Death and resurrection of the human IRGM gene

Immunity-related GTPases (IRG) play an important role in defense against intracellular pathogens. One member of this gene family in humans, IRGM, has been recently implicated as a risk factor for Crohn's disease. We analyzed the detailed structure of this gene family among primates and showed that most of the IRG gene cluster was deleted early in primate evolution, after the divergence of the anthropoids from prosimians ( about 50 million years ago). Comparative sequence analysis of New World and Old World monkey species shows that the single-copy IRGM gene became pseudogenized as a result of an Alu retrotransposition event in the anthropoid common ancestor that disrupted the open reading frame (ORF). We find that the ORF was reestablished as a part of a polymorphic stop codon in the common ancestor of humans and great apes. Expression analysis suggests that this change occurred in conjunction with the insertion of an endogenous retrovirus, which altered the transcription initiation, splicing, and expression profile of IRGM. These data argue that the gene became pseudogenized and was then resurrected through a series of complex structural events and suggest remarkable functional plasticity where alleles experience diverse evolutionary pressures over time. Such dynamism in structure and evolution may be critical for a gene family locked in an arms race with an ever-changing repertoire of intracellular parasites.

Expression of an uncleavable N-terminal RasGAP fragment in insulin-secreting cells increases their resistance toward apoptotic stimuli without affecting their glucose-induced insulin secretion.

Apoptosis of pancreatic beta cells is implicated in the onset of type 1 and type 2 diabetes. Consequently, strategies aimed at increasing the resistance of beta cells toward apoptosis could be beneficial in the treatment of diabetes. RasGAP, a regulator of Ras and Rho GTPases, is an atypical caspase substrate, since it inhibits, rather than favors, apoptosis when it is partially cleaved by caspase-3 at position 455. The antiapoptotic signal generated by the partial processing of RasGAP is mediated by the N-terminal fragment (fragment N) in a Ras-phosphatidylinositol 3-kinase-Akt-dependent, but NF-kappaB-independent, manner. Further cleavage of fragment N at position 157 abrogates its antiapoptotic properties. Here we demonstrate that an uncleavable form of fragment N activates Akt, represses NF-kappaB activity, and protects the conditionally immortalized pancreatic insulinoma betaTC-tet cell line against various insults, including exposure to genotoxins, trophic support withdrawal, and incubation with inflammatory cytokines. Fragment N also induced Akt activity and protection against cytokine-induced apoptosis in primary pancreatic islet cells. Fragment N did not alter insulin cell content and insulin secretion in response to glucose. These data indicate that fragment N protects beta cells without affecting their function. The pathways regulated by fragment N are therefore promising targets for antidiabetogenic therapy.

NSAIDs inhibit alpha V beta 3 integrin-mediated and Cdc42/Rac-dependent endothelial-cell spreading, migration and angiogenesis.

Cyclooxygenase-2 (COX-2), a key enzyme in arachidonic acid metabolism, is overexpressed in many cancers. Inhibition of COX-2 by nonsteroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs) reduces the risk of cancer development in humans and suppresses tumor growth in animal models. The anti-cancer effect of NSAIDs seems to involve suppression of tumor angiogenesis, but the underlying mechanism is not completely understood. Integrin alpha V beta 3 is an adhesion receptor critically involved in mediating tumor angiogenesis. Here we show that inhibition of endothelial-cell COX-2 by NSAIDs suppresses alpha V beta 3-dependent activation of the small GTPases Cdc42 and Rac, resulting in inhibition of endothelial-cell spreading and migration in vitro and suppression of fibroblast growth factor-2-induced angiogenesis in vivo. These results establish a novel functional link between COX-2, integrin alpha V beta 3 and Cdc42-/Rac-dependent endothelial-cell migration. Moreover, they provide a rationale to the understanding of the anti-angiogenic activity of NSAIDs.

