Actin acting at the Golgi

The organization, assembly and remodeling of the actin cytoskeleton provide force and tracks for a variety of (endo)membrane-associated events such as membrane trafficking. This review illustrates in different cellular models how actin and many of its numerous binding and regulatory proteins (actin and co-workers) participate in the structural organization of the Golgi apparatus and in traf- ficking-associated processes such as sorting, biogenesis and motion of Golgi-derived transport carriers.

Interactome analysis reveals that FAM161A, deficient in recessive retinitis pigmentosa, is a component of the Golgi-centrosomal network.

Defects in FAM161A, a protein of unknown function localized at the cilium of retinal photoreceptor cells, cause retinitis pigmentosa, a form of hereditary blindness. By using different fragments of this protein as baits to screen cDNA libraries of human and bovine retinas, we defined a yeast two-hybrid-based FAM161A interactome, identifying 53 bona fide partners. In addition to statistically significant enrichment in ciliary proteins, as expected, this interactome revealed a substantial bias towards proteins from the Golgi apparatus, the centrosome and the microtubule network. Validation of interaction with key partners by co-immunoprecipitation and proximity ligation assay confirmed that FAM161A is a member of the recently recognized Golgi-centrosomal interactome, a network of proteins interconnecting Golgi maintenance, intracellular transport and centrosome organization. Notable FAM161A interactors included AKAP9, FIP3, GOLGA3, KIFC3, KLC2, PDE4DIP, NIN and TRIP11. Furthermore, analysis of FAM161A localization during the cell cycle revealed that this protein followed the centrosome during all stages of mitosis, likely reflecting a specific compartmentalization related to its role at the ciliary basal body during the G0 phase. Altogether, these findings suggest that FAM161A's activities are probably not limited to ciliary tasks but also extend to more general cellular functions, highlighting possible novel mechanisms for the molecular pathology of retinal disease.

Untersuchung von Morphologie, Enzymverteilungen und Transportdynamik des Golgi-Apparates lebender Säugerzellen mittels hochauflösender MMM-4Pi-Mikroskopie in zwei Farben

