Exchange protein directly activated by cAMP 1 (Epac1) is expressed in human neutrophils and mediates cAMP-dependent activation of the monomeric GTPase Rap1

Epac1 and Epac2 bind cAMP and mediate cAMP-dependent activation of Rap1. cAMP is produced in neutrophils in response to many chemoattractants. This second messenger plays a key role in the regulation of the functions of neutrophils. However, it is still not known whether Epacs are expressed in human neutrophils. We found that stimulation of PLB-985 cells differentiated into neutrophil-like cells, human neutrophils with 8CPT-2Me-cAMP (a selective activator of Epacs), or FK (a diterpene that augments the intracellular level of cAMP) led to GTP-loading of Rap1. Epac1 mRNA was expressed in UND and DF PLB-985 cells, but Epac1 protein was only detected in DF PLB-985 cells. In human neutrophils, the Epac1 transcript was present, and Epac1 protein could be detected by Western blot analysis if the cells had been treated with the serine protease inhibitor PMSF. FK induced adhesion of PLB-985 cells and human neutrophils on fibrinogen, a ligand for beta 2 integrins. Interestingly, in DF PLB-985 cells, but not in human neutrophils, 8CPT-2Me-cAMP induced beta 2 integrin-dependent adhesion. The failure of 8CPT-2Me-cAMP to induce beta 2 integrin-dependent human neutrophil adhesion could be explained by the fact that this compound did not induce a switch of the beta 2 integrins from a low-affinity to a high-affinity ligand-binding conformation. We concluded that Epac1 is expressed in human neutrophils and is involved in cAMP-dependent regulation of Rap1. However, the loading of GTP on Rap1 per se is not sufficient to promote activation of beta 2 integrins. J. Leukoc. Biol. 90: 741-749; 2011.

Added complexity in Ras and Rho family GTPase function:Added complexity in Ras and Rho family GTPase function

The regulation of the small GTPases leading to their membrane localization has long been attributed to processing of their C-terminal CAAX box. As deregulation of many of these GTPases have been implicated in cancer and other disorders, prenylation and methylation of this CAAX box has been studied in depth as a possibility for drug targeting, but unfortunately, to date no drug has proved clinically beneficial. However, these GTPases also undergo other modifications that may be important for their regulation. Ubiquitination has long been demonstrated to regulate the fate of numerous cellular proteins and recently it has become apparent that many GTPases, along with their GAPs, GeFs and GDis, undergo ubiquitination leading to a variety of fates such as re-localization or degradation. in this review we focus on the recent literature demonstrating that the regulation of small GTPases by ubiquitination, either directly or indirectly, plays a considerable role in controlling their function and that targeting these modifications could be important for disease treatment.

Ran GTPase in Nuclear Envelope Formation and Cancer Metastasis

Ran is a small ras-related GTPase that controls the nucleocytoplasmic exchange of macromolecules across the nuclear envelope. It binds to chromatin early during nuclear formation and has important roles during the eukaryotic cell cycle, where it regulates mitotic spindle assembly, nuclear envelope formation and cell cycle checkpoint control. Like other GTPases, Ran relies on the cycling between GTP-bound and GDP-bound conformations to interact with effector proteins and regulate these processes. In nucleocytoplasmic transport, Ran shuttles across the nuclear envelope through nuclear pores. It is concentrated in the nucleus by an active import mechanism where it generates a high concentration of RanGTP by nucleotide exchange. It controls the assembly and disassembly of a range of complexes that are formed between Ran-binding proteins and cellular cargo to maintain rapid nuclear transport. Ran also has been identified as an essential protein in nuclear envelope formation in eukaryotes. This mechanism is dependent on importin-β, which regulates the assembly of further complexes important in this process, such as Nup107–Nup160. A strong body of evidence is emerging implicating Ran as a key protein in the metastatic progression of cancer. Ran is overexpressed in a range of tumors, such as breast and renal, and these perturbed levels are associated with local invasion, metastasis and reduced patient survival. Furthermore, tumors with oncogenic KRAS or PIK3CA mutations are addicted to Ran expression, which yields exciting future therapeutic opportunities

Small GTPase RhoA and its effector rho kinase mediate oxygen glucose deprivation-evoked in vitro cerebral barrier dysfunction

BACKGROUND AND PURPOSE: Enhanced vascular permeability attributable to disruption of blood-brain barrier results in the development of cerebral edema after stroke. Using an in vitro model of the brain barrier composed of human brain microvascular endothelial cells and human astrocytes, this study explored whether small GTPase RhoA and its effector protein Rho kinase were involved in permeability changes mediated by oxygen-glucose deprivation (OGD), key pathological phenomena during ischemic stroke.

