Tetraspanin web formation and function

Abstract

The cell membrane is crucial for living cells; it encloses the intracellular matrix, maintains the concentration of cytosolic components, and controls the in-/outward signalling and interaction pathways. The cell membrane consists mainly of lipids and proteins. Membrane proteins are involved in essential physiological functions of the cell; in addition, they have the ability to organize, interact and assemble laterally to form clusters or platforms that are biologically important for cell function. The mechanisms underlying membrane protein organization and assembly in clusters are still not completely understood.<br /> Tetraspanins are a family of membrane proteins exhibiting a particularly high propensity to interact with each other or with partner proteins to form so-called tetraspanin enriched microdomains (TEM) or tetraspanin webs. TEMs are involved in pathogen infections, creating entry and exit platforms, and promote different stages of cancer. Until now, the mechanism of TEM assembly is poorly understood. All tetraspanin family members share a similar molecular structure that comprises four transmembrane domains, intracellular N- and C-termini, a very short intracellular loop, a small extracellular loop (SEL), and a large extracellular loop (LEL), which is further subdivided in five helical domains, the α-, β-, γ-, δ- and ε-domain.<br /> CD81 is an ubiquitously expressed tetraspanin; it is the best studied tetraspanin and one of the most important family members. CD81 plays a crucial role in TEM building and can form with its partner proteins large tetraspanin webs that play physiological roles in different cellular functions and regulate diverse cellular processes. Here, I examined which part of the CD81 molecule is required for protein clustering and protein organization leading to formation of tetraspanin microdomains in the plasma membrane of T cells and hepatocytes. Astonishingly, I find that the organization and assembly of large CD81 platforms are driven by the short extracellular δ-domain of CD81-LEL, independent from the strong primary interactions with partner proteins as well as the secondary weak stabilizing interactions mediated by palmitoylation. Moreover, the δ-domain is not only necessary for protein clustering but it is also essential for platform function and viral entry. Here, a new model of tetraspanin web formation was presented, in which the δ-domain plays the key role for protein clustering, tetraspanin web organization and function. This model is based on specific interactions via the δ-domain, possibly including a protein dimerization step, to control the organization of tetraspanins into large webs and to regulate their function, instead of stable binary interactions as described by the classical view of TEM organization.

<strong>Tetraspanin Web Bildung und Funktion</strong><br /> Die Zellmembran ist unabdingbar für lebendige Zellen; sie umschließt die intrazelluläre Matrix, reguliert die Konzentration zytosolischer Komponenten, und kontrolliert die in-/auswärtigen Signale und Interaktionswege. Die Zellmembran besteht hauptsächlich aus Lipiden und Proteinen. Die Membranproteine sind in essenzielle physiologische Funktionen der Zelle involviert; zudem haben sie die Fähigkeit sich zu organisieren, miteinander zu interagieren und zu assemblieren, um Cluster oder Plattformen zu bilden, welche für die biologischen Funktionen der Zelle wichtig sind. Die Mechanismen, die die Proteinorganisation und die Assemblierung zu Clustern steuern, sind noch nicht vollständig verstanden.<br /> Tetraspanine sind eine Familie der Membranproteine, die eine hohe Tendenz haben mit sich selbst und mit anderen Proteinpartnern zu interagieren, um sogenannte Tetraspanin angereicherte Microdomänen (TEM) oder Tetraspaninnetzwerke zu bilden. TEMs spielen eine Rolle bei Infektionen, u.a. indem sie bei der Bildung von Zugangs- und Ausgangsplattformen mitwirken, sowie bei der Steuerung verschiedener Krebsphasen. Aktuell ist der TEM-Bildungsmechanismus nur unzureichend aufgeklärt. Alle Tetraspaninfamilienmitglieder haben eine ähnliche molekulare Struktur gemein, die vier Transmembrandomänen, intrazelluläre N- und C-Termini, eine sehr kleine intrazelluläre Schleife, eine kleine extrazelluläre Schleife (SEL), und eine große extrazelluläre Schleife (LEL) beinhaltet. Die große extrazelluläre Schleife ist weiter in fünf helikale Domänen, die α-, β-, γ-, δ- und ε-Domäne, unterteilt.<br /> CD81 ist ein ubiquitär exprimiertes Tetraspanin; es ist das am intensivsten untersuchte Tetraspanin und eines der wichtigsten Familienmitglieder. CD81 spielt eine wichtige Rolle bei der TEM-Bildung und kann mit anderen Proteinpartnern große Tetraspaninnetzwerke ausbilden, die physiologische Rollen in verschiedenen zellulären Funktionen spielen und diverse zelluläre Prozessen regulieren. Hier habe ich untersucht, welcher Teil des CD81 Moleküls für die Bildung von Proteinclustern notwendig ist, die die Vorrausetzung für Tetraspanin-Mikrodomänen in der Plasmamembran von T-Zellen und Hepatozyten darstellt. Erstaunlicherweise zeigte sich, dass die Organisation der großen CD81-Plattformen von der kleinen extrazellulären δ-Domäne des CD81-LEL Moleküls gesteuert wird. Zudem ist dieser Effekt der δ-Domäne unabhängig von starken primären Interaktionen mit Proteinpartnern sowie von den schwächeren sekundären stabilisierenden Interaktionen die durch Palmitoylierung ermittelt werden. Außerdem ist die δ-Domäne nicht nur für die Bildung von Proteinclustern notwendig, sondern auch für die Funktionsfähigkeit der Plattformen und für Vireninfektionen erforderlich. In dieser Arbeit wird ein neues Modell für die Bildung von Tetraspaninnetzwerken vorgestellt, in dem die δ-Domäne eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Proteinclustern und bei der Organisation und Funktionsfähigkeit der Tetraspaninnetzwerke spielt. Dieses Modell basiert auf spezifischen Interaktionen der δ-Domäne und einem potenziellen CD81 Dimerisierungsschritt, welche die Organisierung von Tetraspaninen innerhalb großer Netzwerke kontrollieren und deren Funktionen regulieren im Gegensatz zum klassischen Modell in dem stabile binäre Interaktionen die Organisation von TEMs dominieren.