The role of the vacuolar H+ - ATPase in membrane fusion

RésuméLa H+-ATPase vacuolaire (V-ATPase) est un complexe enzymatique composé de deux secteurs multimériques (VQ et Vi) dont l'association dans la cellule est réversible. Le secteur intramembranaire de la V-ATPase (V0) interagit physiquement avec des protéines SNARE et stimule la fusion homotypique des vacuoles de la levure (lysosomes), la sécrétion de neurotransmetteurs et d'insuline, la fusion entre phagosome et lysosome ainsi que la sécrétion des corps multivésiculaires par un mécanisme inconnu. Dans cette étude j'ai identifié des résidues d'acides amines situés dans des sous-unités de V0 impliqués dans le mécanisme de fusion des vacuoles mais non essentiels pour l'acidification vacuolaire par la V-ATPase. j'ai utilisé un protocole de mutagenèse aléatoire pour produire des libraries de mutants des sous unités de V0. Ces libraries ont été analysées in vivo afin d'identifier des alleles qui permettent la translocation des protons mais produisent une vacuole fragmentée, phénotype indiquant un défaut dans la fusion membranaire. Les vacuoles des mutants ont été isolées et caractéisées en utilisant une grande variété d'outils biochimiques pour déterminer précisément l'impact des différentes mutations sur l'accomplissement d'événements clés du processus de fusion.J'ai identifié des mutations associées à des défauts spécifiques de la fusion dans plusieurs sous-unités de V0. Dans les protéolipides c, c' et c" ces mutations se concentrent dans la partie cytosolique des domaines transmembranaires. Elles renforcent les associations entre les secteurs de la V-ATPase et entre V0 et les SNAREs. Dans la fusion vacuolaire ces mutations permettent la formation de complexes SNAREs en trans mais inhibent l'induction de la fusion. Par contre, la deletion de la sous- unité d influence les étapes de la fusion qui précèdent la formation des complexes trans-SNAREs. Mes résultats démontrent que V0 joue des rôles différents dans plusieurs étapes de la fusion et que ces fonctions sont liées au système des SNAREs. Ils différencient génétiquement les activités de V0 dans la translocation des protons et dans la fusion et identifient de nombreux résidus importants pour la fusion vacuolaire. De plus, compte tenu de la grande conservation de sequence des protéolipides chez les eukaryotes les mutations identifiées dans cette l'étude apportent de nouvelles informations pour analyser la fonction de V0 dans des organismes multicellulaires pour lesquels la function catalytique de la V-ATPase est essentielle à la survie.Résumé pour le large publicLe transport de protéines et de membranes est important pour maintenir la fonction des organelles dans la cellule. Il s'excerce au niveau des vesicules. La fusion membranaire est un processus élémentaire de ce transport. Pour fusionner deux membranes, il faut la coordination de deux activités: le rapprochement et la déstabiiization des deux membranes. La collaboration d'un ensemble de proteins conservés chez les eukaryotes, est nécessaire pour catalyser ces activités. Les proteins SNAREs sont les protagonistes principaux dans la fusion membranaire. Néanmoins, d'autres protéines, comme des Rab-GTPases et des chaperonnes, sont nécessaires pour permettre ce phénomène de fusion. Toutes ces protéines sont temporairement associées avec les SNAREs et leur fonction dans la fusion membranaire est souvent directement liée à leur activité dans cette association. Le secteur transmembranaire V0 de la V-ATPase rnteragit avec des SNAREs et est essentiel pour la fusion dans une variété de systèmes modèles comme la mouche, la souris et la levure. Le secteur V0 est composé de six protéines différentes. Avec te secteur Va, qui réside dans le cytosol, il forme la V-ATPase dont la fonction principale est l'acidification des organelles par translocation des protons à travers la membrane par un mécanisme ressemblant à celui d'une pompe. V0joue un role dans la fusion membranaire, indépendamment de son activité catalytique liée au pompage des protons, et ce rôle est encore largement méconnu à ce jour. Le but de ma thèse était de mieux comprendre l'implication de V0 dans ce contexte.Pour étudier des activités liées à la V-ATPase, la levure est un excellent modèle d'étude car elle survie à une inactivation de l'enzyme alors que le meme traitement serait léthal pour des organismes multicellulaires. Dans ma thèse j'ai utilisé la fusion homotypique de la vacuole de levure comme système modèle pour étudier le rôle de V0 dans la fusion. J'ai muté des gènes qui encodent des sous- unités de V0 et les ai introduit dans des souches privées des gènes respectifs. Dans les librairies de souches portant différentes versions de ces gènes j'ai cherché des clones exprimant une V-ATPase intacte et fonctionnelle mais qui possèdent une vacuole fragmentée. Le plus souvent, une vacuole fragmentée indique un défaut dans la fusion vacuolaire. Dans les trois types de protéolipides qui composent un cylindre dans le secteur V0, j'ai trouvé des clones avec une vacuole fragmentée. Après avoir isolé les mutations responsable de ce type de morphologie vacuolaire, j'ai isolé les vacuoles de ces clones pour étudier leur activités dans différentes étapes de la fusion vacuolaire. Les résultats de ces analyses mettent en évidence une implication de V0 dans plusieurs étapes de la fusion vacuolaire. Certaines mutations sélectionnées dans mon étude inhibent une étape précoce de la fusion qui inclue la dissociation des complexes SNARE, tandis que d'autres mutations inhibent une étape tardive du processus de fusion qui inclue la transmission d'une force disruptive dans la membrane.AbstractThe membrane-integral V0 sector of the vacuolar H+-ATPase (V-ATPase) interacts with SNARE proteins. V0 stimulates fusion between yeast vacuoles (lysosomes) (Peters et al., 2001b), secretion of neurotransmitters and insulin (Hiesinger et al., 2005a, Sun-Wada et al., 2006a), phagosome-lysosome fusion (Peri and Nusslein-Volhard, 2008) and secretion of multivesicular bodies (Liegeois et al., 2006b) by a yet unknown mechanism. In my thesis, I identified sites in V0 subunits that are involved in yeast vacuole fusion but dispensable for the proton pumping by the V-ATPase. I randomly mutagenized V0 subunits and screened in vivo for mutant alleles that support proton pumping but cause fragmented vacuoles, a phenotype indicative of a fusion defect. Mutant vacuoles were isolated and analyzed in a cell-free system, allowing assay of key events in fusion, such as trans-SNARE pairing, lipid transition and fusion pore opening (Reese et al., 2005b).Mutants with selective fusion defects were found in several V0 subunits. In the proteolipids c, c' and c", critical mutations are concentated in the cytosolic half of the transmembrane domains. These mutations rendered the V-ATPase holoenzyme more stable and modulated V0-SNARE associations. In vacuole fusion critical proteolipid mutations permitted trans-SNARE pairing but impeded the induction of lipid flow between the membranes. Deletion of subunit d, by contrast, influenced early stages of fusion that precede trans-SNARE pairing. My results show that V0 acts in several steps of the fusion process and that its function is intimately connected to the SNARE system. They genetically separate the proton pump and fusion activities of V0 and identify numerous critical residues. Given the high sequence conservation of proteolipids in eukaryotic life, the identified mutations may be helpful in analyzing the fusion function of V0 also in mammalian cells, where V- ATPase pump function is essential for survival.

