Predominant Rab-GTPase amplicons contributing to oral squamous cell carcinoma progression to metastasis

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

In-vitro-Rekonstitution des vesikulären Transportes zu Recycling-Endosomen und Analyse von sekretiertem Caveolin-1 aus humanen Prostatakrebszellen

Der Transferrin-Zyklus ist ein wichtiges Modell für denintrazellulären Transport, daher sollten in der vorliegendenArbeit einzelne, immer noch unverstandene Prozesse desvesikulären, intrazellulären Transportes durch dieCharakterisierung einen in vitro-Transportassay untersuchtwerden. Der Ansatz eines in vitro-Systems wurde deshalbgewählt, um mit Experimenten in denen einzelne Faktoren undbestimmte Konditionen untersucht werden sollten, diese unterdefinierten, reproduzierbaren Konditionen durchzuführen, diein einem in vivo-System kaum zu gewährleisten sind. Ohne denEinfluss von „störenden“, weil unkontrollierten Faktoren,wie es bei in vivo-Systemen der Fall ist, konnte imvorliegende Ansatz der Transport zu immunisoliertenRecycling-Endosomen (die Isolierung erfolgte hierbei mitanti-Rab11-Antikörpern, einem Marker fürRecycling-Endosomen) unter bestimmten Bedingungen untersuchtwerden. Dabei wurde als Marker Acridinium-markiertesTransferrin gewählt, welches in Zellen internalisiert wurde.Die Spezifität des Transportes in dem zellfreien System warhierbei sehr hoch, wie Kontrollexperimente inImmunisolierungsansätzen ohne Rab11-Antikörper zeigten. ImRahmen einer ersten Charakterisierung des Transportassayswurden essentielle, für den in vivo-Transport essentielleParameter auch in den in vitro-Experimenten untersucht.Hierbei wurde zum einen der Faktor Temperatur gewählt, daTransport in Zellen bei 4°C in der Regel zum Erliegen kommt.Dies konnte auch in dem vorgestellten System gezeigt werden.Ein weiterer, essentieller Faktor ist Energie in Form vonATP. ATP-Depletion wurde in den Experimenten durch Hinzugabeeines ATP-erschöpfenden Systems erzielt. Auch hier zeigteder Transport von Ac-Tfn zu Recycling-Endosomen eine starkeInhibierung. Mit Hilfe des so charakterisierten Assayskonnten anschließend weitere Experimente durchgeführtwerden, die den Einfluss von bestimmten Reagenzien undKonditionen auf den Transport untersuchten. So zeigte derTransport in Zeitverlaufsexperimenten einen Anstieg desTransportes bis 30 Minuten, bei 30 Minuten wurde ein Maximumerreicht. Nach Erreichen dieses Maximums war nachfolgendeine leichte Abnahme des Transfers von Ac-Tfn zu denRecycling-Endosomen zu beobachten. Da Rab-Proteine alsSchlüsselregulatoren für den intrazellulären, vesikulärenTransport gelten, und die Immunisolierungen mitanti-Rab11-Antikörpern durchgeführt wurden, wurde somit auchder Einfluss dieser GTPasen auf das Transportsystemuntersucht. Zugegebenes GDI, welches in der Lage istRab-Proteine in GDP-gebundener Form von spezifischenMembranen zu extrahieren, und daher ein gut untersuchterInhibitor von Rab-Funktionen ist, konnte auch in diesemTransportassay den Transport von Transferrin inhibieren. Einweiterer Aspekt war die Rolle des