Neuronal protein GAP-43 in early mouse embryos

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

BACKGROUND: GAP-43 (growth-associated protein 43) is a specific neuronal protein of vertebrates, which is predominantly localized at the plasma membrane of axon terminals. GAP-43 plays an important role in axon growth cone guidance, neuroregeneration and synaptic plasticity. We have recently shown that GAP-43 is also present in mouse oocytes and zygotes, where the protein exhibits cytoplasmic localization, which presumably results from peculiar GAP-43 expression and modifications in these cells.

AIM: The aim of the research was to study GAP-43 localization in early (preimplantation) mouse embryos, from zygote to blastocyst stage.

MATERIALS AND METHODS: C57BL/CBA F1 hybrid mice were used in the work. Oocytes and zygotes were obtained by hormonal stimulation of female mice. For immunocytochemical staining of oocytes and early embryos, primary polyclonal antibodies to GAP-43 and Ser41-phosphorylated GAP-43 were used.

RESULTS: The intracellular distribution of GAP-43 protein in mouse oocytes (at the metaphase II stage) and early embryos — from the unicellular stage (zygote) to the blastocyst stage — was studied by immunocytochemical assay. In oocytes, there is a uniform distribution of protein throughout the cytoplasm with the highest intensity of staining in the meiotic spindle region. In early embryos, GAP-43 is present in the nuclei and cytoplasm. The relative amount of GAP-43 in the nucleus and cytoplasm varies depending on the stage of embryo development and the cell cycle phase of blastomeres. The phosphorylation of GAP-43 at Ser41 residue, which is characteristic of neurons, is also observed in the nuclei and cytoplasm of early embryo cells. At blastocyst stage, the high expression of GAP-43 is preserved only in the pluripotent cells of the inner cell mass.

CONCLUSIONS: For the first time, we have demonstrated the presence of GAP-43 protein in early mouse embryos. The significant difference between GAP-43 localization in neurons (plasma membrane) and early embryo cells (cytoplasm and nucleus) was revealed. The results suggest a specific role of GAP-43 in toti- and pluripotent cells of early embryos.

About the authors

Faina M. Zakharova

Institute of Experimental Medicine; Saint Petersburg State University

Author for correspondence.
Email: fzakharova@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-9558-3979
SPIN-code: 9699-5744

Cand. Sci. (Biology), Senior Research Associate at the Department of Molecular Genetics, Senior Lecturer at the Department of Embryology

 

Russian Federation, Saint Petersburg; Saint Petersburg

Nadezhda A. Yagovkina

Saint Petersburg State University

Email: st110082@student.spbu.ru
ORCID iD: 0009-0002-3090-9621

2nd year graduate student of Faculty of Biology, Departments of Embryology

Russian Federation, Saint Petersburg

Vladislav V. Zakharov

Institute of Macromolecular Compounds of the Russian Academy of Sciences

Email: vlad.v.zakharov@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7871-632X
SPIN-code: 1203-0639

Cand. Sci. (Biology), Research Associate at the Laboratory No. 5 (natural polymers)

