+ All Categories
Home > Documents > MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ...

MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ...

Date post: 26-Jan-2020
Category:
Upload: others
View: 11 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
30
MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů Dishevelled – functional and molecular analysis HABILITAČNÍ PRÁCE Obor: Fyziologie živočichů BRNO 2014 VÍTĚZSLAV BRYJA
Transcript
Page 1: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

MASARYKOVA UNIVERZITA

PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA

Ústav experimentální biologie

Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Dishevelled – functional and molecular analysis

HABILITAČNÍ PRÁCE Obor: Fyziologie živočichů

BRNO 2014 VÍTĚZSLAV BRYJA

Page 2: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

 

Page 3: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

 

ToLenkaandMax5.

Page 4: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

 

Page 5: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

 

AtthisplaceIwouldliketothanktoallpeoplewhomadethishabilitationthesispossible.TheseincludeErnestArenas,mypostdocsupervisorwhointroducedmetothefieldofWntsignaling,mycolleaguesandfellowsbothinSwedenandinBrno,mycollaboratorsfromallaroundtheworld,MasarykUniversity,whichprovidedmewiththeenvironmentrequiredformyprofessionalgrowthandmyformerandcurrentstudentsandpostdocs,whoformedan efficient bryjalab team. Further Iwant to thank Bára Valnohová for helpwith theformalpartsof the thesisandOndraBernatíkand IgorGreif forassistancewith figures.ThisworkwouldnotbepossiblewithoutacontinuoussupportfrommywifeLenkaandthewholefamily.

Page 6: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

 

Page 7: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

TABLE OF CONTENTS 

 

Abstract .............................................................................................................................. 2 

Abstrakt .............................................................................................................................. 2 

1. Background of the thesis – Wnt signaling pathway ......................................................... 3 

2. Dishevelled ..................................................................................................................... 4 

2.1. STRUCTURE OF DVL……………………………………………………………………………………………………...........5 

2.2. DVL‐ASSOCIATED KINASES AND CONSEQUENCES OF DVL PHOSPHORYLATIONS…………………………………….7 

2.3. REGULATION OF DVL BY UBIQUITINATION………………………………………………………………………………..10 

2.4. DVL IN THE WNT/Β‐CATENIN AND WNT/PCP PATHWAY – KEY POINTS…………………………………………..12 

3. Future directions ........................................................................................................... 14 

4. References .................................................................................................................... 16 

5. List of primary research articles representing author´s contribution to the understanding 

of Dvl function in the Wnt pathways (attachments) .......................................................... 23 

  

    

Page 8: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  2

Abstract 

Wnt signaling pathway is a crucial language for intercellular communication between cells in 

the multicellular organisms. Wnt signaling mediates a relay of  information between closely 

adjacent cells or conversely, Wnt  ligands can  form morphogenic gradients and as such act 

over  longer distances. Dysfunction or deregulation of Wnt signaling accounts for a number 

of developmental defects, inherited diseases and many types of cancer. Dishevelled (Dvl) is a 

key cytoplasmic protein  required  for signal  transduction  in  two main branches of  the Wnt 

signaling  ‐ Wnt/β‐catenin pathway and non‐canonical Wnt pathway. Dvl mediates  contact 

between Wnt receptors and cytoplasmic effectors. As such Dvl was shown to  interact with 

many  other  proteins  including  Wnt  pathway  receptors,  cytoplasmic  components  and 

proteins  connected  with  other  signaling  pathways.  Following  ligand  stimulation  Dvl  gets 

phosphorylated and contributes to the full activation of receptor complexes.  Dvl is probably 

also  the  last common point between Wnt/β‐catenin and non‐canonical Wnt pathways and 

Dvl proteins have the capacity to act as a switch between these Wnt pathways. This thesis 

summarizes briefly our current understanding of Dvl biochemistry and biology and specifies 

the contribution of the author to this topic. 

 

Abstrakt 

Signální  dráha  Wnt  je  základní  jazyk  sloužící  ke  komunikaci  mezi  buňkami  v kontextu 

mnohobuněčného organismu. Wnt signalizace zprostředkovává přenos informací mezi těsně 

sousedícími buňkami buněk nebo může naopak vytvářet morfogenní gradienty a působit na 

delší vzdálenosti. Dysfunkce nebo deregulace Wnt signalizace vede k  řadě vývojových vad, 

dědičných  chorob  a  mnoha  typům  nádorů.  Protein  Dishevelled  (Dvl),  je  klíčový 

cytoplazmatický  protein  potřebný  pro  přenos  signálu  ve  dvou  hlavních  větvích  signalizace 

Wnt – ve Wnt/β‐kateninové dráze a v nekanonické Wnt dráze. Dvl zprostředkovává kontakt 

mezi  Wnt  receptory  a  cytoplazmatickými  efektory.  Jako  takový  Dvl  interaguje  s  mnoha 

dalšími proteiny jako jsou Wnt receptory, cytoplazmatické komponenty Wnt dráhy proteiny 

spojenými s jinými signálními drahami. Po stimulaci ligandem je Dvl fosforylován a přispívá k 

úplné aktivaci  receptorových komplexů. Dvl  je pravděpodobně  také poslední společný bod 

mezi  Wnt/β‐kateninovou  a  nekanonickou  Wnt  drahou  a  Dvl  proteiny  mají  schopnost 

fungovat  jako přepínač mezi  jednotlivými  větvemi Wnt dráhy.  Tato práce  stručně  shrnuje 

naše současné poznání biochemie a biologie Dvl a definuje přínos autora k tomuto tématu. 

   

Page 9: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  3

1. Background of the thesis – Wnt signaling pathway 

The  behavior  of  each  cell  in  the  complex  environment  of  the  human  body  is 

controlled by  the extracellular  factors, which  are  secreted  in  a  time‐  and  space‐restricted 

manner by other cells  in the organism. These extracellular  factors drive cell  fate decisions, 

differentiation and migration, and ultimately shape the whole embryo during development 

and control homeostasis in the adult. The major such pathway is the Wnt signaling pathway. 

Wnt signaling mediates a relay of information between closely adjacent cells or conversely, 

Wnt  ligands  can  form  morphogenic  gradients  and  as  such  act  over  longer  distances. 

Dysfunction  or  deregulation  of  Wnt  signaling  accounts  for  a  number  of  developmental 

defects, inherited diseases and many types of cancer (Clevers, 2006).  

Several  “branches”  of  the  Wnt  pathway  (Fig.  1)  are  crucial  for  cell‐to‐cell 

communication,  differentiation  and morphogenesis  in  embryonic  development.  The  best 

studied Wnt/β‐catenin pathway, also known as “canonical” pathway, depends on β‐catenin 

and  members  of  the  LEF/TCF  (lymphoid  enhancer‐binding  factor/T‐cell  factor)  family  of 

transcriptional  factors  (further  referred  to  as  TCFs).  In  the  absence  of  Wnt  ligand,  the 

intracellular  level  of  free  β‐catenin  is  constantly  low  due  to  the  activity  of  a  degradation 

complex  composed  of  adenomatous  polypolis  coli  (Apc),  Axin  and  two  serine/threonine 

kinases ‐ glycogen synthase kinase (GSK) 3β and casein kinase (CK) 1α. β‐Catenin recruited to 

the destruction complex gets phosphorylated and subsequently degraded by the ubiquitin‐

proteasome mechanism. The  signaling  is  initiated by  interaction of Wnt proteins with  the 

seven‐span  transmembrane  receptor of  the  Frizzled  (Fz)  family  and with  the  co‐receptors 

LRP5 and LRP6. Wnt binding to the receptor complex leads to the membrane sequestration 

of  Axin  followed  by  disruption  of  the  β‐catenin  degradation  complex.  Subsequently,  β‐

catenin accumulates in the cytoplasm and in the nucleus, where it associates with TCFs and 

drives  expression  of  Wnt‐responsive  genes  such  as  c‐myc  or  Cyclin  D1.  Excessive  Wnt 

signaling can cause the onset of diseases, particularly cancer. Conversely,  low  levels of the 

Wnt/β‐catenin signaling activity underlie tissue degenerative conditions (Angers and Moon, 

2009). 

However, Wnts  can  activate other,  so  called non‐canonical Wnt pathways, which 

are ‐catenin‐independent and biochemically distinct from canonical Wnt signaling. Recent 

evidence suggests that several such pathways exist (for complete overview see (Semenov, et 

al,  2007)).  Among  those,  the  best  known  appears  to  be  the  pathway  that  acts  via  small 

GTPases  Rac1  and  RhoA  and  regulates  planar  cell  polarity  (PCP). Wnt/PCP  pathway was 

originally  described  in  Drosophila  (Seifert  and  Mlodzik,  2007).  Vertebrate  homologs  of 

Drosophila PCP proteins are well conserved and have been  implicated  in several vertebrate 

processes such as convergent extension movements during gastrulation, in neurulation and 

in  the  regulation of  the polarity of hairy  cells  in  the  inner ear  (Seifert and Mlodzik, 2007; 

Torban, et al, 2004). Apart from the Wnt/PCP pathway several other Wnt‐related signaling 

mechanisms have been defined. These  include  the Wnt/Ca2+ pathway  that  is mediated by 

trimeric G‐proteins  (Kuhl,  2004)  or  the Wnt/Ryk  pathway  involved  in  the  axon  guidance. 

Page 10: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  4

Finally, Wnts  can  signal via  the atypical  receptor  tyrosine kinases Ror1/2  (Semenov, et al, 

2007; Schambony and Wedlich, 2007). 

 

All  known  Wnt‐induced  pathways  are  transduced  via  seven  transmembrane 

receptors  Frizzleds  (Fzd)  and  via  phosphoprotein  dishevelled  (Dvl).  There  is  a  general 

agreement based on genetic experiments that Dvl plays a crucial role as a signaling hub both 

in Wnt/‐catenin and Wnt/PCP pathways (Wallingford and Habas, 2005). It is intriguing that 

despite well documented importance of Dvl in the Wnt signaling, the molecular mechanisms 

activating  Dvl  in  response  to  Wnt  and  molecular  mechanisms  used  by  Dvl  to  activate 

signaling cascades downstream are almost unknown.  

 

2. Dishevelled 

Dishevelled (Dvl) is a cytoplasmic phosphoprotein required for signal transduction in 

the Wnt /β‐catenin pathway and in the non‐canonical Wnt pathways. Dvl was named based 

on  the phenotype of  the Drosophila mutant with  the defects  in planar  cell polarity  (PCP) 

manifested by disoriented body and wing hairs (Fahmy and Fahmy, 1959). Later on Dvl was 

identified  as  a  component  of  Wnt/β‐catenin  pathway  influencing  segment  polarity  of 

Drosophila larvae (Klingensmith, et al, 1994; Krasnow, et al, 1995; Noordermeer, et al, 1994; 

Theisen, et al, 1994). Already these early genetic experiments in flies demonstrated the dual 

role of Dvl. 

