On the lipid mediated regulation of the cell adhesion protein vinculin

Cellular events such as embryogenesis and tissue formation require directed cell adhesion and migration. Focal adhesions are the major cell-matrix connections that link the extracellular matrix glycoproteins to the actin cytoskeleton via the transmembrane receptors integrins. The cytoplasmic domain of integrins interacts with several cytoskeletal and regulatory proteins that are involved in the assembly of the adhesion complex and help in the functional regulation of the adhesion dynamics. In these adhesion complexes, vinculin acts as a molecular scaffold since it interacts with numerous ligands and serves as a connecting link between the membrane and the actin cytoskeleton. Acidic phospholipids like PIP2 are known to structurally and functionally modulate vinculin. This work aimed at the analysis of acidic phospholipid mediated regulation of vinculin at the adhesion sites. Design and construction of a lipid binding deficient mutant vinculin-LD allowed to characterize the mode of regulation of vinculin at the focal adhesions. Biochemical analyses showed that vinculin-LD failed to co-sediment with lipid vesicles while leaving its interaction with important ligands like actin and the vinculin head (Vh) intact. Cell biological analyses of vinculin-LD proved that the lipid binding is not required for the focal adhesion targeting as previously suggested. Analysis of the incorporation rates of this mutant by fluorescent recovery after photobleaching (FRAP) also indicated that the vinculin recruitment to focal adhesions is normal. However, cells expressing vinculin-LD had a serious delay in cell adhesion and spreading and the motility was grossly impaired on various extracellular matrices. Thus, PIP2 interaction with vinculin is not essential for its adhesion localization but vinculin acts as a lipid sensor greatly influencing the adhesion site dynamics mediated through PIP2.Für die Anheftung von Zellen an die zugrundeliegende Matrix sowie für die Migration, bspw. während der Embryogenese oder bei der Gewebebildung, ist die Ausbildung von sog. Fokalkontakten von großer Bedeutung. Dabei werden die Glycoproteine der extrazellulären Matrix über den Transmembranrezeptor Integrin mit dem Aktin Zytoskelett verbunden. Die zytoplasmatische Domäne des Integrins interagiert mit verschiedenen Zytoskelett- und Regulatorproteinen, die an der Assemblierung des Adhäsionskomplexes und/oder der funktionalen Regulation der Adhäsionsdynamik beteiligt sind. In diesen Adhäsionskomplexen übernimmt Vinculin die Rolle eines molekularen Gerüsts, das mit vielen Liganden interagiert und die Membran mit dem Aktin Zytoskelett verbindet. Saure Phospholipide wie PIP2 tragen außerdem zur strukturellen und funktionellen Modulation von Vinculin bei. Diese Arbeit untersucht die Rolle der sauren Phospholipide bei der Regulation von Vinculin an den Fokalkontakten. Eine nähere Charakterisierung erfolgte nach Design und Konstruktion einer Lipidbindungs-defizienten Mutante, Vinculin-LD. Biochemische Analysen zeigen, dass Vinculin-LD nicht mit Lipid Vesikeln kosedimentiert, die Interaktionen mit wichtigen Liganden wie Aktin oder Vinculin Kopf (Vh) jedoch intakt sind. Zellbiologische Untersuchungen mit Vinculin-LD zeigen, dass die Lipidbindung nicht, wie vermutet, maßgeblich für die Rekrutierung in Fokalkontakte ist. Eine Analyse der Einbauraten der Vinculin-LD Mutante mittels Fluorescence-Recovery after Photobleaching (FRAP) deutet auf eine normale Rekrutierung von Vinculin zu den Fokaladhäsionen hin. Zellen, die Vinculin-LD rekrutierten, zeigen jedoch eine Verzögerung bei der Zelladhäsion, der Ausbreitung und in ihrer Beweglichkeit auf diversen extrazellulären Matrices.PIP2 ist nicht essentiell für die Lokalisierung von Vinculin in Fokalkontakte. Vinculin fungiert als Lipid-Sensor, der die PIP2 abhängige Dynamik der Adhäsionskontakte stark beeinflusst