Russian Federation, Saint Petersburg

References

  1. Oestreicher AB, De Graan PN, Gispen WH, et al. B-50, the growth associated protein-43: Modulation of cell morphology and communication in the nervous system. Prog Neurobiol. 1997;53(6):627–686. doi: 10.1016/s0301-0082(97)00043-9
  2. Mosevitsky MI. Nerve ending “signal” proteins GAP-43, MARCKS, and BASP1. Int Rev Cytol. 2005;245:245–325. doi: 10.1016/s0074-7696(05)45007-x
  3. Denny JB. Molecular mechanisms, biological actions, and neuropharmacology of the growth-associated protein GAP-43. Curr Neuropharmacol. 2006;4:293–304. doi: 10.2174/157015906778520782
  4. Benowitz LI, Routtenberg A. GAP-43: An intrinsic determinant of neuronal development and plasticity. Trends Neurosci. 1997;20(2):84–91. doi: 10.1016/s0166-2236(96)10072-2
  5. Aarts LHJ, Schotman P, Verhaagen J, et al. The role of the neural growth associated protein B-50/GAP-43 in morphogenesis. Adv Exp Med Biol. 1998;446:85–106. doi: 10.1007/978-1-4615-4869-0_6
  6. Caroni P. Neuro-regeneration: plasticity for repair and adaptation. Essays Biochem. 1998;33:53–64. doi: 10.1042/bse0330053
  7. Holahan MR, Honegger KS, Tabatadze N, Routtenberg A. GAP-43 gene expression regulates information storage. Learn Mem. 2007;14(6):407–415. doi: 10.1101/lm.581907
  8. Holahan M. A shift from a pivotal to supporting role for the Growth-Associated Protein (GAP-43) in the coordination of axonal structural and functional plasticity. Front Cell Neurosci. 2017;11:266. doi: 10.3389/fncel.2017.00266
  9. Chung D, Shum A, Caraveo G. GAP-43 and BASP1 in axon regeneration: implications for the treatment of neurodegenerative diseases. Front Cell Dev Biol. 2020;8:567537. doi: 10.3389/fcell.2020.567537
  10. Caroni P. New EMBO members’ review: actin cytoskeleton regulation through modulation of PI(4,5)P(2) rafts. EMBO J. 2001;20(16):4332–4336. doi: 10.1093/emboj/20.16.4332
  11. Tong J, Nguyen L, Vidal A, et al. Role of GAP-43 in sequestering phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate to raft bilayers. Biophys J. 2008;94(1):125–133. doi: 10.1529/biophysj.107.110536
  12. Zakharov VV, Mosevitsky MI. Oligomeric structure of brain abundant proteins GAP-43 and BASP1. J Struct Biol. 2010;170(3):470–483. doi: 10.1016/j.jsb.2010.01.010
  13. Forsova OS, Zakharov VV. High-order oligomers of intrinsically disordered brain proteins BASP1 and GAP-43 preserve the structural disorder. FEBS J. 2016;283(8):1550–1569. doi: 10.1111/febs.13692
  14. Yang Y, Shi W, Li C, et al. Growth associated protein 43 deficiency promotes podocyte injury by activating the calmodulin/calcineurin pathway under hyperglycemia. Biochem Biophys Res Commun. 2023;656:104–114. doi: 10.1016/j.bbrc.2023.02.069
  15. Moradi F, Copeland EN, Baranowski RW, et al. Calmodulin-binding proteins in muscle: a minireview on nuclear receptor interacting protein, neurogranin, and growth-associated protein 43. Int J Mol Sci. 2020;21(3):1016. doi: 10.3390/ijms21031016
  16. Zheng С, Quan R-D, Wu C-Y, et al. Growth-associated protein 43 promotes thyroid cancer cell lines progression via epithelial-mesenchymal transition. J Cell Mol Med. 2019;23(12):7974–7984. doi: 10.1111/jcmm.14460
  17. Zakharova FM, Zakharov VV. Identification of brain proteins BASP1 and GAP-43 in mouse oocytes and zygotes. Russian Journal of Developmental Biology. 2017;48(3):159–168. EDN: XMPBKH doi: 10.1134/S1062360417030110
  18. Esdar C, Oehrlein SA, Reinhardt S, et al. The protein kinase C (PKC) substrate GAP-43 is already expressed in neural precursor cells, colocalizes with PKCeta and binds calmodulin. Eur J Neurosci. 1999;11(2):503–516. doi: 10.1046/j.1460-9568.1999.00455.x
  19. Mishra R, Gupta SK, Meiri KF, et al. GAP-43 is key to mitotic spindle control and centrosome-based polarization in neurons. Cell Cycle. 2008;7(3):348–357. doi: 10.4161/cc.7.3.5235
  20. Skene JH, Virag I. Posttranslational membrane attachment and dynamic fatty acylation of a neuronal growth cone protein, GAP-43. J Cell Biol. 1989;108(2):613–624. doi: 10.1083/jcb.108.2.613