Figure 1: The Wnt signaling pathways

Page 11: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  5

There  is only one Dvl gene  in Drosophila,  in contrast to three genes (Dvl1, Dvl2 and 

Dvl3)  in vertebrate genomes  (Klingensmith, et al, 1996; Sussman, et al, 1994; Tsang, et al, 

1996). Dvl protein sequence similarity  is around 50% between Drosophila and mouse Dvls, 

consistent with the conserved function between species. The identity of the three mouse Dvl 

proteins  is around 60%   and Dvl  transgene  rescue experiments  in knock‐out mice  suggest 

that  individual  Dvls  are  largely  redundant  in  vivo  (Etheridge,  et  al,  2008)  although  the 

phenotypes  of  individual  Dvl  knockouts  differ.  Dvl1‐/‐ mice  were  viable  with  no  obvious 

developmental malformations but showed social deficits due to impaired synaptic assembly, 

neurotransmiter  release and dendritic branching  (Ahmad‐Annuar, et al, 2006; Lijam, et al, 

1997; Rosso, et al, 2005). Phenotypes of Dvl2‐/‐ and Dvl3‐/‐ mouse were much more severe 

and included perinatal lethality, abnormal cardiac morphogenesis due to neural crest defects 

and skeletal malformations as a result of improper somite formation (Etheridge, et al, 2008; 

Hamblet, et al, 2002; Kioussi, et al, 2002). The phenotypes typically associated with the PCP 

defects such as craniorachischisis and defects in the organ of Corti were observed frequently 

in compound mutants of two Dvl isoforms (the most severe in Dvl2‐/‐;Dvl3‐/‐ mice) (Etheridge, 

et al, 2008).  Interestingly, double Dvl mutants  lacked phenotypes  typically associated with 

the Wnt/β‐catenin pathway defects and did not show global changes  in the TCF/LEF‐driven 

transcription (Etheridge, et al, 2008), which suggests that even  low  levels of the remaining 

single  Dvl  isoform  are  capable  to  mediate  physiological  Wnt/β‐catenin  signaling  during 

development. 

 

2.1. Structure of Dvl 

Dvl is a modular protein that contains three well defined structural domains linked 

by the intrinsically disordered regions, which are predicted to have no secondary structure. 

N  terminal DIX  (Dishevelled, Axin;  aminoacids) domain  is  connected with  the  central PDZ 

(Postsynaptic density, Discs  large, Zonula occludens) domain by  the  serine  (Ser)/threonine 

(Thr)‐rich unstructured region with the conserved stretch of basic aminoacids  (S/T region). 

PDZ domain and the C‐terminal DEP domain (Dvl, Egl‐10, Pleckstrin) are linked by the region 

enriched  in  proline  (Pro‐rich  region).  C‐terminus  is  formed  by  relatively  large  but  poorly 

conserved disordered region (Fig. 2). Rescue analysis using Dvl deletion mutants suggested 

that DIX and PDZ domains are necessary for Wnt/β‐catenin pathway, whereas PDZ and DEP 

domains are required for Wnt/PCP pathway (Axelrod, et al, 1998; Boutros, et al, 1998).  

Individual  domains  have  been  crystalized  and  share  interesting  functional  and 

structural features, which are summarized below: 

a) DIX domain (Fig. 2B): Mutational studies of Dvl2 DIX domain and modeling based on the 

crystal  structure of  the Axin DIX domain  (Schwarz‐Romond, et al, 2007) have convincingly 

demonstrated that the key feature of DIX domain is its ability to form head‐to‐tail polymers. 

DIX domain mutants  that  lack  the ability  to polymerize were unable  to  form Dvl polymers 

visible as cytoplasmatic Dvl punctae (when overexpressed) and were inactive in the Wnt/β‐

catenin  pathway  (Schwarz‐Romond,  et  al,  2007).  It  has  been  proposed  that  DIX‐domain 

Page 12: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  6

mediated Dvl polymers are a physical platform for the complexes of Dvl and other signaling 

components, called signalosomes, required for Lrp6 phosphorylation (Bilic, et al, 2007). The 

requirement  of DIX  domain  for  the  phosphorylation  of  Lrp6  and  its  capacity  to  dimerize 

seems to be the molecular reason for the absolute requirement of DIX domain in the Wnt/β‐

catenin signaling.  

b) PDZ domain (Fig. 2C): PDZ domain is commonly found in various proteins, where it serves 

as  a  universal  interaction  and  docking  platform. Dvl  PDZ  domain  seems  to  be  inherently 

more  flexible  than PDZ domains  found  in other proteins  (Zhang, et al, 2009). PDZ domain 

functions as an important scaffolding region of Dvl protein and it was shown to be required 

for  the  interaction with many Dvl binding partners  (for  review  see Gao  and Chen, 2010). 

Figure 2: Schematic representation of Dvl structure. 

A. Aminoacid (aa) sequence identity (%) based on alignment of Drosophila Dsh, and mouse (m) and human (h)Dvl  isoforms 1,2 and 3). Positions of aa bordering  individual  regions  is based on hDvl3. 3D models of individual domains  (hDvl3)  are provided either  as  ribbon models  (i) or  surface models  (ii). Electrostatic surface charge is depicted as negative in red and positive in blue. 

B. DIX domain:  (i) Residues mutated  in Dvl polymerization mutants  corresponding  to F43S, V67A/K68A, and  Y27D  in mDvl2  are  depicted  in  orange  (Schwarz‐Romond,  et  al,  2007).  (ii). Regions  of DIX  domain required for head to tail polymerization are marked by arrows. 

C. PDZ domain: (i) α‐helix and β‐sheet forming the Fzd binding groove are indicated in green (Wong, et al, 2003). (ii) Fzd binding groove is indicated by a green line. 

D. DEP domain: (i, ii) Residues and surface required for membrane binding are indicated in yellow (Simons, et al, 2009) and  residues  required  for Fzd binding are  shown  in blue  (Tauriello, et al, 2012). Position of K435 corresponding to K417 mutated in Drosophila Dsh1 mutation (Axelrod, et al, 1998) is indicated. (i‘,ii’): Residues (S464, T480, T485, S487, Y491, Y492) phosphorylated following Fzd overexpression (Yanfeng, et al, 2011) are indicated in red (i’). (ii’) Phosphomimicking mutations of these residues change electrostatic surface potential and disrupt  the positive charge of  the membrane binding  region. Please note also  the change caused by the mutation K435M (Dsh1, arrow). (from Bryja and Bernatik, 2014) 

Page 13: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  7

Despite PDZ domain of Dvl has been  implicated  in many protein‐protein  interactions, not 

much  is  known  about  the  molecular  details  and  the  significance  of  the  individual 

interactions. Notable exception is the NMR characterization of the interaction between PDZ 

domain  (mDvl1)  and  internal  PDZ‐binding motif  of  FZD7  (Wong,  et  al,  2003).  The  same 

binding cleft  is bound by natural Wnt pathway  inhibitors such as proteins from Dact family 

(homologues  of  fly  Dapper/Frodo)  (Wong,  et  al,  2003)  and  serves  also  as  a  target  for 

development of novel drugs targeting FZD‐Dvl interaction (Shan, et al, 2012).  

c) DEP domain (Fig. 2D): DEP domain of Dvl  is responsible for the recruitment of Dvl to the 

membrane and for the signal transduction in the non‐canonical Wnt/PCP pathway (Axelrod, 

et al, 1998; Boutros, et al, 1998). The crystal structure of  the DEP domain of Dvl  is known 

(Wong, et al, 2000). Positively charged region of Dvl DEP domain is essential for the binding 

to  the  negatively  charged  lipids  in  the  plasma membrane  and mutation  of  the  positively 

charged  residues  abolished  recruitment  of  Dvl  to  plasma  membrane  and  caused  PCP 

phenotypes  in Drosophila  (Simons,  et al, 2009).  It was proposed  that  ion pumps  (such  as 

Nhe2, Na+/H+  exchanger)  in  the plasma membrane  control Dvl membrane  recruitment by 

regulating  local  pH  (Simons,  et  al,  2009).  It  should  be  however  noted  that  Fzd‐induced 

phosphorylation  within  the  DEP  domain  (Yanfeng,  et  al,  2011),  which  also  changes  the 

charge  of  the  surface‐interacting  region  from  positive  to  negative,  may  have  similar 

consequences  (see model  in  Fig.  2Di´).  Furthermore,  it was  recently  proposed  that  DEP 

domain of Dvl is the second interaction interface (in addition to the PDZ domain) mediating 

interaction with FZD (Tauriello, et al, 2012). Last but not  least, currently there are only two 

known point mutations which completely disrupt PCP signaling. Both mutations  in the fully 

conserved Lys (Dsh1 mutant K417M Drosophila Dvl) and Tyr (Y473A) are in the DEP domain.  

2.2. Dvl‐associated kinases and consequences of Dvl phosphorylations 

Dvl  is  a  dynamically  phosphorylated  protein.  Precise  mapping  and  functional 

analysis of Dvl phosphorylation sites  is complicated by the fact, that approximately 15‐20% 

(depends on the  isoform) of Dvl  is composed by Ser, Thr or tyrosine  (Tyr). Treatment with 

both classes of Wnt ligands triggers phosphorylation‐dependent mobility shift of Dvl on SDS‐

PAGE  (phosphorylated and  shifted Dvl; PS‐Dvl)  (Bryja, et al, 2007; Gonzalez‐Sancho, et al, 

2004). Numerous studies have analyzed phosphorylation of Dvl by using various approaches. 

Comprehensive  summary  of  identified  Dvl  phosphorylations  and  their  known  function  is 

provided in Fig. 3 and in the text below. 

Among several Dvl kinases the best described and the first one to mention is casein 

kinase (CK) 1 δ/ε. CK1δ and CK1ε are redundant in most of their functions in Dvl biology, and 

in further text we will thus refer only to CK1ε. CK1ε is both required and sufficient for PS‐Dvl 

formation.  Following Wnt  stimulation CK1ε gets activated by a poorly  known mechanism, 

which requires dephosphorylation of the inhibitory residues in its C‐terminus (Swiatek, et al, 

2004)  and  cooperation  with  the  DDX3  protein  (Cruciat,  et  al,  2013).  CK1ε‐mediated 

phosphorylation of Dvl subsequently triggers  interaction of Dvl with endogenous Axin1 and 

Page 14: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  8

activates downstream Wnt/β‐catenin  signaling  (Bernatik,  et al,  2011; Kishida,  et al,  2001; 

Peters, et al, 1999). 