METHODS: OGD increased RhoA and Rho kinase protein expressions in human brain microvascular endothelial cells and human astrocytes while increasing or unaffecting that of endothelial nitric oxide synthase in respective cells. Reperfusion attenuated the expression and activity of RhoA and Rho kinase in both cell types compared to their counterparts exposed to equal periods of OGD alone while selectively increasing human brain microvascular endothelial cells endothelial nitric oxide synthase protein levels. OGD compromised the barrier integrity as confirmed by decreases in transendothelial electric resistance and concomitant increases in flux of permeability markers sodium fluorescein and Evan's blue albumin across cocultures. Transfection of cells with constitutively active RhoA also increased flux and reduced transendothelial electric resistance, whereas inactivation of RhoA by anti-RhoA Ig electroporation exerted opposite effects. In vitro cerebral barrier dysfunction was accompanied by myosin light chain overphosphorylation and stress fiber formation. Reperfusion and treatments with a Rho kinase inhibitor Y-27632 significantly attenuated barrier breakdown without profoundly altering actin structure.

CONCLUSIONS: Increased RhoA/Rho kinase/myosin light chain pathway activity coupled with changes in actin cytoskeleton account for OGD-induced endothelial barrier breakdown.

GTPase activity of dynamin and resulting conformation change are essential for endocytosis

Dynamin is a large GTPase with a relative molecular mass of 96,000 (Mr 96K) that is involved in clathrin-mediated endocytosis and other vesicular trafficking processes. Although its function is apparently essential for scission of newly formed vesicles from the plasma membrane, the nature of dynamin's role in the scission process is still unclear. It has been proposed that dynamin is a regulator (similar to classical G proteins) of downstream effectors. Here we report the analysis of several point mutants of dynamin's GTPase effector (GED) and GTPase domains. We show that oligomerization and GTP binding alone, by dynamin, are not sufficient for endocytosis in vivo. Rather, efficient GTP hydrolysis and an associated conformational change are also required. These data argue that dynamin has a mechanochemical function in vesicle scission.

Interaction de Tau avec la petite GTPase Rab5

La protéine Tau joue un rôle essentiel dans les neurones, notamment par ses interactions avec les éléments du cytosquelette. Des études récentes ont également montré que Tau était impliquée dans la motilité des organelles le long des microtubules axonaux. Dans ce mémoire de Maîtrise, nous avons démontré par recouvrement sur gel une nouvelle interaction in vitro pour Tau avec la petite GTPase Rab5, qui est impliquée dans l’endocytose précoce. De plus, nous avons montré que Tau et Rab5 immuno-précipitaient sur une même population de vésicules in vivo. La sur-expression de Tau dans des neurones primaires de l’hippocampe nous a permis de montrer que Tau et Rab5 avaient une distribution similaire dans l’axone des neurones, suggérant un rôle de Tau dans l’ancrage des endosomes précoces sur les microtubules. Par contre, à la différence de ce qui a pu être observé dans certaines études, la sur-expression de Tau n’a pas inhibé le transport axonal des endosomes précoces. Enfin, nous avons montré que Tau interagissait préférentiellement avec la Rab5 active liée au GTP et des résultats préliminaires nous laissent penser que Tau serait un effecteur ou une GAP pour Rab5. Dans les tauopathies, la Tau devient hyperphosphorylée, décroche des microtubules axonaux et forme des agrégats dans le corps cellulaire du neurone. Ces modifications biochimiques et de localisation de la protéine Tau pourraient être la source d’une perte d’interaction de la Tau avec Rab5 et être responsable de certaines atteintes neurologiques observées dans les tauopathies.