Seit der Entdeckung des Golgi-Apparates im Jahre 1898 wurden seine Struktur, seine enzymatische Zusammensetzung und die Dynamik des in ihm stattfindenden Proteintransports intensiv untersucht. Dennoch blieben bis heute wesentliche Fragen zu seiner Funktionsweise unbeantwortet. So existieren nach wie vor mehrer konkurrierende Modelle zur Organisation der hoch komplexen räumlichen Verteilung seiner Enzyme sowie zum grundlegenden Mechanismus des Intra-Golgi Transports. Die Beantwortung dieser und weiterer Fragen ist für das Verständnis des Golgi-Apparates essentiell, aber aus methodischen Gründen höchst schwierig, da es bisher nicht möglich war die Struktur und Dynamik des Golgi-Apparates lebender Zellen mit der hierfür notwendigen Auflösung und Geschwindigkeit zu untersuchen. Bis heute gibt es für die funktionsmorphologischen Untersuchungen des Golgi-Apparates lebender Zellen keine echte Alternative zur Fernfeld- Fluoreszenzmikroskopie. Das MMM-4Pi-Mikroskop ermöglicht als erstes Fluoreszenzmikroskop, aufgrund seiner Auflösung von ~200 nm in der Fokalebene und 100-150 nm entlang der optischen Achse, die Untersuchung der Subkompartimente des Golgi-Apparates und kann, aufgrund seiner hohen Aufnahmegeschwindigkeit von 0.5 Hz, die Dynamik des Intra-Golgi Transports zeitlich auflösen. Ziel dieser Arbeit war es daher, den Golgi-Apparate lebender Zellen in zwei Farben sowie mit einer bisher nicht möglichen räumlichen und zeitlichen Auflösung zu untersuchen. Um die Leistungsfähigkeit der dreidimensionalen Bildgebung dieser Methode zu überprüfen, wurde erstmals der Golgi-Apparat fixierter Säugerzellen korrelativ mit dem Transmissionselektronenmikroskop und dem MMM-4Pi-Mikroskop aufgenommen. Die rekonstruierten Strukturen korrelierten in allen drei Raumrichtungen zu über 80%, was die Validität beider Methoden eindrucksvoll unter Beweis stellt. Zudem konnten mit dem MMM-4Pi-Mikroskop Aussackungen von Golgi-Cisternen aufgelöst werden, was die Eignung dieser Methode zur strukturellen Analyse der Subkompartimente des Golgi-Apparates unterstreicht. Des Weiteren wurde, in einer Reihe zweifarbiger Aufnahmeserien, die Verteilung dreier Golgi-Enzyme in lebenden Säugerzellen untersucht, und ihre mittlere relative Distanz bestimmt. Ihre aus der Literatur bekannten Lokalisationen konnten in zwei Fällen bestätigt (GalT, MannII) und in einem Fall korrigiert werden (2-OST). Im Gegensatz zu der konfokal bestimmten Cis-/Mid-Lokalisation von 2-OST zeigen die Ergebnisse der hoch aufgelösten Distanzanalyse deutlich, dass eine Mid-/Trans-Lokalisation vorliegt. Dieses Ergebnis wurde elektronenmikroskopisch überprüft und bestätigt. Da die räumliche Anordnung der Golgi-Enzyme die Reihenfolge ihrer Akitvität wiederspiegelt, ist eine möglichst präzise Bestimmung ihrer Konzentrationsverteilungen essentiell, um die Funktion des Golgi-Apparates zu verstehen. Insbesondere zeigt dieses Resultat, dass die Bestimmung der Lokalisation von Golgi-Enzymen über konfokale Kolokalisationsstudien zu falschen Ergebnissen führen kann. Die Kombination hoher räumlicher Auflösung mit einer schnellen Datenaufnahme erlaubte die Analyse der Transportdynamik innerhalb des Golgi-Apparates von Säugerzellen. In mehreren Zeitserien zweifarbiger Aufnahmen wurde der Transport des Frachtproteins VSVG relativ zum Trans-Golgi-Marker GalT untersucht. Dabei zeigte sich, dass das Trans-Golgi-Kompartiment in einigen Fällen durch eine deutliche Formänderung auf die Ankunft eines VSVG-Transportpulses reagierte und sich insgesamt wesentlich dynamischer verhielt als der Transportpuls selbst. Diese Beobachtung bestätigt tendenziell Transportmodelle, die den Golgi-Apparat nicht als statisches, sondern als dynamisches, aktiv am Transport beteiligtes Organell beschreiben. Die hier vorgestellten Experimente stellen die ersten Untersuchungen zur Verteilung von Golgi-Enzymen sowie zur Transportdynamik des Golgi-Apparates lebender Zellen mit einer dreidimensionalen Auflösung im Bereich von 100-200 nm dar. Wie am Beispiel von 2 OST gezeigt, ist es mit dem MMM-4Pi-Mikroskop allgemein möglich, die Lokalisation von Golgi-Enzymen wesentlich präziser als bisher zu bestimmen. Bei der Untersuchung dynamischer Prozesse ist in naher Zukunft eine Steigerung der Leistungsfähigkeit der Methode zu erwarten. Zum einen werden CCD-Kameras mit kürzeren Auslesezeiten und einer elektronischen Verstärkung des Signals die Datenaufnahme weiter beschleunigen. Zum anderen könnte durch die Entwicklung eines parallelisierten Mikroskops mit Einphotonen-Anregung das Bleichen konsekutiver Aufnahmen verringert werden, wodurch längere Aufnahmeserien möglich sein werden.

BPAG1a and b Associate with EB1 and EB3 and Modulate Vesicular Transport, Golgi Apparatus Structure, and Cell Migration in C2.7 Myoblasts.

BPAG1a and BPAG1b (BPAG1a/b) constitute two major isoforms encoded by the dystonin (Dst) gene and show homology with MACF1a and MACF1b. These proteins are members of the plakin family, giant multi-modular proteins able to connect the intermediate filament, microtubule and microfilament cytoskeletal networks with each other and to distinct cell membrane sites. They also serve as scaffolds for signaling proteins that modulate cytoskeletal dynamics. To gain better insights into the functions of BPAG1a/b, we further characterized their C-terminal region important for their interaction with microtubules and assessed the role of these isoforms in the cytoskeletal organization of C2.7 myoblast cells. Our results show that alternative splicing does not only occur at the 5' end of Dst and Macf1 pre-mRNAs, as previously reported, but also at their 3' end, resulting in expression of additional four mRNA variants of BPAG1 and MACF1. These isoform-specific C-tails were able to bundle microtubules and bound to both EB1 and EB3, two microtubule plus end proteins. In the C2.7 cell line, knockdown of BPAG1a/b had no major effect on the organization of the microtubule and microfilament networks, but negatively affected endocytosis and maintenance of the Golgi apparatus structure, which became dispersed. Finally, knockdown of BPAG1a/b caused a specific decrease in the directness of cell migration, but did not impair initial cell adhesion. These data provide novel insights into the complexity of alternative splicing of Dst pre-mRNAs and into the role of BPAG1a/b in vesicular transport, Golgi apparatus structure as well as in migration in C2.7 myoblasts.

