen NF2-geenin mutaatioiden seurauksena. NF2-geeni koodaa merliniä, joka toimii kasvunrajoiteproteiinina säätelemällä solujakautumista. Mutaatioiden johdosta toimimaton merlinproteiini ei pysty estämään solujen jakautumista, näin ollen altistaen potilaan kasvaimille. ERM-proteiiniperheeseen kuuluva merlin toimii linkkinä solun tukirangan ja solukalvon välillä, säädellen solun tukirangan toimintaa. Vaikka merlinin yleisrakenne on samanlainen kuin ERM-proteiineilla, eroaa se toiminnaltaan muista perheen jäsenistä. Merlin toimii kasvua estävänä proteiinina kun taas samaan perheeseen kuuluvan ezrinin on osoitettu edesauttavan solujen kasvua. Väitöskirjan tavoitteena oli ymmärtää merlinin kasvunrajoitemekanismia tutkimalla sen toiminnallista säätelyä ja vertaamalla sen toimintaa ezriniin. Etenkin merlinin karboksi- (C-) terminaalinen osa sekä ensimmäiset 18 aminohappoa eroavat suurelta osin muuten samankaltaisesta ezrinistä, joten tutkimuksessa kartoitimme näiden alueiden merkitystä merlinin toiminnalle. Tutkimuksemme osoitti, että merlin säätelee solun morfologiaa, ja että proteiinin C-terminaalisessa osassa on solu-ulokkeiden muodostumista vahvistavia ja heikentäviä alueita. Tutkimuksista kävi myös ilmi, että proteiinin C-terminaalinen osa, ja etenkin E545-E547 alue, on välttämätön merlinin kasvunrajoitetoiminnalle ja että vastoin aiempaa käsitystä molemmilla luonnostaan esiintyvillä merlinin isoformeilla on kyky toimia kasvunrajoiteproteiinina. Merlinin aktiivisuutta säädellään fosforylaation avulla. Tutkimuksemme osoittivat, että proteiinikinaasi A (PKA), joka stimuloi Schwannin solujen kasvua, fosforyloi merlinin amino- (N-) päässä sijaitsevaa seriini 10 aminohappoa. Seriini 10:n fosforylaatio vaikuttaa solun aktiinitukirankaan ja säätelee solujen liikkumiseen vaadittavien ulokkeiden syntymistä. Lisäksi tutkimuksemme osoittivat, että myös Akt-kinaasi fosforyloi samaa seriini 10 aminohappoa. Akt on onkogeeninen proteiini, jonka tuotto on lisääntynyt kasvaimissa, joista merlin puuttuu. Tulostemme mukaan Akt:n aiheuttama fosforylaatio säätelee merlinin määrää soluissa ohjaamalla merlinin hajotettavaksi, näin ollen inaktivoiden merlinin normaalin toiminnan. Akt toimii yliaktivoituneena monissa syöpätyypeissä, joten löydöksellä voi olla huomattavasti NF2-tautia laajempi merkitys. Väitöskirjassa olemme kartoittaneet toiminnallisesti tärkeitä alueita merlinissä, jotka osin selittävät potilaissa todetut patologiset NF2-geenin mutaatiot. Tulostemme mukaan sekä N-terminaalinen seriini 10 että E545-E547 C-terminuksessa ovat tärkeitä merlinin aktiivisuudelle ja toiminnalle.