Arg and cortactin regulation of the Arp2/3 complex and its role in dendritic spine stability

Yale University, New Haven CT

Investigators

Linked publications, trials & patents

Abstract

Project Summary   Dendritic spine stability is disrupted in psychiatric and neurological disorders. Dendritic spines are enriched in a  highly branched cytoskeleton, containing stable and dynamic filamentous-­ (F-­) actin pools and monomeric actin.  Loss of the Abl2/Arg non-­receptor tyrosine kinase (Arg) and its interaction partner cortactin from dendritic spines  causes  widespread  spine  loss  in  late  adolescence,  but  the  mechanisms  of  how  these  two  proteins  support  dendritic  spine  stability  remain  elusive.  Our  lab  recently  showed,  using  total  internal  reflection  microscopy  (TIRFM)  single-­filament  based  assays,  that  Arg  and  cortactin  synergize  to  regulate  Arp2/3-­mediated  actin  branching.  Coordinated  regulation  of  the  Arp2/3  complex  via  Arg  and  cortactin  is  a  plausible  mechanism  by  which these proteins support spine stability. In my research plan, I will test the hypothesis that Arg and cortactin  interact  to  confer  dendritic  spine  stability  via  regulation  of  the  Arp2/3  complex  and  maintenance  of  the  spine  stable actin pool.  Aim 1. To determine how Arg interacts with cortactin and the Arp2/3 complex to promote actin branch  nucleation.  It  remains  unresolved  how  Arg  regulates  the  Arp2/3  complex  and  how  cortactin  coordinates  with  Arg  to  enhance  this  effect.  To  address  how  Arg  regulates  the  complex,  I  will  learn  how  to  conduct  functional  TIRFM single-­ filament based assays to define the minimal domain of Arg that is sufficient to activate the Arp2/3  complex. My preliminary data indicate that Arg can directly bind the Arp2/3 complex. I will expand these binding  assays and learn how to conduct chemical crosslinking experiments to determine (1) the minimal Arg fragment  that can make a high affinity interaction with the Arp2/3 complex and (2) the subdomain contacts through which  Arg interacts with the Arp2/3 complex, respectively. Finally, I will develop two methods to determine how cortactin  can  coordinate  with  Arg  to  stimulate  Arp2/3  activation.  Two-­color  single  molecule  TIRF  assays  will  address  if  cortactin  recruits  Arg  to  branch  points  and  competition  binding  assays  will  determine  if  cortactin  functions  (mechanistically) to release Arg from nascent branch points, allowing filament elongation.  Aim  2.  To  determine  the  mechanisms  through  which  Arg  and  cortactin  regulate  spine  stability.  Arg,  cortactin  and  the  Arp2/3  complex  are  concentrated  in  dendritic  spines  and  each  is  required  for  spine  stability,  but how they interact to confer this stability is not understood. Preliminary data collected in the lab suggests that  loss of cortactin initially reduces stable F-­actin prior to dendritic spine destabilization. Using well-­defined Arg or  cortactin mutants, I will perform knockdown/complementation and confocal microscopy in cultured hippocampal  neurons to determine how disruptions of Arp2/3 complex regulation affect spine dynamic behavior and stability.  I will use GFP-­actin fluorescent recovery after photobleaching (FRAP), employing the approaches used by my  collaborator, with the same mutant cohort to determine how these proteins impact spine stability via control of  the stable and dynamic actin pools.