Spontaneous Cdc42 polarization independent of GDI-mediated extraction and actin-based trafficking.

The small Rho-family GTPase Cdc42 is critical for cell polarization and polarizes spontaneously in absence of upstream spatial cues. Spontaneous polarization is thought to require dynamic Cdc42 recycling through Guanine nucleotide Dissociation Inhibitor (GDI)-mediated membrane extraction and vesicle trafficking. Here, we describe a functional fluorescent Cdc42 allele in fission yeast, which demonstrates Cdc42 dynamics and polarization independent of these pathways. Furthermore, an engineered Cdc42 allele targeted to the membrane independently of these recycling pathways by an amphipathic helix is viable and polarizes spontaneously to multiple sites in fission and budding yeasts. We show that Cdc42 is highly mobile at the membrane and accumulates at sites of activity, where it displays slower mobility. By contrast, a near-immobile transmembrane domain-containing Cdc42 allele supports viability and polarized activity, but does not accumulate at sites of activity. We propose that Cdc42 activation, enhanced by positive feedback, leads to its local accumulation by capture of fast-diffusing inactive molecules.

Sequential analysis of trans-SNARE formation in intracellular membrane fusion.

SNARE complexes are required for membrane fusion in the endomembrane system. They contain coiled-coil bundles of four helices, three (Q(a), Q(b), and Q(c)) from target (t)-SNAREs and one (R) from the vesicular (v)-SNARE. NSF/Sec18 disrupts these cis-SNARE complexes, allowing reassembly of their subunits into trans-SNARE complexes and subsequent fusion. Studying these reactions in native yeast vacuoles, we found that NSF/Sec18 activates the vacuolar cis-SNARE complex by selectively displacing the vacuolar Q(a) SNARE, leaving behind a Q(bc)R subcomplex. This subcomplex serves as an acceptor for a Q(a) SNARE from the opposite membrane, leading to Q(a)-Q(bc)R trans-complexes. Activity tests of vacuoles with diagnostic distributions of inactivating mutations over the two fusion partners confirm that this distribution accounts for a major share of the fusion activity. The persistence of the Q(bc)R cis-complex and the formation of the Q(a)-Q(bc)R trans-complex are both sensitive to the Rab-GTPase inhibitor, GDI, and to mutations in the vacuolar tether complex, HOPS (HOmotypic fusion and vacuolar Protein Sorting complex). This suggests that the vacuolar Rab-GTPase, Ypt7, and HOPS restrict cis-SNARE disassembly and thereby bias trans-SNARE assembly into a preferred topology.

Carboxyl terminus structural requirements for glycosyl-phosphatidylinositol anchor addition to cell surface proteins.

Glycosyl phosphatidylinositol (GPI)-anchored proteins contain in their COOH-terminal region a peptide segment that is thought to direct glycolipid addition. This signal has been shown to require a pair of small amino acids positioned 10-12 residues upstream of an hydrophobic C-terminal domain. We analysed the contribution of the region separating the anchor acceptor site and the C-terminal hydrophobic segment by introducing amino acid deletions and substitutions in the spacer element of the GPI-anchored Thy-1 glycoprotein. Deletions of 7 amino acids in this region, as well as the introduction of 2 charged residues, prevented the glycolipid addition to Thy-1, suggesting that the length and the primary sequence of the spacer domain are important determinants in the signal directing GPI anchor transfer onto a newly synthesized polypeptide. Furthermore, we tested these rules by creating a truncated form of the normally transmembranous Herpes simplex virus I glycoprotein D (gDI) and demonstrating that when its C-terminal region displays all the features of a GPI-anchored protein, it is able to direct glycolipid addition onto another cell surface molecule.

Regulation of frizzled receptor activity at the plasma membrane : an interplay of the receptor, the trimeric G protein Go, and RGS protein and a scaffolding protein Kermit