Apart  from  these  clearly  positive  effects,  CK1ε  dissolves  (and  CK1  inhibition 

promotes  formation  of) DIX‐domain  dependent Dvl  polymers, which  are  required  for  the 

phosphorylation of Lrp6 and downstream signaling (Bilic, et al, 2007; Bryja, et al, 2007; Cong, 

et al, 2004). We have shown that these opposing functions of CK1ε require distinct domains 

of Dvl – activation requires phosphorylation  in the PDZ domain (and  likely also elsewhere), 

whereas  inhibitory activity requires Dvl C‐terminus  (Bernatik, et al, 2011). Further detailed 

molecular  analysis  supports  the  view  that  CK1ε  acts  as  the  component  of  the  intrinsic 

negative  feedback  loop,  which  by  numerous  sequential  phosphorylations  activates  and 

subsequently  inactivates  Dvl  (Bernatik,  et  al,  2014).  It  seems  that  CK1ε  acts  as  (i)  the 

activator  of  downstream  Wnt/‐catenin  signaling  via  phosphorylation  of  distinct  S/T residues  (phosphorylation of S280/S311  in  the PDZ domain) as well as  (ii)  the  inactivating 

kinase affecting Dvl polymerization via phosphorylation of the residues in the C‐terminus of 

Dvl3 (Bernatik, et al, 2014).  

The negative role of Dvl C‐terminus in the Wnt/β‐catenin signaling was established 

by  our  earlier work. We  have  proposed  that  Dvl  C‐terminus  acts  as  the  CK1‐controlled negative  regulator  (Bernatik,  et  al,  2011; Witte,  et  al,  2010).  In  the most  recent  study 

(Bernatik,  et  al,  2014)  we  identified  specific  residues  phosphorylated  by  CK1ε  in  the  C‐

Figure 3: Phosphorylation of Dvl. Summary of Dvl posttranslational modifications mapped onto hDvl3. 

Position  of  detected  phosphorylations  ()  are  shown.  The  bottom  part  of  the  scheme  shows phosphorylation  known  from  the  literature,  the  upper  part  shows  CK1ε‐mediated  phosphorylation events discovered by our group. Color  coding  indicates  the phosphorylation dynamics.  Functionally relevant modifications are specified in detail. The figure is based on the following studies: 1 Klimowski, et al (2006), 2 Kikuchi, et al (2010), 3 Cong, et al (2004), 4 Yokoyama, et al (2012), 5 Singh, et al (2010), 6 Bernatik, et al (2014) 

Page 15: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  9

terminus  of Dvl3. We  demonstrate  that  these  residues  control  PS‐Dvl  formation  and  are 

critical  for CK1ε‐induced  changes  in Dvl3  subcellular  localization. Although  the C‐terminal 

residues are conserved only in Dvl3, multiple S/T residues are present also in the C‐terminal 

region  of  Dvl1  and  Dvl2.  This  opens  the  possibility  that  function  of  phosphorylated  C‐

terminus  is  conserved  despite  the  differences  in  the  primary  sequence.  This  possibility  is 

supported by  recent  findings by Gonzalez‐Sancho  and  colleagues  (Gonzalez‐Sancho,  et al, 

2013), which demonstrated that formation of PS‐Dvl2 and  its even  localization depends on 

other  residues of hDvl2 C‐terminus. The  residues are conserved  in Dvl3  (S578 and S581  in 

hDvl3) but were found constitutively phosphorylated in our study (Bernatik, et al, 2014). 

The  second  important kinase  is  casein kinase 2  (CK2), which was  identifed as  the 

first Dvl‐associated kinase during the search  for the kinase activity co‐immunoprecipitating 

with Dvl  (Lee, et al, 1999; Willert, et al, 1997). CK2  is not  structurally  related  to CK1 and 

functions  as  a  tetramer  with  2  catalytic  α  (or  α’)  and  2  regulatory  β  subunits.  When 

compared  to  dynamic  activation  of  CK1ε,  CK2  behaves  with  respect  to  Dvl  as  a  rather 

constitutive kinase, which  is not regulated by Wnt  ligands although CK2 activity  is required 

for  the  PS‐Dvl  activation  and  downstream  signaling  in  both Wnt/β‐catenin  and Wnt/PCP 

pathway (Bernatik, et al, 2011; Bryja, et al, 2008).  

Several other kinases were  shown  to bind and phosphorylate Dvl. However,  their 

role is according to the current knowledge restricted to specific model systems or limited to 

one  report  only.  These  kinases  include  (i)  PAR‐1  (in  Xenopus,  homologous  to 

MAP/microtubule  affinity‐regulating  kinase  (MARK)  family  of  kinases  in mammals), which 

were  shown  to  activate  canonical  Wnt  signaling  as  well  as  gastrulation  movements,  a 

process controlled by non‐canonical Wnt signaling (Kusakabe and Nishida, 2004; Ossipova, et 

al, 2005; Sun, et al, 2001),  (ii) metastasis associated kinase 1  (MAK1), homologous  to  the 

mammalian HUNK,  a member  of  sucrose  non  fermenting  related  kinase  1,  SNF1,  family) 

(Kibardin, et al, 2006), (iii) Polo‐like kinase (Plk1) a mitosis associated kinase, which via Dvl 

phosphorylation at T206 affects division plane during mitosis  (Kikuchi, et al, 2010) and  (iv) 

PKCδ regulating non‐canonical Wnt signaling (Chen, et al, 2003; Kinoshita, et al, 2003). The 

last  important kinase  is tyrosine kinase Abl,  identified  in the screen for molecules required 

for membrane localization of Dvl. Abl phosphorylated Dvl on several Tyr residues in the DEP 

domain,  and  it was  shown  that  both mutation  of  a  critical  Tyr  (Y473F)  or  Abl  depletion 

caused PCP phenotypes but not Wnt/β‐catenin phenotypes in Drosophila (Singh, et al, 2010). 

The  information about  the  function of Abl‐driven phosphorylation of Dvl  in  vertebrates  is 

missing.  

Recent  progress  in  proteomics  allowed  to  perform  comprehensive  studies 

attempting to describe complete Dvl phosphorylation pattern. So  far, two such studies are 

available  ‐  first  focused  on  the  identification  of  Dvl  phosphorylation  following  Frizzled 

overexpression  in  Drosophila model  (Yanfeng,  et  al,  2011),  the  second  (from  our  group) 

analyzed phosphorylation of Dvl3 induced by overexpression of the most relevant Dvl kinase 

– CK1ε (Bernatik, et al, 2014). Availability of these data allowed comparison of Fzd and CK1‐

Page 16: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  10

induced  phosphorylation  patterns.  When  we  mutated  CK1ε‐phosphorylated 

serines/threonines  to  alanines  in  the  Dvl3  C‐terminus,  we  observed  deficiency  in  CK1ε‐

induced mobility  shift  or  subcellular  localization  change. However,  Fzd5‐induced mobility 

shift or Fzd5‐induced  subcellular  localization  in  these Dvl3 mutants were  indistinguishable 

from  wild  type  Dvl3.  Moreover,  when  we  generated  and  implemented  anti‐pS643‐Dvl3 

phospho‐specific antibody (recognizing residues phosphorylated by CK1ε), it recognized only 

Dvl3 modified by CK1ε but not by Fzd5 overexpression. This data suggest to our surprise that 

CK1ε is not directly downstream of Fzd receptor but rather represents independent, possibly 

parallel, molecular mechanism of activation/de‐activation of Dvl (Bernatik, et al, 2014). 

 

2.3. Regulation of Dvl by ubiquitination  

Dvl  is  a  key protein, which  controls direction  and  amplitude of downstream Wnt 

signaling. As such Dvl  levels are tightly regulated. Several proteins, which differ both  in the 

route used  for Dvl degradation and  in  the ability  to  target  specific  subcellular pool of Dvl, 

were  shown  to  trigger  degradation  of  Dvl.  Dvl  is  degraded  both  via  proteasome  and 

lysosome/autophagy  pathway.  Lysosomal  pathway,  which  degrades  Dvl  mainly  in  the 

starved cells,  is dependent on Von Hippel‐Lindau protein (Gao, et al, 2010) and was shown 

to be promoted by the Wnt inhibitor Dapper (Zhang, et al, 2006).  

Proteosomal degradation of Dvl  is either unspecific  ‐  triggered by an E3 ubiquitin 

ligase NEDL1, associated with the amyotrophic lateral sclerosis (Miyazaki, et al, 2004) or by 

KLHL12, an adaptor protein  linking Dvl  to Cullin3 E3 ubiquitin  ligase  (Angers, et al, 2006). 

Complete degradation of Dvl then leads both to inhibition of Wnt/β‐catenin pathway, and to 

disruption of convergent extension controlled by non‐canonical Wnt pathway.  Alternatively, 

in  order  to  more  precisely  control  Dvl  function  there  are  mechanisms  that  control 

degradation of specific pools of Dvl. The examples include inversin (Invs), a protein mutated 

in the cystic renal disease nephronopthisis, which enhances degradation of cytoplasmic but 

not  membrane‐bound  Dvl  (Simons,  et  al,  2005),  myristoylated  Naked2,  which  on  the 

contrary  promotes  degradation  of Dvl  bound  to  the  cytoplasmatic membrane  (Hu,  et  al, 

2010), Rpgrip1l, which is essential for stabilization of Dvl at the base of cilium (Mahuzier, et 

al,  2012)  and  Itch,  HECT‐domain  containing  ubiquitin  ligase  that  specifically  promotes 

degradation of phosphorylated and activated PS‐Dvl (Wei, et al, 2012). Unique function was 

proposed  for  nucleoredoxin  (NXN), which  prevents  KLHL12‐mediated  degradation  of  the 

inactive Dvl pool (Funato, et al, 2010). 

Ubiquitination  does  not  only  target  proteins  for  degradation  but  it  also  has  a 

potential  to  regulate  the signaling abilities of modified protein by differential  linkages  (eg. 

via ubiquitin K63) of ubiquitin side chains (Chen and Sun, 2009). We have recently found that 

HECT domain E3  ligase Huwe1 promoted the  formation of K63‐linked poly‐ubiquitin chains 

on  lysine  residues within  the DIX domain of Dvl  (De Groot, et al, 2014). Huwe1 binds and 

ubiquitinates Dvl  in  a Wnt3a‐  and CK1‐dependent manner.  Importantly, K63‐linked poly‐

ubiquitination  of Dvl  does  not  target Dvl  for  degradation.  Instead, we  found  that Huwe1 

Page 17: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  11

inhibits  Dvl multimerization  via  ubiquitination  of  the  DIX  domain  and  acts  as  a  negative 

regulator of Wnt/β‐catenin signaling (De Groot, et al, 2014). 