Cytoskelettes imintrazellulären Transport. Da in früheren Untersuchungen(Trischler et al., 1999) Aktin auf Recycling-Endosomengefunden wurde, erfolgte in diesen Arbeiten eineKonzentration auf die Rolle des Aktin in diesenTransportprozessen. Durch die Zugabe von Cytochalasin D, daseinen Aufbau von Aktingerüsten verhindert, wurde derTransport ebenfalls inhibiert. Durchaffinitätschromatographische Aufreinigungen konnte einestarke Interaktion von Aktin an immobilisiertes Rab11gezeigt werden. Die eluierten Fraktionen, die neben Aktinnoch weitere, jedoch unbekannte Proteine enthielten, konntenin dem in vitro-Fusionsassay eingesetzt werden und führtendort zu einer Stimulation des Transportes. Neben demgefundenen Aktin, könnten somit noch weitere, unbekannteProteine in dem Proteingemisch wichtige Funktionen imintrazellulären, vesikulären Transport übernehmen. EineIdentifizierung dieser Proteine ist dabei für weiterführendeArbeiten essentiell.Caveolin-1, Markerprotein für die Caveolae-Membrandomänewird überraschenderweise von verschiedenen Zellensekretiert. Da Caveolin-1 normalerweise ein integralesMembranprotein ist, wird von einer Sekretion alsLipoproteinpartikel ausgegangen. Die Rolle diesessekretierten Partikels ist unbekannt, wobei einige Autoreneine Funktion als autokrinen/ parakrinen Faktor vorschlagen(Tahir et al., 2001). In der vorliegenden Arbeit solltendiese Partikel daher aufgereinigt und erstmalscharakterisiert werden. Die Partikel wurden aus transienttransfizierten LNCaP-Zellen gewonnen, die Cav-1 in dasserumfreie Medium abgaben. In einer erstenGrößenuntersuchung durch FPLC konnte ein Molekulargewichtzwischen 2.000.000 Da und 660.000 Da bestimmt werden. DieseResultate konnten durch den Ansatz der nativenBlau-Gelelektrophorese bestätigt werden. In einem weiterenAnsatz, der die Dichte der Partikel charakterisieren sollte,wurde in zwei unterschiedlichen Ansätzen (CsCl-, sowieOptiprep Dichtezentrifuagtion) eine ähnliche Dichte desPartikels wie HDL ermittelt. Um eine stärkere Aufreinigungder Partikel zu erzielen, wurde eine Aufreinigung mit Hilfevon Ni-NTA-Agarose durchgeführt. Dies war möglich, denn diebei der Transfektion verwendete C-DNA trug einen His6-tag.Die so aufgereingten Partikel verloren auch nach derNi-NTA-Chromatographie nicht ihre biochemischenEigenschaften, wie in überprüfenden CsCl-Gradienten zu sehenwar. Die Partikel konnten anschließend zum ersten Mal inelektronenmikroskopischen Aufnahmen (Negativkontrastierung)visualisiert werden. Ein weiteres Ziel dieser Arbeit war es,zu untersuchen ob auf Cav-1 Lipoproteinpartikeln nochweitere Proteine zu finden waren. Durch eine kombinierteAufreinigung über Ni-NTA Chromatographie undCsCl-Dichtezentrifugation und im Vergleich mit demAusgangsmaterial konnten in der Silberfärbung Proteinbandenerkannt werden, die wie Cav-1 in den Fraktionen angereichertvorlagen. Eine massenspektroskopische Identifikation einerder Banden ergab, dass es sich hierbei um nm 23(Nukleosid-diphosphat-kinase) handelte, einem Protein dasebenfalls von verschiedenen Tumoren sekretiert wird.