Étude des voies de signalisation en amont et en aval de la petite GTPase Rac1

Les évènements moléculaires en amont et en aval de la petite GTPase Rac1 menant à la migration cellulaire sont encore mal compris. La première partie du projet consiste à utiliser une approche protéomique non-biaisée pour tenter d’identifier les partenaires de Rac. Pour ce faire, nous avons développé une méthode de purification efficace et rapide de manière à maintenir les complexes protéiques transitoires intacts. Dans un deuxième temps, nous avons identifié des sites de phosphorylation sur la RacGEF atypique Dock5 en aval des intégrines. Afin de mieux comprendre le rôle de la phosphorylation de cette protéine, nous avons criblé une banque de kinases ce qui nous a permis d’identifier 14 kinases pouvant phosphoryler la région PXXP de Dock5. D’après nos résultats, ceci aurait comme effet de diminuer l’interaction entre Dock5 et ses partenaires contenant des domaines SH3. Ainsi, la phosphorylation de Dock5 régulerait la formation de complexes et le recrutement de Dock5 par des protéines adaptatrices.

Caractérisation fonctionnelle de la GTPase Ran dans le cancer épithélial de l'ovaire

Le cancer épithélial de l’ovaire est le plus létal des cancers gynécologiques. Les tumeurs de l’ovaire se divisent en différentes classes reflétant l’étendue de la maladie. Les tumeurs à faible potentiel de malignité présentent une survie relative à 5 ans de 90%, alors que pour les tumeurs invasives, la survie à 5 ans chute drastiquement à 35-40%. Au laboratoire, nous avons précédemment identifié la protéine Ran, un membre de la superfamille des GTPases Ras, comme marqueur fortement exprimé dans les cancers épithéliaux de l’ovaire de haut grade et de haut stade dont la surexpression est associée à un mauvais pronostic. Ran est déjà connue pour contribuer au transport nucléocytoplasmique et à la progression du cycle cellulaire, mais son rôle dans le cancer ovarien n’est pas bien défini. En utilisant une approche de shRNA inductibles à la tétracycline basée sur les lentivirus, nous avons montré que la diminution de l’expression de Ran dans des lignées cellulaires agressives du cancer de l’ovaire affecte drastiquement la prolifération cellulaire par l’induction d’une apoptose caspase-3 dépendante. Par un essai de tumeurs en xénogreffes, nous avons démontré que la déplétion de Ran résulte en une diminution de la tumorigenèse et que la formation éventuelle de tumeurs est associée à une sélection des cellules tumorales ayant la capacité de ré-exprimer la protéine Ran. Ces résultats suggèrent un rôle critique pour Ran dans la survie et la tumorigénicité des cellules du cancer ovarien, indiquant que Ran pourrait être une cible thérapeutique intéressante.

Exploring Rac GTPase regulation : the molecular mechanisms governing the DOCK180 and ELMO interaction and the role of this complex in Rac-mediated cell migration