Our data suggest that Huwe1‐mediated ubiquitination is dynamic and an enzymatic 

system removing K63‐linked ubiquitin chains from Dvl has to exist. In a recent report, the de‐

ubiquitinating (DUB) enzyme USP14 was  identified as a positive regulator of Wnt signaling. 

This fact makes USP14 a likely counterpart to the activity of Huwe1 on Dvl. USP14 interacts 

with  a  motif  in  the  carboxy‐terminus  of  Dvl  that  is  conserved  among  vertebrates. 

Interestingly, USP14 has been  shown  to  remove K63‐linked poly‐ubiquitin chains  from Dvl 

(Jung, et al, 2013) and to activate Wnt/β‐catenin signaling. The link to the Huwe1 mediated 

K63‐poly‐ubiquitin  chains  from  the DIX domain however  remains  to be established. Apart 

from USP14 another DUB ‐ the tumor suppresor CYLD ‐ was found to be the deubiquitination 

enzyme  capable  of  removal  of  K63‐linked  polyubiquitin  chains.  However,  CYLD 

downregulation  and  increased  level  of  K63‐Ubi‐modified  Dvl  leads  to  the  activation  of 

Wnt/β‐catenin  pathway  (Tauriello,  et  al,  2010)  and  it  is  thus  likely  that  CYLD  is  not  the 

functional  counterpart of Huwe1.  It  rather  seems  that CYLD acts  together with Dvl  in  the 

processes not directly  linked to the regulation of Wnt signaling pathway such as regulation 

of mitosis and cell cycle (Yang, et al, 2014). 

Our study and work of others  (summarized  in Fig. 4)  illustrated the  importance of 

ubiquitin mediated  regulation  of Dvl  signaling  in  the Wnt  pathway. However,  so  far  only 

Huwe1 described by us, represents Dvl ubiquitin  ligase or de‐ubiquitinating enzyme with a 

role  in  Wnt  signaling  that  is  evolutionary  conserved  in  both  vertebrates  (human)  and 

invertebrates  (Caenorhabditis  elegans).  This  indicates  that  Huwe1  may  represent  an 

ancestral mechanism of Dvl regulation. 

 

 

Figure 4: Ubiquitination of Dvl. Summary of Dvl ubiquitinations mapped onto hDvl3. Position of detected 

ubiquitinations  () are shown. The bottom part of the scheme shows ubiquitinated sites known  from  the literature,  the  upper  part  shows  Huwe1‐mediated  phosphorylation  events  discovered  by  our  group. Functionally  relevant modifications  are  specified  in  detail.  The  figure  is  based  on  the  following  studies: 1Tauriello, et al (2010), 2 Kim, et al (2011)    3 De Groot, et al (2014) 

Page 18: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  12

2.4. Dvl in the Wnt/β‐catenin and Wnt/PCP pathway – how the decision is made? 

As mentioned several times earlier Dvl serves as a branching point between Wnt/β‐

catenin and Wnt/PCP signaling. It is natural that more than 15 years from this discovery a lot 

of  attention  has  been  paid  to  uncover  the mechanisms, which  control  Dvl  function  and 

define the direction of downstream signaling. The answer is not completely solved yet but it 

is obvious  that  the decision  is made based on  the  combination of  several mutually  inter‐

connected  factors, which  involve  (i) Dvl subcellular  localization,  (ii) Dvl polymerization,  (iii) 

Dvl phosphorylation, and (iv) Dvl binding partners/receptors. 

In the Wnt/β‐catenin pathway (Fig. 5A) membrane localization of Dvl is not required 

(Park,  et  al,  2005)  in  contrast  to  the  intact  DIX  domain.  DIX  domains  mediate  Dvl 

polymerization, which is crucial for formation large protein complexes, called signalosomes, 

composed of polymerized Dvl, Axin and other Wnt pathway components (Bilic, et al, 2007; 

Schwarz‐Romond, et al, 2007).   The  formation of  signalosome complex  is  required  for  the 

activating  phosphorylation  of  Lrp6,  subsequent  recruitment  of  Axin  and  inhibition  of  the 

destruction  complex  (Bilic,  et  al,  2007).  Interaction  interface  between  two  DIX  domains, 

which mediates Dvl polymerization,  is subject  to post‐translational modifications – namely 

K63‐linked polyubiquitination, which disrupt Dvl multimer formation and efficiently  inhibits 

function of Dvl in Wnt/β‐catenin signaling (De Groot, et al, 2014). This mechanism is part of 

the negative feedback loop induced by ubiquitination of activated Dvl by an E3 ligase Huwe1 

(De Groot, et al, 2014). 

Precise sequence of individual events following addition of a ligand, typically Wnt3a, 

is not precisely known. Current view  is that following  ligand binding Dvl gets activated by a 

poorly known mechanism involving Fzd and CK1ε‐controlled phosphorylation (Bernatik, et al, 

2011),  which  subsequently  triggers  production  of  phosphatidylinositol  4,5‐bisphosphates 

(PtdIns(4,5)P2) (Pan, et al, 2008). The locally produced of PtdIns(4,5)P2 is recognized by the 

scaffolding protein Amer1 (Tanneberger, et al, 2011) in complex with the Dvl‐binding protein 

β‐arrestin  (Kriz, et al, 2014). Our data suggest that  following activation β‐arrestin acts as a 

switch,  which  translocates  PtdIns(4,5)P2‐producing  kinases  from  Dvl  towards  Lrp6 

phosphorylating complex. This allows efficient phosphorylation of Lrp6 at  the signalosome 

platform fed by the local production of PtdIns(4,5)P2.  

In  the Wnt/PCP  pathway,  DEP  domain  and membrane‐localization  of  Dvl  is  the 

absolute  prerequisite  for  the  signaling  activity  (Fig.  5B).  So  far,  all  the Wnt/PCP‐deficient 

mutants of Dvl also  failed  to be  recruited  to  the membrane by Fzds  (Axelrod, et al, 1998; 

Simons, et al, 2009; Singh, et al, 2010) and even wild  type Dvl  constitutively  trafficked  to 

other compartment such as outer mitochondrial membrane (Park, et al, 2005) was  inactive 

in the Wnt/PCP pathway. Various mechanisms, which control membrane localization of Dvl, 

and  subsequently  favor  PCP  pathway  over Wnt/β‐catenin, were  described.  They  include 

regulation of  local pH (Simons, et al, 2009), PCP‐specific Dvl phosphorylation by Abl (Singh, 

et al, 2010) or the targeted degradation of cytoplasmic Dvl by Inversin (Simons, et al, 2005). 

Page 19: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  13

Further  specificity  to  the  pathway  is  provided  by  the  dedicated membrane  co‐

receptors.  Several  proteins mainly  from  the  family  of  atypical  receptor  tyrosine  kinases, 

namely Ror1, Ror2, Ryk and PTK, dictate beta‐catenin‐independent direction of signaling and 

cooperate with Dvl  in non‐canonical pathway (Lu, et al, 2004; Shnitsar and Borchers, 2008; 

Witte,  et  al,  2010).  Lrp6,  a  coreceptor  dedicated  to  the Wnt/  β‐catenin  is  not  positively 

involved in the PCP pathway (albeit is involved as a negative regulator (Bryja, et al, 2009)).  

Following,  non‐canonical  Wnt  pathway‐specific,  activation  Dvl  directs  signaling 

further downstream mainly towards the molecular machineries controlling cytoskeleton, cell 

shape and cell polarity. Key players in this process are mainly small GTPases from Rho family, 

Rac1 and RhoA. These  small monomeric G‐proteins are activated by  the  strictly  regulated 

exchange  of GDP  for GTP.  This  process  is  actively  controlled  and mediated  by  dedicated 

proteins named guanine exchange  factors  (GEFs). Evidence  for  the employment of specific 

GEF(s)  in Wnt/β‐catenin‐independent  signaling has only  recently begun  to emerge. WGEF, 

p114‐RhoGEF, and GEF‐H1, have been proposed as GEFs for RhoA (Tanegashima, et al, 2008; 

Tsuji, et al, 2010). However, GEF(s)  involved  in the Wnt5a/Dvl‐mediated activation of Rac1 

have  not  been  described  until  recently.  Only  in  2013  we  were  able  to  identify  a  long 

searched  protein  responsible  for  Wnt5a/Dvl‐mediated  activation  of  Rac1  in  the  non‐

canonical Wnt  pathway  as  a  specific  Rac1  GEF,  Tiam1  (Cajanek,  et  al,  2013).  Our  work 

Figure 5: Key structural elements required for the function of Dvl  in the main Wnt pathways (from Bryja and Bernatik, 2014). 

A:  Scheme  of  Dvl  function  in  Wnt/β‐catenin  pathway.  Dvl  is  required  for  Lrp6  phosphorylation  and subsequent  inhibition  of  the  destruction  complex  function.  Polymerization  via  DIX  domains  but  not membrane localization is required for this function. 

B:  Scheme  of  Dvl  function  in  Wnt/PCP  pathway.  Dvl  is  recruited  to  the  membrane  (DEP‐domain dependently), where  it  interacts with  Fzd and other  co‐receptors  (Ror1/2, Ryk, PTK7)  and  activates  small GTPases  Rho  and  Rac, which  subsequently  control  re‐organization  of  cytoskeleton.  C‐terminus  of  Dvl  is required for binding to Ror2 

Page 20: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  14

demonstrated that Tiam1 can interact with Dvl and enhances the Dvl‐Rac1 interaction. Most 

importantly, Tiam1 is functionally required for the activation of Rac1 by Wnt5a or Dvl and for 

Rac1‐dependent downstream cellular processes.  