Drug delivery, entry and intracellular trafficking of polymeric nanoparticles

Polymere Nanopartikel sind kleine Teilchen, die vielseitige Einsatzmöglichkeiten für den Transport von Wirkstoffen bieten. Da Nanomaterialien in diesen biomedizinischen Anwendungen oft mit biologischen Systemen in Berührung kommen, erfordert das eine genaue Untersuchung ihrer gegenseitigen Wechselwirkungen. In diesem speziellen Forschungsgebiet, welches sich auf die Interaktionen von Nanomaterialien mit biologischen Komponenten konzentriert, wurde bereits eine Vielzahl verschiedener Nanopartikel-Zell-Interaktionen (z. B. Nanotoxizität, Wirkstofftransport-mechanismen) analysiert. Bezüglich der Untersuchungen zu nanopartikulären Wirkstofftransport-mechanismen ist es im Allgemeinen akzeptiert, dass ein erfolgreicher zellulärer Transport hauptsächlich von der Aufnahme des Nanotransporters abhängt. Deshalb analysieren wir in dieser Arbeit (1) den Wirkstofftransportmechanismus für biologisch-abbaubare eisenhaltige Poly-L-Milchsäure Nanopartikel (PLLA-Fe-PMI) sowie (2) die Aufnahmemechanismen und die intrazellulären Transportwege von nicht-abbaubaren superparamagnetischen Polystyrolnanopartikeln (SPIOPSN). rnIn dieser Arbeit identifizieren wir einen bisher unbekannten und nicht-invasiven Wirkstoff-transportmechanismus. Dabei zeigt diese Studie, dass der subzelluläre Transport der nanopartikulärer Fracht nicht unbedingt von einer Aufnahme der Nanotransporter abhängt. Der identifizierte Arzneimitteltransportmechanismus basiert auf einem einfachen physikochemischen Kontakt des hydrophoben Poly-L-Milchsäure-Nanopartikels mit einer hydrophoben Oberfläche, wodurch die Freisetzung der nanopartikulären Fracht ausgelöst wird. In Zellexperimenten führt die membranvermittelte Freisetzung der nanopartikulären Fracht zu ihrem sofortigen Transport in TIP47+- und ADRP+- Lipidtröpfchen. Der Freisetzungsmechanismus („kiss-and-run") kann durch die kovalente Einbindung des Frachtmoleküls in das Polymer des Nanopartikels blockiert werden.rnWeiterhin wird in Langzeitversuchen gezeigt, dass die Aufnahme der untersuchten polymeren Nanopartikel von einem Makropinozytose-ähnlichen Mechanismus gesteuert wird. Im Laufe dieser Arbeit werden mehrere Faktoren identifiziert, die in diesem Aufnahmemechanismus eine Rolle spielen. Darunter fallen unter anderem die kleinen GTPasen Rac1 und ARF1, die die Aufnahme von SPIOPSN beeinflussen. Darauffolgend werden die intrazellulären Transportwege der Nanopartikel untersucht. Mit Hilfe eines neuartigen Massenspektrometrieansatzes wird der intrazelluläre Transport von nanopartikelhaltigen endozytotischen Vesikeln rekonstruiert. Intensive Untersuchungen identifizieren Marker von frühen Endosomen, späten Endosomen/ multivesikulären Körpern, Rab11+- Endosomen, Flotillin-Vesikeln, Lysosomen und COP-Vesikeln. Schließlich wird der Einfluss des lysosomalen Milieus auf die Proteinhülle der Nanopartikel untersucht. Hier wird gezeigt, dass die adsorbierte Proteinhülle auf den Nanopartikeln in die Zelle transportiert wird und anschließend im Lysosom abgebaut wird. rnInsgesamt verdeutlicht diese Arbeit, dass die klassische Strategie des nanopartikulären und invasiven Wirkstofftransportmechanismuses überdacht werden muss. Weiterhin lässt sich aus den Daten schlussfolgern, dass polymere Nanopartikel einem atypischen Makropinozytose-ähnlichen Aufnahmemechanismus unterliegen. Dies resultiert in einem intrazellulären Transport der Nanopartikel von Makropinosomen über multivesikuläre Körperchen zu Lysosomen.rn

Clathrin heavy chain plays multiple roles in polarizing the Drosophila oocyte downstream of Bic-D