Les protéines DOCK180 et ELMO coopèrent ensemble biochimiquement et génétiquement afin d’activer la GTPase Rac1 lors de plusieurs évènements biologiques. Toutefois, le rôle que jouent ces protéines dans la signalisation par Rac est encore mal compris. Nous émettons l’hypothèse que Dock180 agit comme activateur de Rac, alors que ELMO est requis pour l’intégration de la signalisation de Rac plutôt que son activation per se. Nous postulons que ELMO agit comme signal de localisation intracellulaire afin de restreindre de façon spatio-temporelle la signalisation de Rac en aval de Dock180, et/ou que ELMO agit comme protéine d’échafaudage entre Rac et ses effecteurs pour amplifier la migration cellulaire. Dans l’objectif nº 1, nous démontrons que le domaine PH atypique de ELMO1 est le site d’interaction principal entre cette protéine et DOCK180. De plus, nous démontrons que la liaison entre ELMO et DOCK180 n’est pas nécessaire pour l’activation de Rac, mais est plutôt essentielle pour faciliter la réorganisation du cytosquelette induite par l’activation de Rac en aval de Dock180. Ces résultats impliquent que ELMO pourrait jouer des rôles additionnels dans la signalisation par Rac. Dans l’objectif nº 2, nous avons découvert l’existence d’une homologie structurelle entre ELMO et un module d’autorégulation de la formine Dia1, et avons identifié trois nouveaux domaines dans la protéine ELMO : les domaines RBD, EID et EAD. De façon analogue à Dia1, nous avons découvert que ELMO à l’état basal est autoinhibé grâce à des intéractions intramoléculaires. Nous proposons que l’état d’activation des protéines ELMO est régulé de façon similaire aux formines de la famille Dia, c’est-à-dire grâce à des interactions avec d’autres protéines. Dans l’objectif nº 3, nous identifions un domaine RBD polyvalent chez ELMO. Ce domaine possède une double spécificité pour les GTPases de la famille Rho et Arf. Nous avons découvert que Arl4A agit comme signal de recrutement membranaire pour le module ELMO/DOCK180/Rac. Nos résultats nous permettent de supposer que d’autres GTPases pourraient être impliquées dans l’activation et la localisation de cette voie de signalisation. Nous concluons qu’à l’état basal, ELMO et DOCK180 forment un complexe dans lequel ELMO est dans sa conformation autoinhibée. Bien que le mécanisme d’activation de ELMO ne soit pas encore bien compris, nous avons découvert que, lorsqu’il y a stimulation cellulaire, certaines GTPases liées au GTP peuvent intéragir avec le domaine RBD de ELMO pour relâcher les contacts intramoléculaires et/ou localiser le complexe à la membrane. Ainsi, les GTPases peuvent servir d’ancrage au complexe ELMO/DOCK180 pour assurer une regulation spatiotemporelle adequate de l’activation et de la signalisation de Rac.

Clustering algorithms and shape factor methods to discriminate among small GTPase phenotypes using DIC image analysis.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive.

La petite GTPase Rab11 et ses interacteurs orchestrent la migration cellulaire collective et la cytocinèse chez la Drosophile

Le trafic vésiculaire permet un échange coordonné de molécules entre les différents organites de la cellule et dépend largement des petites GTPases de la famille des Rabs dont le nombre varie entre 27 chez la Drosophile et 70 chez l’Homme. Un des prochains défis consiste donc à élucider les mécanismes cellulaires qui coordonnent l’activité de ces Rabs, laquelle garantit un transport vésiculaire ordonné au sein de la cellule. Les Rabs agissent comme des interrupteurs moléculaires grâce à leur capacité à cycler entre un état actif et inactif. L’activité des Rabs est contrôlée par des protéines régulatrices puis des effecteurs en aval coordonnent leurs différentes fonctions. La petite GTPase Rab11 est essentielle au développement de plusieurs organismes incluant la Drosophile, C. elegans et la souris puisqu’elle se retrouve au cœur de différentes voies de transport. D’ailleurs, le trafic de molécules dépendant de Rab11 est perturbé dans plusieurs pathologies. Malgré son rôle central dans le trafic vésiculaire, la régulation de Rab11 reste peu comprise in vivo. Cette thèse se penche sur les mécanismes moléculaires contrôlant les fonctions de Rab11 et de ses effecteurs lors de la migration cellulaire collective et lors de la cytocinèse. Nous avons identifié Evi5 comme un nouvel acteur clé de la migration cellulaire collective, et nous montrons qu’elle possède une activité Rab11-GAP essentielle pour maintenir les récepteurs de guidance actifs de façon polarisée au front de migration. Nous avons ensuite déterminé que Rab11 régule la communication cellulaire lors de la migration collective par l’entremise de son interaction avec la Moésine. Une question reste toutefois en suspens : sachant que Rab11 compte plus de 13 effecteurs, quels sont les mécanismes assurant la spécificité de l’interaction entre cette GTPase et un effecteur particulier? Une partie de la réponse provient peut-être de nos observations que les membres des Rab11-FIPs de classe I, une famille d’effecteurs de Rab11, interagissent avec les protéines d’échafaudage 14-3-3. Chez la Drosophile, Rip11 est le seul représentant des Rab11-FIPs de classe I et nous montrons que Rip11 aurait des fonctions inattendues durant la cytocinèse qui seraient coordonnées par 14-3-3. Nos recherches permettent de dresser un portrait plus authentique des mécanismes moléculaires régulant les différentes fonctions de Rab11 et de ses effecteurs in vivo.