Interestingly,  we  showed  that  the  Dvl‐Tiam1  interaction  is  strictly  negatively 

regulated by CK1  (Cajanek, et al, 2013). These  findings are  in  full agreement with earlier 

reports,  which  showed  that  phosphorylation  of  Dvl  by  CK1  is  inhibitory  for  the  non‐canonical Wnt/Dvl/Rac1/JNK pathway (Bryja, et al, 2008; Cong, et al, 2004). Thus, CK1 can act as a switch that directs signaling away from the Wnt/Rac1/JNK branch of non‐canonical 

signaling  towards  the Wnt/‐catenin  and  PS‐Dvl‐dependent  non‐canonical  pathways.  This fact might have clinically important consequences – for example we were able to show that 

breast cancer‐specific mutations  in CK1 produce a kinase  inactive and dominant negative 

variant  of  the  kinase  (Foldynova‐Trantirkova,  et  al,  2010).  Such  dominant  negative  CK1ε 

variants, naturally occurring in breast carcinoma (Fuja, et al, 2004) efficiently bind, but fail to 

phosphorylate Dvl, and act as  loss‐of‐function  in  the Wnt/‐catenin pathway. At  the same 

time these mutants increase in a Dvl‐dependent manner the level of Rac1‐GTP and promote 

cell migration  and  invasion  (Foldynova‐Trantirkova,  et  al,  2010).  Combined,  these  results 

suggest that CK1, in addition to the functions discussed above, controls changes in protein‐protein interactions between Dvl and its binding partners, which contribute to the activation 

of Wnt/β‐catenin or on the other side inactivation of the non‐canonical Wnt/Rac1 pathway. 

Such  “switch”  function  of  CK1,  which  was  first  identified  in  Xenopus  and  cell  culture experiments,  is  physiologically  relevant  and  may  contribute  to  cancer  progression  in 

pathological conditions where CK1 is mutated.  

 

3. Future directions 

Dvls are  intensively studied proteins, which despite the efforts of numerous  labs still resist 

our  understanding  and  hide  most  of  their  secrets.  The  following  section  proposes  a 

subjective view of  the aspects of Dvl biology, which require most attention  in near  future, 

and which will be crucial for our full understanding of Dvl function. 

 

Dvl in the receptor complex: The biggest challenge for the near future will be to describe the 

sequence  and  relevance  of  events  following  interaction  of  the  Wnt  ligands  with  their 

receptors. The  lines of research, which will at the endogenous  level define the dynamics of 

Dvl post‐translational modifications, Dvl interaction partners and Dvl subcellular localization 

following activation of discrete Wnt pathways will answer these questions. It is probable that 

detailed mechanistic understanding of Dvl biology will shed light not only on the mechanism 

discriminating  between  β‐catenin  and  PCP  downstream  signaling  but  also  onto  details  of 

various non‐canonical Wnt pathways, which diversified during  the course of evolution and 

differ in humans substantially from the core PCP pathway postulated in fly. 

Page 21: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  15

Paradox  of  Dvl:  Dvl  has  been  studied  extensively  and  nowadays  more  than  70  binding 

partners and 40+ phosphorylation sites have been reported (Bernatik, et al, 2014; Gao and 

Chen, 2010; Yanfeng, et al, 2011). The list of Dvl interaction partners and post‐translational 

modifications is constantly growing but our understanding is not ‐ this phenomenon we call 

“Dishevelled paradox”. It is very likely that cells regulate both post‐translational modification 

as  well  as  the  composition  of  Dvl‐based  complexes  in  a  delicate  manner,  and  that 

endogenous Dvl exists  in several well separated pools. The earlier efforts  to sort  the  large 

amount of available Dvl‐related data and to propose a robust model of biochemical details 

of Dvl action have always failed. The main reason is that (to our surprise) the field is missing 

the basic information about endogenous Dvl. Specifically, we lack the basic endogenous Dvl 

coordinates such as  information about the subcellular  localization, protein amount  (mainly 

in comparison with other major Dvl partners), basic structural information and definition of 

direct binding surfaces with other proteins.  

Dvl out of the Wnt pathways: It is becoming obvious that Dvl controls processes, which are 

not  directly  linked  with  Wnt/β‐catenin  and  Wnt/PCP  pathway.  Accumulating  body  of 

evidence  pointed  to  the  role  of  Dvl  in  the  biology  of  cilia.  Dvl was  shown  in  numerous 

contexts  to  interact with  centriolar proteins and  to be  required  for  the positioning of  the 

basal body and the proper function of cilia (Hashimoto, et al, 2010; Chaki, et al, 2012; Park, 

et  al,  2008).  This  function  of  Dvl  is  evolutionary  conserved  from  planarians  (Almuedo‐

Castillo, et al, 2011). Recently, Dvl was shown to be  involved not only  in the biogenesis of 

cilia but also in the process of cilia disassembly (Lee, et al, 2012). The last exciting avenue is 

the unexpected role of Dvl in the regulation of cell cycle. Very recent evidence suggests that 

Dvl2  can  regulate  spindle  orientation  in mitosis  via  its  interaction with  Polo‐like  kinase  1 

(Kikuchi, et al, 2010) and cytokinesis by the regulation of midbody dynamics (Fumoto, et al, 

2012). In order to fully understand the role of Dvl in these, often cell type‐specific processes, 

the  field will  need  to  generate  cell  lines  fully  deficient  in  all  three mammalian Dvls.  This 

possibility has become recently possible by development of novel gene editing technologies 

– such as or the type II bacterial Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats 

(CRISPR)/CRISPR‐associated (Cas) enzymatic systems (Mali, et al, 2013). 

All  the  diverse  aspects  of Dvl  biology  described  above  are  tightly  controlled  and  provide 

unique outcome in each cell and each developmental process. The mechanism of such error‐

resistant integration of all Dvl functions remains the biggest mystery. 

Page 22: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  16

4. References 

Ahmad‐Annuar, A., Ciani, L., Simeonidis, I., Herreros, J., Fredj, N. B., Rosso, S. B., Hall, A., Brickley, S. and Salinas, P. C.  (2006) Signaling across  the synapse: a role  for Wnt and Dishevelled  in presynaptic assembly and neurotransmitter release. J Cell Biol, 174, 127‐139. 

Almuedo‐Castillo, M., Salo, E. and Adell, T. (2011) Dishevelled is essential for neural connectivity and planar cell polarity in planarians. Proc Natl Acad Sci U S A, 108, 2813‐2818. 

Angers, S. and Moon, R. T.  (2009) Proximal events  in Wnt signal  transduction. Nature reviews, 10, 468‐477. 

Angers, S., Thorpe, C. J., Biechele, T. L., Goldenberg, S. J., Zheng, N., MacCoss, M. J. and Moon, R. T. (2006)  The  KLHL12‐Cullin‐3  ubiquitin  ligase  negatively  regulates  the  Wnt‐beta‐catenin pathway by targeting Dishevelled for degradation. Nat Cell Biol, 8, 348‐357. 

Axelrod,  J.  D., Miller,  J.  R.,  Shulman,  J. M., Moon,  R.  T.  and  Perrimon,  N.  (1998)  Differential recruitment  of  Dishevelled  provides  signaling  specificity  in  the  planar  cell  polarity  and Wingless signaling pathways. Genes Dev, 12, 2610‐2622. 

Bernatik, O., Ganji, R. S., Dijksterhuis, J. P., Konik, P., Cervenka, I., Polonio, T., Krejci, P., Schulte, G. and Bryja, V.  (2011) Sequential activation and  inactivation of Dishevelled  in  the Wnt/beta‐catenin pathway by casein kinases. J Biol Chem, 286, 10396‐10410. 

Bernatik, O.,  Sedova, K., Ganji, R.  S.,  Cervenka,  I.,  Trantirek,  L.,  Zdrahal,  Z.  and Bryja, V.  (2014) Functional analysis of Dishevelled‐3 phosphorylation identifies distinct mechanisms driven by Casein Kinase 1e and Fzd5. J. Biol. Chem., in revision. 

Bilic, J., Huang, Y. L., Davidson, G., Zimmermann, T., Cruciat, C. M., Bienz, M. and Niehrs, C. (2007) Wnt induces LRP6 signalosomes and promotes dishevelled‐dependent LRP6 phosphorylation. Science, 316, 1619‐1622. 

Boutros,  M.,  Paricio,  N.,  Strutt,  D.  I.  and  Mlodzik,  M.  (1998)  Dishevelled  activates  JNK  and discriminates between JNK pathways  in planar polarity and wingless signaling. Cell, 94, 109‐118. 

Bryja, V., Andersson, E. R., Schambony, A., Esner, M., Bryjova, L., Biris, K. K., Hall, A. C., Kraft, B., Cajanek,  L.,  Yamaguchi,  T.  P.,  et  al  (2009)  The  extracellular  domain  of  Lrp5/6  inhibits noncanonical Wnt signaling in vivo. Mol Biol Cell, 20, 924‐936. 

Bryja,  V.  and  Bernatik, O.  (2014)  Dishevelled  at  the  crossroad  of  pathways.  In Wnt  signaling  in Development and Disease: Molecular Mechanisms and Biological Functions (ed. S. Hoppler & R. T. Moon): Willey Publishers (in press). 

Bryja, V., Schambony, A., Cajanek, L., Dominguez, I., Arenas, E. and Schulte, G. (2008) Beta‐arrestin and  casein  kinase 1/2 define distinct branches of non‐canonical WNT  signalling pathways. EMBO Rep, 9, 1244‐1250. 

Bryja,  V.,  Schulte,  G.,  Rawal,  N.,  Grahn,  A.  and  Arenas,  E.  (2007)  Wnt‐5a  induces  Dishevelled phosphorylation and dopaminergic differentiation via a CK1‐dependent mechanism. J Cell Sci, 120, 586‐595. 

Page 23: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  17

Cajanek, L., Ganji, R. S., Henriques‐Oliveira, C., Theofilopoulos, S., Konik, P., Bryja, V. and Arenas, E. (2013)  Tiam1  regulates  the  Wnt/Dvl/Rac1  signaling  pathway  and  the  differentiation  of midbrain dopaminergic neurons. Mol Cell Biol, 33, 59‐70. 

Clevers, H. (2006) Wnt/beta‐catenin signaling in development and disease. Cell, 127, 469‐480. 

Cong,  F.,  Schweizer,  L.  and  Varmus,  H.  (2004)  Casein  kinase  Iepsilon  modulates  the  signaling specificities of dishevelled. Mol Cell Biol, 24, 2000‐2011. 

Cruciat, C. M., Dolde, C., de Groot, R. E., Ohkawara, B., Reinhard, C., Korswagen, H. C. and Niehrs, C. (2013) RNA helicase DDX3  is a regulatory subunit of casein kinase 1  in Wnt‐beta‐catenin signaling. Science, 339, 1436‐1441. 

De Groot, R. E., Ganji, R. S., Bernatik, O., Lloyd‐Lewis, B., Seipel, K., Sedova, K., Zdrahal, Z., Dhople, V. M., Dale, T., Korswagen, H. C., et al (2014) Huwe1‐mediated ubiquitylation of Dvl defines a novel negative feedback loop in the Wnt signaling pathway. Sci. Signal., in press. 