G-protein-signaling pathways convey extracellular signals inside the cells and regulate distinct physiological responses. This type of signaling pathways consists of three major components: G-protein-coupled receptors (GPCRs), heterotrimeric G proteins (G-proteins) and downstream effectors. Upon ligand binding, GPCRs activate heterotrimeric G proteins to initiate the signaling cascade. Dysfunction of GPCR signaling correlates with numerous diseases such as diabetes, nervous and immune system deficiency, and cancer. As the signaling switcher, G-proteins (Gs, Gq/11, G12/13, and Gi/o) have been an appealing topic of research for decades. A heterotrimeric G-protein is composed of three subunits, the guanine nucleotide associated a-subunit, ß and y subunits. In general, the duration of signaling is determined by the lifetime of activated (GTP bound) Ga subunits. Identification of novel communication partners of Ga subunits appears to be an attractive way to understand the machinery of GPCR signaling. In our lab, we mainly focus on Gao, which is abundantly expressed in the nervous system. Here we present two novel interacting partners of Drosophila Gao: Dhit and Kermit, identified through yeast two-hybrid screening and genetic screening respectively. Dhit is characterized by a small size with a conserved RGS domain and an N-terminal cysteine rich motif. The RGS domain possesses the GAP (GTPase activating protein) activity towards G proteins. However, we found that Dhit exerts not only the GAP activity but also the GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) activity towards Gao. The unexpected GDI activity is preserved in GAIP/RGS19 - a mammalian homologue of Dhit. Further experiments confirmed the GDI activity of Dhit and GAIP/RGS19 in Drosophila and mammalian cell models. Therefore, we propose that Dhit and its mammalian homologues modulate GPCR signaling by a double suppression of Ga subunits - suppression of their nucleotide exchange with GTP and acceleration of their hydrolysis of GTP. Kermit/GEPC was first identified as a binding partner of GAIP/RGS19 in a yeast two- hybrid screen. Instead of interacting with the Drosophila homologue of GAIP/RGS19 (Dhit), Kermit binds to Gao in vivo and in vitro. The functional consequence of Kermit/Gao interaction is the regulation of localization of Vang (one of the planar cell polarity core components) at the apical membrane. Overall, my work elaborated the action of Gao with its two interaction partners in Gao- mediated signaling pathway. Conceivably, the understanding of GPCR signaling including Gao and its regulators or effectors will ultimately shed light on future pharmaceutical research. - Les voies de signalisation médiées par les protéines G transmettent des signaux extracellulaires à l'intérieur des cellules pour réguler des réponses physiologiques distinctes. Cette voie de signalisation consiste en trois composants majeurs : les récepteurs couplés aux protéines G (GPCRs), les protéines G hétérotrimériques (G-proteins) et les effecteurs en aval. Suite à la liaison du ligand, les GPCRs activent les protéines G hétérotrimériques qui initient la cascade de signalisation. Des dysfonctions dans la signalisation médiée par les GPCRs sont corrélées avec de nombreuses maladies comme le diabète, des déficiences immunes et nerveuses, ainsi que le cancer. Puisque la voie de signalisation s'active et se désactive, les protéines G (Gs, Gq/11, G12/13 et Gi/o) ont été un sujet de recherche attrayant pendant des décennies. Une protéine G hétérotrimérique est composée de trois sous-unités, la sous-unité a associée au nucléotide guanine, ainsi que les sous-unités ß et y. En général, la durée du signal est déterminée par le temps de demi-vie des sous-unités Ga activées (Ga liées au GTP). Identifier de nouveaux partenaires de communication des sous-unités Ga se révèle être un moyen attractif de comprendre la machinerie de la signalisation par les GPCRs. Dans notre laboratoire nous nous sommes concentrés principalement sur Gao qui est exprimée de manière abondante dans le système nerveux. Nous présentons ici deux nouveaux partenaires qui interagissent avec Gao chez la drosophile: Dhit et Kermit, qui ont été identifiés respectivement par la méthode du yeast two-hybrid et par criblage génétique. Dhit est caractérisé par une petite taille, avec un domaine RGS conservé et un motif N- terminal riche en cystéines. Le domaine RGS contient une activité GAP (GTPase activating protein) pour les protéines G. Toutefois, nous avons découvert que Dhit exerce non seulement une activité GAP mais aussi une activité GDI (guanine nucleotide dissociation inhibitor) à l'égard de Gao. Cette activité GDI inattendue est préservée dans RGS19 - un homologue de Dhit chez les mammifères. Des expériences supplémentaires ont confirmé l'activité GDI de Dhit et de RGS19 chez Drosophila melanogaster et les modèles cellulaires mammifères. Par conséquent, nous proposons que Dhit et ses homologues mammifères modulent la signalisation GPCR par une double suppression des sous-unités Ga - suppression de leur nucléotide d'échange avec le GTP et une accélération dans leur hydrolyse du GTP. Kermit/GIPC a été premièrement identifié comme un partenaire de liaison de RGS19 dans le criblage par yeast two-hybrid. Au lieu d'interagir avec l'homologue chez la drosophile de RGS19 (Dhit), Kermit se lie à Gao in vivo et in vitro. La conséquence fonctionnelle de l'interaction Kermit/Gao est la régulation de la localisation de Vang, un des composants essentiel de la polarité planaire cellulaire, à la membrane apicale. Globalement, mon travail a démontré l'action de Gao avec ses deux partenaires d'interaction dans la voie de signalisation médiée par Gao. La compréhension de la signalisation par les GPCRs incluant Gao et ses régulateurs ou effecteurs aboutira à mettre en lumière de futurs axes dans la recherche pharmacologique.