No impact of malaria infection or immunisation on the expression of the immune GTPase GIMAP1 at the protein or mRNA levels (Article no. 53)

GIMAP (GTPase of the immunity-associated protein family) proteins are a family of putative GTPases believed to be regulators of cell death in lymphomyeloid cells. GIMAP1 was the first reported member of this gene family, identified as a gene up-regulated at the RNA level in the spleens of mice infected with the malarial parasite, Plasmodium chabaudi. Methods A monoclonal antibody against mouse GIMAP1 was developed and was used to analyse the expression of the endogenous protein in tissues of normal mice and in defined sub-populations of cells prepared from lymphoid tissues using flow cytometry. It was also used to assess the expression of GIMAP1 protein after infection and/or immunization of mice with P. chabaudi. Real-time PCR analysis was employed to measure the expression of GIMAP1 for comparison with the protein level analysis. Results GIMAP1 protein expression was detected in all lineages of lymphocytes (T, B, NK), in F4/80+ splenic macrophages and in some lymphoid cell lines. Additional evidence is presented suggesting that the strong expression by mature B cells of GIMAP1 and other GIMAP genes and proteins seen in mice may be a species-dependent characteristic. Unexpectedly, no increase was found in the expression of GIMAP1 in P. chabaudi infected mice at either the mRNA or protein level, and this remained so despite applying a number of variations to the protocol. Conclusion The model of up-regulation of GIMAP1 in response to infection/immunization with P. chabaudi is not a robustly reproducible experimental system. The GIMAP1 protein is widely expressed in lymphoid cells, with an interesting increase in expression in the later stages of B cell development. Alternative approaches will be required to define the functional role of this GTPase in immune cells.

Structure of the ROC domain from the Parkinson's disease-associated leucine-rich repeat kinase 2 reveals a dimeric GTPase

Mutations in leucine-rich repeat kinase 2 (LRRK2) are the most common cause of Parkinson's disease (PD). LRRK2 contains a Ras of complex proteins (ROC) domain that may act as a GTPase to regulate its protein kinase activity. The structure of ROC and the mechanism(s) by which it regulates kinase activity are not known. Here, we report the crystal structure of the LRRK2 ROC domain in complex with GDP-Mg2+ at 2.0-Å resolution. The structure displays a dimeric fold generated by extensive domain-swapping, resulting in a pair of active sites constructed with essential functional groups contributed from both monomers. Two PD-associated pathogenic residues, R1441 and I1371, are located at the interface of two monomers and provide exquisite interactions to stabilize the ROC dimer. The structure demonstrates that loss of stabilizing forces in the ROC dimer is likely related to decreased GTPase activity resulting from mutations at these sites. Our data suggest that the ROC domain may regulate LRRK2 kinase activity as a dimer, possibly via the C-terminal of ROC (COR) domain as a molecular hinge. The structure of the LRRK2 ROC domain also represents a signature from a previously undescribed class of GTPases from complex proteins and results may provide a unique molecular target for therapeutics in PD.

Co-ordination of pathogenicity island expression by the BipA GTPase in enteropathogenic Escherichia coli (EPEC)

BipA is a novel member of the ribosome binding GTPase superfamily and is widely distributed in bacteria and plants. We report here that it regulates -multiple cell surface- and virulence-associated -components in the enteropathogenic Escherichia coli (EPEC) strain E2348/69. The regulated components include bacterial flagella, the espC pathogenicity island and a type III secretion system specified by the locus of enterocyte effacement (LEE). BipA positively regulated the espC and LEE gene clusters through transcriptional control of the LEE-encoded regulator, Ler. Additionally, it affected the pattern of proteolysis of intimin, a key LEE-encoded adhesin specified by the LEE. BipA control of the LEE operated independently of the previously characterized regulators Per, integration host factor and H-NS. In contrast, it negatively regulated the flagella-mediated motility of EPEC and in a Ler-independent manner. Our results indicate that the BipA GTPase functions high up in diverse regulatory cascades to co-ordinate the expression of key pathogenicity islands and other virulence-associated factors in E. coli.