Etheridge, S. L., Ray, S., Li, S., Hamblet, N. S., Lijam, N., Tsang, M., Greer, J., Kardos, N., Wang, J., Sussman,  D.  J.,  et  al  (2008) Murine  dishevelled  3  functions  in  redundant  pathways with dishevelled 1 and 2  in normal cardiac outflow tract, cochlea, and neural tube development. PLoS Genet, 4, e1000259. 

Fahmy,  O.  G.  and  Fahmy,  M.  J.  (1959)  Differential  Gene  Response  to  Mutagens  in  Drosophila Melanogaster. Genetics, 44, 1149‐1171. 

Foldynova‐Trantirkova, S., Sekyrova, P., Tmejova, K., Brumovska, E., Bernatik, O., Blankenfeldt, W., Krejci, P., Kozubik, A., Dolezal, T., Trantirek, L., et al (2010) Breast cancer‐specific mutations in CK1epsilon  inhibit Wnt/beta‐catenin and activate the Wnt/Rac1/JNK and NFAT pathways to decrease cell adhesion and promote cell migration. Breast Cancer Res, 12, R30. 

Fuja, T. J., Lin, F., Osann, K. E. and Bryant, P. J. (2004) Somatic mutations and altered expression of the candidate  tumor suppressors CSNK1 epsilon, DLG1, and EDD/hHYD  in mammary ductal carcinoma. Cancer Res, 64, 942‐951. 

Fumoto,  K.,  Kikuchi,  K.,  Gon,  H.  and  Kikuchi,  A.  (2012) Wnt5a  signaling  controls  cytokinesis  by positioning ESCRT‐III to the proper site at the midbody. J Cell Sci. 

Funato, Y., Terabayashi, T., Sakamoto, R., Okuzaki, D., Ichise, H., Nojima, H., Yoshida, N. and Miki, H. (2010) Nucleoredoxin sustains Wnt/beta‐catenin signaling by retaining a pool of  inactive dishevelled protein. Curr Biol, 20, 1945‐1952. 

Gao, C., Cao, W., Bao, L., Zuo, W., Xie, G., Cai, T., Fu, W., Zhang, J., Wu, W., Zhang, X., et al (2010) Autophagy negatively  regulates Wnt  signalling by  promoting Dishevelled degradation. Nat Cell Biol, 12, 781‐790. 

Gao, C. and Chen, Y. G. (2010) Dishevelled: The hub of Wnt signaling. Cell Signal, 22, 717‐727. 

Gonzalez‐Sancho, J. M., Brennan, K. R., Castelo‐Soccio, L. A. and Brown, A. M. (2004) Wnt proteins induce dishevelled phosphorylation via an LRP5/6‐  independent mechanism,  irrespective of their ability to stabilize beta‐catenin. Mol Cell Biol, 24, 4757‐4768. 

Gonzalez‐Sancho, J. M., Greer, Y. E., Abrahams, C. L., Takigawa, Y., Baljinnyam, B., Lee, K. H., Lee, K. S., Rubin, J. S. and Brown, A. M. (2013) Functional consequences of Wnt‐induced dishevelled 2 phosphorylation in canonical and noncanonical Wnt signaling. J Biol Chem, 288, 9428‐9437. 

Page 24: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  18

Hamblet, N. S., Lijam, N., Ruiz‐Lozano, P., Wang, J., Yang, Y., Luo, Z., Mei, L., Chien, K. R., Sussman, D.  J.  and Wynshaw‐Boris,  A.  (2002)  Dishevelled  2  is  essential  for  cardiac  outflow  tract development, somite segmentation and neural tube closure. Development, 129, 5827‐5838. 

Hashimoto, M., Shinohara, K., Wang, J.,  Ikeuchi, S., Yoshiba, S., Meno, C., Nonaka, S., Takada, S., Hatta, K., Wynshaw‐Boris, A., et al (2010) Planar polarization of node cells determines the rotational axis of node cilia. Nat Cell Biol, 12, 170‐176. 

Hu, T.,  Li, C., Cao, Z., Van Raay, T.  J., Smith,  J. G., Willert, K., Solnica‐Krezel,  L. and Coffey, R.  J. (2010)  Myristoylated  Naked2  antagonizes  Wnt‐beta‐catenin  activity  by  degrading Dishevelled‐1 at the plasma membrane. J Biol Chem, 285, 13561‐13568. 

Chaki, M., Airik, R., Ghosh, A. K., Giles, R. H., Chen, R., Slaats, G. G., Wang, H., Hurd, T. W., Zhou, W., Cluckey, A., et al  (2012) Exome capture reveals ZNF423 and CEP164 mutations,  linking renal ciliopathies to DNA damage response signaling. Cell, 150, 533‐548. 

Chen, W., ten Berge, D., Brown, J., Ahn, S., Hu, L. A., Miller, W. E., Caron, M. G., Barak, L. S., Nusse, R.  and  Lefkowitz,  R.  J.  (2003)  Dishevelled  2  recruits  beta‐arrestin  2  to mediate Wnt5A‐stimulated endocytosis of Frizzled 4. Science, 301, 1391‐1394. 

Chen, Z. J. and Sun, L. J.  (2009) Nonproteolytic functions of ubiquitin  in cell signaling. Mol Cell, 33, 275‐286. 

Jung, H., Kim, B. G., Han, W. H., Lee, J. H., Cho, J. Y., Park, W. S., Maurice, M. M., Han, J. K., Lee, M. J.,  Finley,  D.,  et  al  (2013)  Deubiquitination  of  Dishevelled  by  Usp14  is  required  for Wnt signaling. Oncogenesis, 2, e64. 

Kibardin,  A.,  Ossipova,  O.  and  Sokol,  S.  Y.  (2006) Metastasis‐associated  kinase modulates Wnt signaling to regulate brain patterning and morphogenesis. Development, 133, 2845‐2854. 

Kikuchi, K., Niikura, Y., Kitagawa, K. and Kikuchi, A. (2010) Dishevelled, a Wnt signalling component, is involved in mitotic progression in cooperation with Plk1. Embo J. 

Kim, W., Bennett, E. J., Huttlin, E. L., Guo, A., Li, J., Possemato, A., Sowa, M. E., Rad, R., Rush, J., Comb, M. J., et al (2011) Systematic and quantitative assessment of the ubiquitin‐modified proteome. Mol Cell, 44, 325‐340. 

Kinoshita, N.,  Iioka, H., Miyakoshi, A.  and Ueno, N.  (2003)  PKC delta  is  essential  for Dishevelled function  in  a  noncanonical  Wnt  pathway  that  regulates  Xenopus  convergent  extension movements. Genes Dev, 17, 1663‐1676. 

Kioussi,  C., Briata,  P., Baek,  S. H., Rose, D. W., Hamblet, N.  S., Herman,  T., Ohgi, K. A.,  Lin,  C., Gleiberman,  A., Wang,  J.,  et  al  (2002)  Identification  of  a Wnt/Dvl/beta‐Catenin  ‐‐>  Pitx2 pathway mediating cell‐type‐specific proliferation during development. Cell, 111, 673‐685. 

Kishida, M., Hino, S., Michiue, T., Yamamoto, H., Kishida, S., Fukui, A., Asashima, M. and Kikuchi, A. (2001) Synergistic activation of the Wnt signaling pathway by Dvl and casein kinase Iepsilon. J Biol Chem, 276, 33147‐33155. 

Klimowski, L. K., Garcia, B. A., Shabanowitz, J., Hunt, D. F. and Virshup, D. M.  (2006) Site‐specific casein  kinase  1epsilon‐dependent  phosphorylation  of  Dishevelled modulates  beta‐catenin signaling. Febs J. 

Page 25: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  19

Klingensmith,  J.,  Nusse,  R.  and  Perrimon,  N.  (1994)  The  Drosophila  segment  polarity  gene dishevelled encodes a novel protein required for response to the wingless signal. Genes Dev, 8, 118‐130. 

Klingensmith,  J.,  Yang,  Y.,  Axelrod,  J.  D.,  Beier,  D.  R.,  Perrimon,  N.  and  Sussman,  D.  J.  (1996) Conservation  of  dishevelled  structure  and  function  between  flies  and mice:  isolation  and characterization of Dvl2. Mech Dev, 58, 15‐26. 

Krasnow,  R.  E., Wong,  L.  L.  and  Adler,  P.  N.  (1995)  Dishevelled  is  a  component  of  the  frizzled signaling pathway in Drosophila. Development, 121, 4095‐4102. 

Kriz,  V.,  Pospichalova,  V.,  Masek,  J.,  Kilander,  M.  B.,  Slavik,  J.,  Tanneberger,  K.,  Schulte,  G., Machala, M., Kozubik, A., Behrens, J., et al (2014) beta‐Arrestin Promotes Wnt‐induced Low Density  Lipoprotein  Receptor‐related  Protein  6  (Lrp6)  Phosphorylation  via  Increased Membrane Recruitment of Amer1 Protein. J Biol Chem, 289, 1128‐1141. 

Kuhl, M. (2004) The WNT/calcium pathway: biochemical mediators, tools and future requirements. Front Biosci, 9, 967‐974. 

Kusakabe,  M.  and  Nishida,  E.  (2004)  The  polarity‐inducing  kinase  Par‐1  controls  Xenopus gastrulation in cooperation with 14‐3‐3 and aPKC. EMBO J, 23, 4190‐4201. 

Lee, J. S., Ishimoto, A. and Yanagawa, S. (1999) Characterization of mouse dishevelled (Dvl) proteins in Wnt/Wingless signaling pathway. J Biol Chem, 274, 21464‐21470. 

Lee, K. H., Johmura, Y., Yu, L. R., Park, J. E., Gao, Y., Bang, J. K., Zhou, M., Veenstra, T. D., Yeon Kim, B. and  Lee, K. S.  (2012)  Identification of a novel Wnt5a‐CK1varepsilon‐Dvl2‐Plk1‐mediated primary cilia disassembly pathway. EMBO J, 31, 3104‐3117. 

Lijam,  N.,  Paylor,  R., McDonald, M.  P.,  Crawley,  J.  N.,  Deng,  C.  X.,  Herrup,  K.,  Stevens,  K.  E., Maccaferri, G., McBain, C. J., Sussman, D. J., et al (1997) Social interaction and sensorimotor gating abnormalities in mice lacking Dvl1. Cell, 90, 895‐905. 

Lu, W.,  Yamamoto, V., Ortega, B.  and Baltimore, D.  (2004) Mammalian Ryk  is  a Wnt  coreceptor required for stimulation of neurite outgrowth. Cell, 119, 97‐108. 