Bicaudal-D (Bic-D), Egalitarian (Egl), microtubules and their motors form a transport machinery that localizes a remarkable diversity of mRNAs to specific cellular regions during oogenesis and embryogenesis. Bic-D family proteins also promote dynein-dependent transport of Golgi vesicles, lipid droplets, synaptic vesicles and nuclei. However, the transport of these different cargoes is still poorly understood. We searched for novel proteins that either mediate Bic-Ddependent transport processes or are transported by them. Clathrin heavy chain (Chc) co-immunopurifies with Bic-D in embryos and ovaries, and a fraction of Chc colocalizes with Bic-D. Both proteins control posterior patterning of the Drosophila oocyte and endocytosis. Although the role of Chc in endocytosis is well established, our results show that Bic-D is also needed for the elevated endocytic activity at the posterior of the oocyte. Apart fromaffecting endocytosis indirectly by its role in osk mRNA localization, Bic-D is also required to transport Chc mRNA into the oocyte and for transport and proper localization of Chc protein to the oocyte cortex, pointing to an additional,more direct role of Bic-D in the endocytic pathway. Furthermore, similar to Bic-D, Chc also contributes to proper localization of osk mRNA and to oocyte growth. However, in contrast to other endocytic components and factors of the endocytic recycling pathway, such as Rabenosyn-5 (Rbsn-5) and Rab11, Chc is needed during early stages of oogenesis (from stage 6 onwards) to localize oskmRNA correctly.Moreover,we also uncovered a novel, presumably endocytosis-independent, role of Chc in the establishment of microtubule polarity in stage 6 oocytes.

Differential Regulation of Secretory Compartments Containing the Insulin-responsive Glucose Transporter 4 in 3T3-L1 Adipocytes

Insulin and guanosine-5′-O-(3-thiotriphosphate) (GTPγS) both stimulate glucose transport and translocation of the insulin-responsive glucose transporter 4 (GLUT4) to the plasma membrane in adipocytes. Previous studies suggest that these effects may be mediated by different mechanisms. In this study we have tested the hypothesis that these agonists recruit GLUT4 by distinct trafficking mechanisms, possibly involving mobilization of distinct intracellular compartments. We show that ablation of the endosomal system using transferrin-HRP causes a modest inhibition (∼30%) of insulin-stimulated GLUT4 translocation. In contrast, the GTPγS response was significantly attenuated (∼85%) under the same conditions. Introduction of a GST fusion protein encompassing the cytosolic tail of the v-SNARE cellubrevin inhibited GTPγS-stimulated GLUT4 translocation by ∼40% but had no effect on the insulin response. Conversely, a fusion protein encompassing the cytosolic tail of vesicle-associated membrane protein-2 had no significant effect on GTPγS-stimulated GLUT4 translocation but inhibited the insulin response by ∼40%. GTPγS- and insulin-stimulated GLUT1 translocation were both partially inhibited by GST-cellubrevin (∼50%) but not by GST-vesicle-associated membrane protein-2. Incubation of streptolysin O-permeabilized 3T3-L1 adipocytes with GTPγS caused a marked accumulation of Rab4 and Rab5 at the cell surface, whereas other Rab proteins (Rab7 and Rab11) were unaffected. These data are consistent with the localization of GLUT4 to two distinct intracellular compartments from which it can move to the cell surface independently using distinct sets of trafficking molecules.

A FYVE-finger-containing protein, Rabip4, is a Rab4 effector involved in early endosomal traffic

The small GTPase Rab4 is implicated in endocytosis in all cell types, but also plays a specific role in some regulated processes. To better understand the role of Rab4 in regulation of vesicular trafficking, we searched for an effector(s) that specifically recognizes its GTP-bound form. We cloned a ubiquitous 69-kDa protein, Rabip4, that behaves as a Rab4 effector in the yeast two-hybrid system and in the mammalian cell. Rabip4 contains two coiled-coil domains and a FYVE-finger domain. When expressed in CHO cells, Rabip4 is present in early endosomes, because it is colocated with endogenous Early Endosome Antigen 1, although it is absent from Rab11-positive recycling endosomes and Rab-7 positive late endosomes. The coexpression of Rabip4 with active Rab4, but not with inactive Rab4, leads to an enlargement of early endosomes. It strongly increases the degree of colocalization of markers of sorting (Rab5) and recycling (Rab11) endosomes with Rab4. Furthermore, the expression of Rabip4 leads to the intracellular retention of a recycling molecule, the glucose transporter Glut 1. We propose that Rabip4, an effector of Rab4, controls early endosomal traffic possibly by activating a backward transport step from recycling to sorting endosomes.

