Functional characterization of the interaction between Bex2 and torsinA, a protein involved in early-onset torsion dystonia

Abstract

Early-onset torsion dystonia is an autosomal-dominant movement disorder with disease onset in early childhood that manifests in sustained involuntary muscle contractions, often resulting in twisted or distorted postures throughout life. The disorder is caused by a three base-pair deletion encoding a glutamic acid within torsinA, the protein product of the DYT1 gene. To date, it is not understood how this three base-pair deletion leads to the development of early-onset torsion dystonia and a clear cellular function for torsinA remains to be elucidated. This study verified Bex2 as a novel torsinA-interacting protein. Bex2, a small 125 amino acid protein, belongs to the Bex family, whose members have been implicated in neurotrophin signalling, cell cycle regulation and neuronal differentiation. Characterization of Bex2 and torsinA revealed co-localization of both proteins around the nucleus, pointing to a common role for Bex2 and torsinA at the nuclear envelope. Moreover, Bex2 and torsinA were shown to associate with cellular membranes and to localize to vesicle-like structures throughout the cytoplasm and along processes of rat neurons, suggesting that Bex2 and torsinA are bound to organelles that are transported along processes of neurons. This assumption is supported by co-localization of Bex2 with kinesin-I in vesicle-like structures throughout the cytoplasm and within processes of rat neurons, as kinesin-I is known to transport organelles and cargo anterogradely along microtubules. Kinesin-I has previously been demonstrated to interact with torsinA at the cytoplasmic face of cellular membranes. As this study shows co-localization of Bex2 with torsinA and kinesin-I, respectively, at vesicle-like structures, all three proteins may form a complex, tightly tethered to organelle membranes via Bex2 and torsinA and which is transported along microtubules via interaction with kinesin-I. Furthermore, this study demonstrates interaction of Bex2 with the disease-causing, glutamic acid deleted delta E torsinA variant and co-localization studies showed that this interaction occurs around the nucleus, presumably at the nuclear envelope. Binding affinity of Bex2 to delta E torsinA tended to be higher than to wildtype torsinA, indicating an altered binding behaviour of mutant delta E torsinA to Bex2 at the nuclear envelope. In summary, this study supports the theory that torsinA also interacts with proteins outside the ER and that torsinA plays a crucial role at the nuclear envelope where it binds specific substrates. It furthermore supports the hypothesis that an altered binding behaviour of delta E torsinA to those substrates may disturb distinct cellular processes and thus lead to the development of early-onset torsion dystonia.

Primäre Torsionsdystonie (early-onset torsion dystonia) ist eine autosomal dominant vererbte Bewegungsstörung mit Krankheitsbeginn in der frühen Kindheit. Die Bewegungsstörung äußert sich in anhaltenden, unwillkürlichen Muskelkontraktionen, die oft zu einer drehenden oder verkrümmten Körperhaltung führen. Ursache der Erkrankung ist eine Deletion von drei Basenpaaren im DYT1 Gen, die für ein Glutamat im Protein torsinA kodieren. Bis jetzt ist es nicht verstanden, wie diese Deletion zur Ausprägung von primärer Torsionsdystonie führt und welche zelluläre Funktion torsinA übernimmt. Diese Studie untersucht Bex2 als einen neuen torsinA Interaktor. Bex2 ist ein kleines Protein von 125 Aminosäuren und gehört zu den Proteinen der Bex-Familie, dessen Mitglieder am Neurotrophin Signalweg, der Regulation des Zellzyklus und neuronaler Differenzierung beteiligt sind. Die Charakterisierung von Bex2 und torsinA zeigte, dass beide Proteine um den Kern herum kolokalisieren, was auf eine gemeinsame Rolle von Bex2 und torsinA an der Kernhülle deutet. Darüber hinaus binden beide Proteine an zelluläre Membranen und sind an vesikelartigen Strukturen im Zytoplasma und entlang von Fortsätzen lokalisiert. Dies lässt vermuten, dass Bex2 und torsinA an Organelle binden und an solchen entlang der Fortsätze von Neuronen transportiert werden. Unterstützt wird diese Annahme durch Kolokalisation von Bex2 mit Kinesin-I an vesikelartigen Strukturen im Zytoplasma und entlang von Neuriten. Kinesin-I ist dafür bekannt Organelle anterograd entlang von Mikrotubuli zu transportieren. Zudem wurde gezeigt, dass Kinesin-I mit torsinA interagiert. Die vorliegenden Studie zeigt Kolokalisation zwischen Bex2, torsinA bzw. Kinesin-I an vesikel-ähnlichen Strukturen, was möglicherweise auf einen trimeren Komplex, der fest an Organell Membranen gebunden ist und entlang von Mikrotubuli transportiert wird, hinweisen könnte. Des weiteren legt diese Studie die Interaktion zwischen Bex2 und der Krankheits-assoziierten deletierten torsinA Variante dar und zeigt Kolokalisation zwischen beiden Proteinen um den Kern. Zusammengefasst unterstützt die vorliegende Studie die Theorie, dass torsinA auch außerhalb des Endoplasmatischen Reticulums mit Protein interagieren kann und dass torsinA eine wichtige Rolle an der Kernhülle spielt, an der es spezifische Proteine bindet.