Mahuzier, A., Gaude, H. M., Grampa, V., Anselme, I., Silbermann, F., Leroux‐Berger, M., Delacour, D.,  Ezan,  J., Montcouquiol, M.,  Saunier,  S.,  et  al  (2012)  Dishevelled  stabilization  by  the ciliopathy protein Rpgrip1l is essential for planar cell polarity. J Cell Biol, 198, 927‐940. 

Mali, P., Yang, L., Esvelt, K. M., Aach, J., Guell, M., DiCarlo, J. E., Norville, J. E. and Church, G. M. (2013) RNA‐guided human genome engineering via Cas9. Science, 339, 823‐826. 

Miyazaki, K., Fujita, T., Ozaki, T., Kato, C., Kurose, Y., Sakamoto, M., Kato, S., Goto, T., Itoyama, Y., Aoki, M., et al  (2004) NEDL1, a novel ubiquitin‐protein  isopeptide  ligase  for dishevelled‐1, targets mutant superoxide dismutase‐1. J Biol Chem, 279, 11327‐11335. 

Noordermeer, J., Klingensmith, J., Perrimon, N. and Nusse, R. (1994) dishevelled and armadillo act in the wingless signalling pathway in Drosophila. Nature, 367, 80‐83. 

Ossipova,  O.,  Dhawan,  S.,  Sokol,  S.  and  Green,  J.  B.  (2005)  Distinct  PAR‐1  proteins  function  in different branches of Wnt signaling during vertebrate development. Dev Cell, 8, 829‐841. 

Page 26: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  20

Pan, W., Choi, S. C., Wang, H., Qin, Y., Volpicelli‐Daley, L., Swan, L., Lucast, L., Khoo, C., Zhang, X., Li,  L.,  et  al  (2008)  Wnt3a‐mediated  formation  of  phosphatidylinositol  4,5‐bisphosphate regulates LRP6 phosphorylation. Science, 321, 1350‐1353. 

Park, T. J., Gray, R. S., Sato, A., Habas, R. and Wallingford, J. B. (2005) Subcellular  localization and signaling  properties  of  dishevelled  in  developing  vertebrate  embryos.  Curr  Biol,  15,  1039‐1044. 

Park, T. J., Mitchell, B. J., Abitua, P. B., Kintner, C. and Wallingford, J. B. (2008) Dishevelled controls apical docking and planar polarization of basal bodies  in ciliated epithelial cells. Nat Genet, 40, 871‐879. 

Peters,  J. M., McKay, R. M., McKay,  J. P. and Graff,  J. M.  (1999) Casein  kinase  I  transduces Wnt signals. Nature, 401, 345‐350. 

Rosso,  S.  B.,  Sussman,  D., Wynshaw‐Boris,  A.  and  Salinas,  P.  C.  (2005) Wnt  signaling  through Dishevelled, Rac and JNK regulates dendritic development. Nat Neurosci, 8, 34‐42. 

Seifert, J. R. and Mlodzik, M. (2007) Frizzled/PCP signalling: a conserved mechanism regulating cell polarity and directed motility. Nat Rev Genet, 8, 126‐138. 

Semenov,  M.  V.,  Habas,  R.,  Macdonald,  B.  T.  and  He,  X.  (2007)  SnapShot:  Noncanonical  Wnt Signaling Pathways. Cell, 131, 1378. 

Shan,  J., Zhang, X., Bao,  J., Cassell, R. and Zheng,  J.  J.  (2012) Synthesis of potent dishevelled PDZ domain  inhibitors  guided  by  virtual  screening  and NMR  studies.  Chemical  biology &  drug design, 79, 376‐383. 

Shnitsar,  I.  and  Borchers,  A.  (2008)  PTK7  recruits  dsh  to  regulate  neural  crest  migration. Development, 135, 4015‐4024. 

Schambony,  A.  and Wedlich,  D.  (2007) Wnt‐5A/Ror2  regulate  expression  of  XPAPC  through  an alternative noncanonical signaling pathway. Dev Cell, 12, 779‐792. 

Schwarz‐Romond, T., Fiedler, M., Shibata, N., Butler, P.  J., Kikuchi, A., Higuchi, Y. and Bienz, M. (2007) The DIX domain of Dishevelled confers Wnt signaling by dynamic polymerization. Nat Struct Mol Biol, 14, 484‐492. 

Simons, M., Gault, W. J., Gotthardt, D., Rohatgi, R., Klein, T. J., Shao, Y., Lee, H. J., Wu, A. L., Fang, Y.,  Satlin,  L.  M.,  et  al  (2009)  Electrochemical  cues  regulate  assembly  of  the Frizzled/Dishevelled complex at the plasma membrane during planar epithelial polarization. Nat Cell Biol, 11, 286‐294. 

Simons, M., Gloy, J., Ganner, A., Bullerkotte, A., Bashkurov, M., Kronig, C., Schermer, B., Benzing, T.,  Cabello,  O.  A.,  Jenny,  A.,  et  al  (2005)  Inversin,  the  gene  product  mutated  in nephronophthisis type  II, functions as a molecular switch between Wnt signaling pathways. Nat Genet, 37, 537‐543. 

Singh,  J., Yanfeng, W. A., Grumolato,  L., Aaronson,  S. A.  and Mlodzik, M.  (2010) Abelson  family kinases regulate Frizzled planar cell polarity signaling via Dsh phosphorylation. Genes Dev, 24, 2157‐2168. 

Sun, T. Q., Lu, B., Feng, J. J., Reinhard, C., Jan, Y. N., Fantl, W. J. and Williams, L. T. (2001) PAR‐1 is a Dishevelled‐associated kinase and a positive regulator of Wnt signalling. Nat Cell Biol, 3, 628‐636. 

Page 27: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  21

Sussman,  D.  J.,  Klingensmith,  J.,  Salinas,  P.,  Adams,  P.  S.,  Nusse,  R.  and  Perrimon,  N.  (1994) Isolation and characterization of a mouse homolog of the Drosophila segment polarity gene dishevelled. Dev Biol, 166, 73‐86. 

Swiatek, W., Tsai, I. C., Klimowski, L., Pepler, A., Barnette, J., Yost, H. J. and Virshup, D. M. (2004) Regulation of casein kinase I epsilon activity by Wnt signaling. J Biol Chem, 279, 13011‐13017. 

Tanegashima, K., Zhao, H. and Dawid, I. B. (2008) WGEF activates Rho in the Wnt‐PCP pathway and controls convergent extension in Xenopus gastrulation. Embo J, 27, 606‐617. 

Tanneberger, K., Pfister, A. S., Brauburger, K., Schneikert, J., Hadjihannas, M. V., Kriz, V., Schulte, G.,  Bryja,  V.  and  Behrens,  J.  (2011)  Amer1/WTX  couples  Wnt‐induced  formation  of PtdIns(4,5)P2 to LRP6 phosphorylation. Embo J, 30, 1433‐1443. 

Tauriello, D. V., Haegebarth, A., Kuper, I., Edelmann, M. J., Henraat, M., Canninga‐van Dijk, M. R., Kessler, B. M., Clevers, H. and Maurice, M. M.  (2010) Loss of  the  tumor  suppressor CYLD enhances Wnt/beta‐catenin signaling through K63‐linked ubiquitination of Dvl. Mol Cell, 37, 607‐619. 

Tauriello, D. V., Jordens, I., Kirchner, K., Slootstra, J. W., Kruitwagen, T., Bouwman, B. A., Noutsou, M., Rudiger, S. G., Schwamborn, K., Schambony, A., et al (2012) Wnt/beta‐catenin signaling requires  interaction  of  the Dishevelled DEP  domain  and  C  terminus with  a  discontinuous motif in Frizzled. Proc Natl Acad Sci U S A, 109, E812‐820. 

Theisen, H., Purcell,  J., Bennett, M., Kansagara, D., Syed, A. and Marsh,  J. L.  (1994) dishevelled  is required  during  wingless  signaling  to  establish  both  cell  polarity  and  cell  identity. Development, 120, 347‐360. 

Torban, E., Kor, C. and Gros, P. (2004) Van Gogh‐like2 (Strabismus) and its role in planar cell polarity and convergent extension in vertebrates. Trends Genet, 20, 570‐577. 

Tsang, M., Lijam, N., Yang, Y., Beier, D. R., Wynshaw‐Boris, A. and Sussman, D. J. (1996)  Isolation and characterization of mouse dishevelled‐3. Dev Dyn, 207, 253‐262. 

Tsuji,  T., Ohta,  Y., Kanno,  Y., Hirose, K., Ohashi, K.  and Mizuno, K.  (2010)  Involvement  of p114‐RhoGEF and Lfc in Wnt‐3a‐ and Dishevelled‐Induced RhoA Activation and Neurite Retraction in N1E‐115 Mouse Neuroblastoma Cells. Mol Biol Cell, 21, 3590‐3600. 

Wallingford,  J.  B.  and  Habas,  R.  (2005)  The  developmental  biology  of  Dishevelled:  an  enigmatic protein governing cell fate and cell polarity. Development, 132, 4421‐4436. 

Wei, W., Li, M., Wang, J., Nie, F. and Li, L. (2012) The E3 ubiquitin  ligase  ITCH negatively regulates canonical Wnt signaling by targeting dishevelled protein. Mol Cell Biol, 32, 3903‐3912. 

Willert, K., Brink, M., Wodarz, A., Varmus, H. and Nusse, R. (1997) Casein kinase 2 associates with and phosphorylates dishevelled. Embo J, 16, 3089‐3096. 

Witte,  F., Bernatik, O., Kirchner, K., Masek,  J., Mahl, A., Krejci, P., Mundlos,  S.,  Schambony, A., Bryja,  V.  and  Stricker,  S.  (2010)  Negative  regulation  of Wnt  signaling mediated  by  CK1‐phosphorylated Dishevelled via Ror2. Faseb J, 24, 2417‐2426. 

Wong, H. C., Bourdelas, A., Krauss, A., Lee, H. J., Shao, Y., Wu, D., Mlodzik, M., Shi, D. L. and Zheng, J. (2003) Direct binding of the PDZ domain of Dishevelled to a conserved internal sequence in the C‐terminal region of Frizzled. Mol Cell, 12, 1251‐1260. 

Page 28: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  22

Wong, H. C., Mao, J., Nguyen, J. T., Srinivas, S., Zhang, W., Liu, B., Li, L., Wu, D. and Zheng, J. (2000) Structural  basis  of  the  recognition  of  the  dishevelled  DEP  domain  in  the  Wnt  signaling pathway. Nat Struct Biol, 7, 1178‐1184. 