Myosin Vb Is Associated with Plasma Membrane Recycling Systems

Myosin Va is associated with discrete vesicle populations in a number of cell types, but little is known of the function of myosin Vb. Yeast two-hybrid screening of a rabbit parietal cell cDNA library with dominant active Rab11a (Rab11aS20V) identified myosin Vb as an interacting protein for Rab11a, a marker for plasma membrane recycling systems. The isolated clone, corresponding to the carboxyl terminal 60 kDa of the myosin Vb tail, interacted with all members of the Rab11 family (Rab11a, Rab11b, and Rab25). GFP-myosin Vb and endogenous myosin Vb immunoreactivity codistributed with Rab11a in HeLa and Madin-Darby canine kidney (MDCK) cells. As with Rab11a in MDCK cells, the myosin Vb immunoreactivity was dispersed with nocodazole treatment and relocated to the apical corners of cells with taxol treatment. A green fluorescent protein (GFP)-myosin Vb tail chimera overexpressed in HeLa cells retarded transferrin recycling and caused accumulation of transferrin and the transferrin receptor in pericentrosomal vesicles. Expression of the myosin Vb tail chimera in polarized MDCK cells stably expressing the polymeric IgA receptor caused accumulation of basolaterally endocytosed polymeric IgA and the polymeric IgA receptor in the pericentrosomal region. The myosin Vb tail had no effects on transferrin trafficking in polarized MDCK cells. The GFP-myosin Va tail did not colocalize with Rab11a and had no effects on recycling system vesicle distribution in either HeLa or MDCK cells. The results indicate myosin Vb is associated with the plasma membrane recycling system in nonpolarized cells and the apical recycling system in polarized cells. The dominant negative effects of the myosin Vb tail chimera indicate that this unconventional myosin is required for transit out of plasma membrane recycling systems.

Characterization of the role of the Rab GTPase-activating protein AS160 in insulin-regulated GLUT4 trafficking

Insulin stimulates the translocation of the glucose transporter GLUT4 from intracellular vesicles to the plasma membrane. In the present study we have conducted a comprehensive proteomic analysis of affinity-purified GLUT4 vesicles from 3T3-L1 adipocytes to discover potential regulators of GLUT4 trafficking. In addition to previously identified components of GLUT4 storage vesicles including the insulin-regulated aminopeptidase insulin-regulated aminopeptidase and the vesicle soluble N-ethylmaleimide factor attachment protein (v-SNARE) VAMP2, we have identified three new Rab proteins, Rab10, Rab11, and Rab14, on GLUT4 vesicles. We have also found that the putative Rab GTPase-activating protein AS160 (Akt substrate of 160 kDa) is associated with GLUT4 vesicles in the basal state and dissociates in response to insulin. This association is likely to be mediated by the cytosolic tail of insulin-regulated aminopeptidase, which interacted both in vitro and in vivo with AS160. Consistent with an inhibitory role of AS160 in the basal state, reduced expression of AS160 in adipocytes using short hairpin RNA increased plasma membrane levels of GLUT4 in an insulin-independent manner. These findings support an important role for AS160 in the insulin regulated trafficking of GLUT4.

Regulated localization of rab18 to lipid droplets - Effects of lipolytic stimulation and inhibition of lipid droplet catabolism