Trypanosoma brucei Bloodstream Forms Depend upon Uptake of myo-Inositol for Golgi Complex Phosphatidylinositol Synthesis and Normal Cell Growth

myo-Inositol is a building block for all inositol-containing phospholipids in eukaryotes. It can be synthesized de novo from glucose-6-phosphate in the cytosol and endoplasmic reticulum. Alternatively, it can be taken up from the environment via Na(+)- or H(+)-linked myo-inositol transporters. While Na(+)-coupled myo-inositol transporters are found exclusively in the plasma membrane, H(+)-linked myo-inositol transporters are detected in intracellular organelles. In Trypanosoma brucei, the causative agent of human African sleeping sickness, myo-inositol metabolism is compartmentalized. De novo-synthesized myo-inositol is used for glycosylphosphatidylinositol production in the endoplasmic reticulum, whereas the myo-inositol taken up from the environment is used for bulk phosphatidylinositol synthesis in the Golgi complex. We now provide evidence that the Golgi complex-localized T. brucei H(+)-linked myo-inositol transporter (TbHMIT) is essential in bloodstream-form T. brucei. Downregulation of TbHMIT expression by RNA interference blocked phosphatidylinositol production and inhibited growth of parasites in culture. Characterization of the transporter in a heterologous expression system demonstrated a remarkable selectivity of TbHMIT for myo-inositol. It tolerates only a single modification on the inositol ring, such as the removal of a hydroxyl group or the inversion of stereochemistry at a single hydroxyl group relative to myo-inositol.

Syntaxin 6- and microtubule- mediated intracellular trafficking contributes to Golgi and nuclear translocation of EGFR

Receptor-mediated endocytosis is well known for its degradation and recycling trafficking. Recent evidence shows that these cell surface receptors translocate from cell surface to different cellular compartments, including the Golgi, mitochondria, endoplasmic reticulum (ER), and the nucleus to regulate physiological and pathological functions. Although some trafficking mechanisms have been resolved, the mechanism of intracellular trafficking from cell surface to the Golgi is not yet completed understood. Here we report a mechanism of Golgi translocation of EGFR in which EGF-induced EGFR travels to the Golgi via microtubule (MT)-dependent movement by interacting with dynein and fuses with the Golgi through syntaxin 6 (Syn6)-mediated membrane fusion. We also demonstrate that the Golgi translocation of EGFR is necessary for its consequent nuclear translocation and transcriptional activity. Interestingly, foreign protein such as bacterial cholera toxin, which is known to activate its pathological function through the Golgi/ER retrograde pathway, also utilizes the MT/Syn6 pathway. Thus, the MT, and syntaxin 6 mediated trafficking pathway from cell surface to the Golgi and ER defines a comprehensive retrograde trafficking route for both cellular and foreign molecules to travel from cell surface to the Golgi and the nucleus.

Specific interaction of the yeast cis-Golgi syntaxin Sed5p and the coat protein complex II component Sec24p of endoplasmic reticulum-derived transport vesicles

The generation of transport vesicles at the endoplasmic reticulum (ER) depends on cytosolic proteins, which, in the form of subcomplexes (Sec23p/Sec24p; Sec13p/Sec31p) are recruited to the ER membrane by GTP-bound Sar1p and form the coat protein complex II (COPII). Using affinity chromatography and two-hybrid analyses, we found that the essential COPII component Sec24p, but not Sec23p, binds to the cis-Golgi syntaxin Sed5p. Sec24p/Sed5p interaction in vitro was not dependent on the presence of [Sar1p⋅GTP]. The binding of Sec24p to Sed5p is specific; none of the other seven yeast syntaxins bound to this COPII component. Whereas the interaction site of Sec23p is within the N-terminal half of the 926-aa-long Sec24p (amino acid residues 56–549), Sed5p binds to the N- and C-terminal halves of the protein. Destruction by mutagenesis of a potential zinc finger within the N-terminal half of Sec24p led to a nonfunctional protein that was still able to bind Sec23p and Sed5p. Sec24p/Sed5p binding might be relevant for cargo selection during transport-vesicle formation and/or for vesicle targeting to the cis-Golgi.