Translation of polarity cues into asymmetric spindle positioning in "Caenorhabditis elegans"

Abstract: Asymmetric cell division is important to generate tissue diversity. The Caenorhabditis elegans embryo is well suited to study the mechanisms of asymmetric cell division. In wild type one-cell stage embryos, the spindle sets up along the anterior-posterior axis (AP). During anaphase, the spindle elongates. While the anterior spindle pole is relatively immobile, the posterior spindle pole moves towards the posterior cortex during anaphase leading to an asymmetric spindle position. As a result, the first cleavage gives rise to a large anterior blastomere and a smaller posterior one, which differs also in cell fate determinants. This posterior spindle displacement occurs in response to polarity cues set up along the AP axis by the PAR proteins and is due to imbalanced pulling forces acting on the two spindle poles, with net forces acting on the posterior spindle pole being more extensive than those at the anterior one. The project of my thesis was to characterize the involvement of two new components, gpr-1 and gpr-2, in spindle positioning. These genes encode essentially identical proteins containing a GoLoco motif characteristic of proteins interacting with α subunits of heterotrimeric G protein (Gα). In gpr-1/2(RNAi) embryos and in embryos lacking simultaneously two α subunits, goa-1 and gpa-16, (Ga(RNAi) embryos), there is a minimal posterior displacement of the spindle during anaphase, and the first division is equal. I found that the pulling forces acting on the two spindle poles is weak and equal in gpr-1/2(RNAi) and Gα (RNAi) embryos. I found that GPR-1/2 acts downstream of polarity cues for generation of pulling forces. Furthermore, I showed that GPR-1/2 distribution was enriched at the posterior cortex during metaphase whereas GOA-1 and GPA-16 were uniformly distributed at the cell cortex throughout the cell cycle. Gα subunits oscillate between GDP- and GTP-bound forms. Gα signaling is turned on by GDP/GTP exchange catalyzed by guanine nucleotide exchange factors (GEFs) and turned off by hydrolysis of GTP catalyzed by GTPase activating proteins (GAPs). A third class of proteins, the guanine dissociation inhibitors (GDIs), binds the GDP-bound form of Gα subunits and inhibits nucleotide exchange. I found that GPR-1/2 acts as a GDI for GOA-1. Taken together, my findings suggest a model in which differential activation of Gα subunits along the AP axis may translate into generation of differential pulling forces on the anterior and posterior spindle poles, and, thus, asymmetric cell division. Résumé L'embryon du nématode Caenorhabditis elegans est un modèle approprié pour étudier les mécanismes de la division asymétrique. Chez l'embryon précoce, le fuseau mitotique se forme le long de l'axe antéro-postérieur (A/P) et au centre de l'embryon, le pôle antérieur restant relativement immobile alors que le pôle postérieur du fuseau se déplace vers le cortex postérieur au cours de l'anaphase conduisant à une position excentrée du fuseau. 11 en résulte une première division qui génère un blastomère antérieur et postérieur de grande et petite taille respectivement et qui diffèrent en facteurs développementaux. Ce déplacement postérieur se produit en réponse de la polarité établie par la distribution polarisée des protéines PAR et est le résultat de la génération de forces inégales tirant sur les deux pôles du fuseau, les forces agissant sur le pôle postérieur du fuseau étant plus grandes. Le projet de ma thèse était d'identifier la fonction de deux nouveaux constituants, gpr-1 et gpr-2 dans le positionnement asymétrique du fuseau. Ces gènes codent essentiellement pour la même protéine qui contient un motif GoLoco, caractéristique des protéines interagissant avec la sous-unité alpha des protéines G hétérotrimériques. Chez l'embryon gpr-1/2(RNAi) et chez les embryons dépourvus d'activité de deux sous-unités alpha, goa-1 et gpa-16, (Gα(RNAi)), j'ai montré qu'il y avait un déplacement minimal du fuseau vers le pôle postérieur au cours de l'anaphase et la première division est symétrique en raison de forces faibles et égales agissant sur les deux pôles du fuseau. J'ai également montré que gpr-1/2 était requis en aval des signaux établissant la polarité pour générer les forces responsables du positionnement asymétrique du fuseau. De plus, j'ai montré que GPR-1/2 était enrichi au pôle postérieur lors de la métaphase alors que GOA-1 et GPA-16 étaient localisés de façon uniforme au cortex de l'embryon précoce. Gas oscillent entre une forme liée au GDP et une forme liée au GTP. La signalisation des Gas est activée par l'échange GDP/GTP qui est catalysé par des protéines GEFs. La signalisation des Gas est désactivée par l'hydrolyse du GTP qui est catalysée par des protéines GAPs. Une troisième classe de protéines, GDIs lie la forme GDP et inhibe l'échange de nucléotides. J'ai montré que GPR-1/2 agissait comme un GDI pour GOA-1. Mes résultats suggèrent un modèle dans lequel une activation différentielle des Gα le long de l'axe A/P pourrait générer des forces différentielles sur le pôle antérieur et postérieur du fuseau.