Yanfeng, W.  A.,  Berhane,  H., Mola, M.,  Singh,  J.,  Jenny,  A.  and Mlodzik, M.  (2011)  Functional dissection of phosphorylation of Disheveled in Drosophila. Dev Biol, 360, 132‐142. 

Yang, Y., Liu, M., Li, D., Ran, J., Gao, J., Suo, S., Sun, S. C. and Zhou, J. (2014) CYLD regulates spindle orientation  by  stabilizing  astral  microtubules  and  promoting  dishevelled‐NuMA‐dynein/dynactin complex formation. Proc Natl Acad Sci U S A, 111, 2158‐2163. 

Yokoyama, N., Markova, N. G., Wang, H. Y. and Malbon, C. C.  (2012) Assembly of Dishevelled 3‐based supermolecular complexes via phosphorylation and Axin. J Mol Signal, 7, 8. 

Zhang, L., Gao, X., Wen, J., Ning, Y. and Chen, Y. G. (2006) Dapper 1 antagonizes Wnt signaling by promoting dishevelled degradation. J Biol Chem, 281, 8607‐8612. 

Zhang, Y., Appleton, B. A., Wiesmann, C., Lau, T., Costa, M., Hannoush, R. N. and Sidhu, S. S. (2009) Inhibition of Wnt signaling by Dishevelled PDZ peptides. Nat Chem Biol, 5, 217‐219. 

 

Page 29: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  23

5.  List  of  primary  research  articles  representing  author´s  contribution  to  the understanding of Dvl function in the Wnt pathways (attachments)  

The  list  of  attachments  summarized  below  represents  a  selection  of  20  primary  research 

articles (out of 67 author´s records available on Pubmed on Feb 21, 2014), which are directly 

related to the topic of the habilitation. These attachments provide comprehensive overview 

of  V.  Bryja´s  contribution  to  the  biology  of  Dishevelled.  Individual  articles  are  presented 

without  supplementary  information  in  the  printed  version  of  the  thesis.  Full  version  is 

available on the attached CD. 

 

1. Schulte G, Bryja V, Rawal N, Castelo‐Branco G, Sousa KM, Arenas E  (2005): Purified HA‐Wnt5a 

increases differentiation of dopaminergic precursor cells. J. Neurochem 92:1550‐3. 

2. Bryja V, Schulte G, Arenas E  (2007): Wnt‐3a utilizes a novel  low dose and  rapid pathway  that 

does not require casein kinase 1‐mediated phosphorylation of Dvl  to activate ‐catenin. Cell. Signal. 19: 610‐616. 

3. Bryja  V,  Schulte  G,  Rawal  N,  Grahn  A,  Arenas  E  (2007):  Wnt‐5a  induces  Dishevelled 

phosphorylation and dopaminergic differentiation via a CK1‐dependent mechanism.  J. Cell 

Sci. 120: 586‐595. 

4. Bryja V, Čajánek L, Grahn A, Schulte G (2007): Inhibition of endocytosis blocks Wnt signalling to 

‐catenin by promoting dishevelled degradation. Acta Physiol.(Oxford) 190 (1): 53‐59 

5. Bryja V, Gradl D, Schambony A, Arenas E, Schulte G (2007): ‐arrestin is a necessary component 

of Wnt/‐catenin signaling in vitro and in vivo. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 104: 6690‐6695. 

6. Bryja V,  Schambony A,  Čajánek  L, Dominguez  I, Arenas E,  Schulte G  (2008): beta‐Arrestin and 

casein  kinase  1/2  define  distinct  branches  of  non‐canonical WNT  signalling  pathways. 

EMBO Rep. 9(12): 1244‐50. Featured article. 

7. Bryja V, Andersson ER, Schambony A, Esner M, Bryjová L, Biris KK, Hall AC, Kraft B, Cajanek L, 

Yamaguchi  TP,  Buckingham  M,  Arenas  E.  (2009):  The  Extracellular  Domain  of  Lrp5/6 

Inhibits Non‐Canonical Wnt Signaling in vivo. Mol Biol Cell. 20: 924‐936. Cover article. 

8. Andersson T, Södersten E, Duckworth  JK, Cascante A, Fritz N, Sacchetti P, Cervenka  I, Bryja V, 

Hermanson O  (2009):  CXXC5  is  a  novel  BMP4‐regulated modulator  of Wnt‐signaling  in 

neural stem cells. J Biol Chem. 284(6):3672‐81. 

9. Witte F, Bernatik O, Kirchner K, Masek  J, Mahl A, Krejci P, Mundlos S, Schambony A, Bryja V, 

Stricker S. (2010): Negative regulation of Wnt signaling mediated by CK1‐phosphorylated 

Dishevelled via Ror2. FASEB J. 24(7):2417‐26. 

10. Foldynova‐Trantirkova S, Sekyrova P, Tmejova K, Brumovska E, Bernatik O, Blankenfeldt W, Krejci 

P, Kozubik A, Dolezal T, Trantirek L, Bryja V.  (2010): Breast cancer‐specific mutations  in 

CK1epsilon  inhibit Wnt/beta‐catenin and activate the Wnt/Rac1/JNK and NFAT pathways 

to  decrease  cell  adhesion  and  promote  cell migration.  Breast  Cancer  Res.  2010 May 

27;12(3):R30. 

Page 30: MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA · MASARYKOVA UNIVERZITA PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA Ústav experimentální biologie Oddělení fyziologie a imunologie živočichů

Vítězslav Bryja, 2014  

  24

11. K. Tanneberger, A.S. Pfister, K. Brauburger, J. Schneikert, M.V. Hadjihannas, V. Kriz, G. Schulte, V. 

Bryja and J. Behrens (2011): Amer1/WTX couples Wnt‐induced formation of PtdIns(4,5)P2 

to LRP6 phosphorylation. EMBO J. 30: 1433‐1443.  

12. Bernatik O, Sri Ganji R, Cervenka I, Polonio T, Schulte G, Bryja V (2011): Sequential activation and 

inactivation  of  Dishevelled  in  the  Wnt/‐catenin  pathway  by  casein  kinases.  J.  Biol. Chemistry 286: 10396‐10410. 

13. Chaki M, Airik R, Ghosh AK, Giles RH, Chen R, Slaats GG, Wang H, Hurd TW, Zhou W, Cluckey A, 

Gee HY, Ramaswami G, Hong CJ, Hamilton BA, Cervenka I, Ganji RS, Bryja V, Arts HH, van 

Reeuwijk  J, Oud MM,  Letteboer  SJ, Roepman R, Husson H,  Ibraghimov‐Beskrovnaya O, 

Yasunaga  T, Walz  G,  Eley  L,  Sayer  JA,  Schermer  B,  Liebau MC,  Benzing  T,  Le  Corre  S, 

Drummond I, Janssen S, Allen SJ, Natarajan S, O'Toole JF, Attanasio M, Saunier S, Antignac 

C, Koenekoop RK, Ren H, Lopez I, Nayir A, Stoetzel C, Dollfus H, Massoudi R, Gleeson JG, 

Andreoli SP, Doherty DG, Lindstrad A, Golzio C, Katsanis N, Pape L, Abboud EB, Al‐Rajhi 

AA, Lewis RA, Omran H, Lee EY, Wang S, Sekiguchi JM, Saunders R, Johnson CA, Garner E, 

Vanselow K, Andersen  JS, Shlomai  J, Nurnberg G, Nurnberg P, Levy S, Smogorzewska A, 

Otto  EA, Hildebrandt  F.  (2012):  Exome Capture Reveals  ZNF423  and CEP164 Mutations, 

Linking Renal Ciliopathies to DNA Damage Response Signaling. Cell. 150(3): 533‐48. 

14. L.  Čajánek,  R.  Sri Ganji,  C. Henriques‐Oliveira,  P.  Koník,  S.  Theofilopoulos, V.  Bryja,  E. Arenas 

(2013):  Tiam1  regulates  the Wnt/Dvl/Rac1  signaling pathway  and  the differentiation of 

midbrain dopaminergic neurons. Mol. Cell. Biol. 33(1):59‐70. 

15. A. Soldano, Z. Okray, P. Janovská, K. Tmejová, E. Reynaud, A. Claeys, J. Yan, B. De Strooper, J.‐M. 

Dura,  V.  Bryja,  B.  A.  Hassan  (2013):  The  Amyloid  Precursor  Proteins  are  conserved 

modulators of the Wnt/PCP pathway required for robustness of axonal outgrowth. PLoS 

Biol. 11(5):e1001562.  

16. Kriz V, Pospichalova V, Masek  J, Kilander MB, Slavik  J, Tanneberger K, Schulte G, Machala M, 

Kozubik  A,  Behrens  J,  Bryja  V.  (2014):  β‐arrestin  promotes  Wnt‐induced  Lrp6 

phosphorylation  via  increased membrane  recruitment  of Amer1.  J  Biol  Chem.  289  (2): 

1128 –1141. 

17. K. Seitz, V. Dürsch, J. Harnoš, V. Bryja, M. Gentzel, A. Schambony (2014): β‐Arrestin interacts with 

the  beta/gamma  subunits  of  trimeric  G  proteins  and  Dishevelled  in  the  Wnt‐/Ca2+ 

pathway in Xenopus gastrulation. Plos ONE 9(1):e87132. 

18. R. de Groot; R. Sri Ganji; O. Bernatik; B. Lloyd‐Lewis; K. Seipel; K. Šedová; Z. Zdráhal; V.M. Dhople; 

T. Dale; H. Korswagen*, V. Bryja*. Huwe1‐mediated ubiquitylation of Dvl defines a novel 

negative feedback loop in the Wnt signaling pathway. Sci. Signal. (in press). 

19. M.B.C Kilander,  J. Petersen,  J. Dahlström, R. Sri Ganji,  J. Schuster, N. Dahl, V. Bryja, G. Schulte. 

Preassembly of human Frizzled 6 with heterotrimeric Gαi2  is selectively  impaired by the 

pathogenic Frizzled 6 Arg511Cys mutation and is regulated by Disheveled. FASEB J. (fj.13‐

246363. Published online February 7, 2014). 

20. O.  Bernatík,  K.  Šedová,  R.  Sri  Ganji,  I.  Červenka,  L.  Trantírek,  Z.  Zdráhal,  V.  Bryja.  Functional 

analysis of Dishevelled‐3 phosphorylation identifies distinct mechanisms driven by Casein 

Kinase 1e and Fzd5 (J. Biol. Chem., in revision). 


Recommended