Rab GTPases are crucial regulators of membrane traffic. Here we have examined a possible association of Rab proteins with lipid droplets (LDs), neutral lipid-containing organelles surrounded by a phospholipid monolayer, also known as lipid bodies, which have been traditionally considered relatively inert storage organelles. Although we found close apposition between LDs and endosomal compartments labeled by expressed Rab5, Rab7, or Rab11 constructs, there was no detectable labeling of the LD surface itself by these Rab proteins. In contrast, GFP-Rab18 localized to LDs and immunoelectron microscopy showed direct association with the monolayer surface. Green fluorescent protein (GFP)-Rab18-labeled LDs underwent oscillatory movements in a localized area as well as sporadic, rapid, saltatory movements both in the periphery of the cell and toward the perinuclear region. In both adipocytes and non-adipocyte cell lines Rab18 localized to a subset of LDs. To gain insights into this specific localization, Rab18 was co-expressed with Cav3(DGV), a truncation mutant of caveolin-3 shown to inhibit the catabolism and motility of lipid droplets. GFP-Rab18 and mRFP-Cav3(DGV) labeled mutually exclusive subpopulations of LDs. Moreover, in 3T3-L1 adipocytes, stimulation of lipolysis increased the localization of Rab18 to LDs, an effect reversed by beta-adrenergic antagonists. These results show that a Rab protein localizes directly to the monolayer surface of LDs. In addition, association with the LD surface was increased following stimulation of lipolysis and inhibited by a caveolin mutant suggesting that recruitment of Rab18 is regulated by the metabolic state of individual LDs.

Differential downregulation of e-cadherin and desmoglein by epidermal growth factor.

Modulation of cell : cell junctions is a key event in cutaneous wound repair. In this study we report that activation of the epidermal growth factor (EGF) receptor disrupts cell : cell adhesion, but with different kinetics and fates for the desmosomal cadherin desmoglein and for E-cadherin. Downregulation of desmoglein preceded that of E-cadherin in vivo and in an EGF-stimulated in vitro wound reepithelialization model. Dual immunofluorescence staining revealed that neither E-cadherin nor desmoglein-2 internalized with the EGF receptor, or with one another. In response to EGF, desmoglein-2 entered a recycling compartment based on predominant colocalization with the recycling marker Rab11. In contrast, E-cadherin downregulation was accompanied by cleavage of the extracellular domain. A broad-spectrum matrix metalloproteinase inhibitor protected E-cadherin but not the desmosomal cadherin, desmoglein-2, from EGF-stimulated disruption. These findings demonstrate that although activation of the EGF receptor regulates adherens junction and desmosomal components, this stimulus downregulates associated cadherins through different mechanisms.

β-Arrestin-mediated Regulation of the Human Ether-a-go-go-Related Gene (hERG) Potassium Channel

The human ether-a-go-go-related gene (hERG) encodes the voltage-gated K+ channel, hERG (Kv11.1). This channel passes the rapidly-activating delayed rectifier K+ current (IKr), which is important for cardiac repolarization. A reduction in IKr due to loss-of-function mutations or drug interactions causes long QT syndrome (LQTS), which can lead to cardiac arrhythmias and sudden cardiac death. The density of hERG channels in the plasma membrane is a key determinant of normal physiological function, and is balanced by trafficking to and from the cell surface. Many LQTS-associated hERG mutations result in a trafficking deficiency of otherwise functional channels. Thus, elucidating mechanisms of hERG regulation at the plasma membrane is useful for the prevention and treatment of LQTS. We previously demonstrated that M3 muscarinic receptor activation increases mature hERG expression through a Gq protein-dependent protein kinase C (PKC) pathway. In addition to conventional Gq protein-coupling, M3 receptors recruit β-arrestins upon agonist binding. Traditionally known for their role in receptor desensitization and internalization, β-arrestins also act as adaptor proteins to facilitate G protein-independent signaling. In the present work, I investigated the exclusive effect of β-arrestin signaling on hERG expression by utilizing an arrestin-biased M3 designer receptor (M3D-arr) exclusively activated by clozapine-N-oxide (CNO). By expressing M3D-arr in hERG-HEK cells and treating with CNO under various conditions, I found that M3D-arr activation increased mature hERG expression and current. Within this paradigm, M3D-arr recruited β-arrestin to the plasma membrane, and promoted the PI3K-dependent activation of Akt. I further found that the activated Akt acted through phosphatidylinositol 3-phosphate 5-kinase (PIKfyve) and Rab11 to facilitate endosomal recycling of hERG channels to the plasma membrane.