  21. Liu Y, Fisher DA, Storm DR. Intracellular sorting of neuromodulin (GAP-43) mutants modified in the membrane targeting domain. J Neurosci. 1994;14(10):5807–5817. doi: 10.1523/jneurosci.14-10-05807.1994
  22. Horton P, Nakai K. Better prediction of protein cellular localization sites with the k nearest neighbors classifier. Proc Int Conf Intell Syst Mol Biol. 1997;5:147–152.
  23. Mooney C, Wang Y-H, Pollastri G. SCLpred: protein subcellular localization prediction by N-to-1 neural networks. Bioinformatics. 2011;27(20):2812–2819. doi: 10.1093/bioinformatics/btr494
  24. Garg А, Raghava GPS. ESLpred2: improved method for predicting subcellular localization of eukaryotic proteins. BMC Bioinformatics. 2008;9:503. doi: 10.1186/1471-2105-9-503
  25. Yu CS, Chen YC, Lu CH, Hwang JK. Prediction of protein subcellular localization. Proteins. 2006;64(3):643–651. doi: 10.1002/prot.21018
  26. Blum T, Briesemeister S, Kohlbacher O. MultiLoc2: integrating phylogeny and gene ontology terms improves subcellular protein localization prediction. BMC Bioinformatics. 2009;10:274. doi: 10.1186/1471-2105-10-274
  27. Savojardo C, Martelli PL, Fariselli P, et al. BUSCA: an integrative web server to predict subcellular localization of proteins. Nucleic Acids Res. 2018;46(W1):W459–W466. doi: 10.1093/nar/gky320
  28. Kosugi S, Hasebe M, Tomita M, Yanagawa H. Systematic identification of yeast cell cycle-dependent nucleocytoplasmic shuttling proteins by prediction of composite motifs. Proc Natl Acad Sci. 2009;106(25):10171–10176. doi: 10.1073/pnas.0900604106
  29. Nguyen Ba AN, Pogoutse A, Provart N, Moses AM. NLStradamus: a simple Hidden Markov model for nuclear localization signal prediction. BMC Bioinformatics. 2009;10:202. doi: 10.1186/1471-2105-10-202
  30. Carpenter B, Hill KJ, Charalambous M, et al. BASP1 is a transcriptional cosuppressor for the Wilms’ tumor suppressor protein WT1. J Mol Cell Biol. 2004;24(2):537–549. doi: 10.1128/MCB.24.2.537–549.2004
  31. Rohrbach TD, Shah N, Jackson WP, et al. The effector domain of MARCKS is a nuclear localization signal that regulates cellular PIP2 levels and nuclear PIP2 localization. PLoS One. 2015;10(10):e0140870. doi: 10.1371/journal.pone.0140870
  32. Marino M, Hiroaki T, Yuki N, et al. Totipotency of mouse zygotes extends to single blastomeres of embryos at the four-cell stage. Sci Rep. 2021;11(1):11167. doi: 10.1038/s41598-021-90653-1
  33. Zhao J-С, Zhang L-Х, Zhang Y, Shen YF. The differential regulation of Gap43 gene in the neuronal differentiation of P19 cells. J Cell Physiol. 2012;227(6):2645–2653. doi: 10.1002/jcp.23006
  34. Zhao P, Schulz TC, Sherrer ES, et al. The human embryonic stem cell proteome revealed by multidimensional fractionation followed by tandem mass spectrometry. Proteomics. 2015;15(2-3):554–566. doi: 10.1002/pmic.201400132

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Localization of GAP-43 protein in the oocyte and early mouse embryos: a — metaphase II oocyte (the arrow indicates the position of the metaphase spindle); b — zygote at the interphase stage (pb — the second polar body); c — embryo at the stage of two blastomeres; d — embryo at the stage of four blastomeres. DIC — differential interference contrast, DAPI — DNA, AB5312 — anti-GAP-43 antibodies, Merge — combination of DAPI and AB5312 channels

Download (445KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Localization of GAP-43 protein in early mouse embryos: a — morula of eight blastomeres, b — late morula, c — early blastocyst, d — blastocyst at the hatching stage (ICM — inner cell mass, tb — trophoblast cells). DIC — differential interference contrast, DAPI — DNA, AB5312 — anti-GAP-43 antibodies, Merge — combination of DAPI and AB5312 channels

Download (460KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Localization of Ser41-phosphorylated GAP-43 protein in morula. DIC — differential interference contrast, DAPI — DNA, AB5401 — anti-pSer41-GAP-43 antibodies, Merge — combination of DAPI and AB5401 channels

Download (111KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Eco-Vector



Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».