Receptor binding and cell entry of Old World arenaviruses reveal novel aspects of virus-host interaction.

Ten years ago, the first cellular receptor for the prototypic arenavirus lymphocytic choriomeningitis virus (LCMV) and the highly pathogenic Lassa virus (LASV) was identified as alpha-dystroglycan (alpha-DG), a versatile receptor for proteins of the extracellular matrix (ECM). Biochemical analysis of the interaction of alpha-DG with arenaviruses and ECM proteins revealed a strikingly similar mechanism of receptor recognition that critically depends on specific sugar modification on alpha-DG involving a novel class of putative glycosyltransferase, the LARGE proteins. Interestingly, recent genome-wide detection and characterization of positive selection in human populations revealed evidence for positive selection of a locus within the LARGE gene in populations from Western Africa, where LASV is endemic. While most enveloped viruses that enter the host cell in a pH-dependent manner use clathrin-mediated endocytosis, recent studies revealed that the Old World arenaviruses LCMV and LASV enter the host cell predominantly via a novel and unusual endocytotic pathway independent of clathrin, caveolin, dynamin, and actin. Upon internalization, the virus is rapidly delivered to endosomes via an unusual route of vesicular trafficking that is largely independent of the small GTPases Rab5 and Rab7. Since infection of cells with LCMV and LASV depends on DG, this unusual endocytotic pathway could be related to normal cellular trafficking of the DG complex. Alternatively, engagement of arenavirus particles may target DG for an endocytotic pathway not normally used in uninfected cells thereby inducing an entry route specifically tailored to the pathogen's needs.

Yellow submarine of the Wnt/Frizzled signaling: submerging from the G protein harbor to the targets.

The Wnt/Frizzled signaling pathway plays multiple functions in animal development and, when deregulated, in human disease. The G-protein coupled receptor (GPCR) Frizzled and its cognate heterotrimeric Gi/o proteins initiate the intracellular signaling cascades resulting in cell fate determination and polarization. In this review, we summarize the knowledge on the ligand recognition, biochemistry, modifications and interacting partners of the Frizzled proteins viewed as GPCRs. We also discuss the effectors of the heterotrimeric Go protein in Frizzled signaling. One group of these effectors is represented by small GTPases of the Rab family, which amplify the initial Wnt/Frizzled signal. Another effector is the negative regulator of Wnt signaling Axin, which becomes deactivated in response to Go action. The discovery of the GPCR properties of Frizzled receptors not only provides mechanistic understanding to their signaling pathways, but also paves new avenues for the drug discovery efforts.

GAP-independent functions of DLC1 in metastasis.

Metastases are responsible for most cancer-related deaths. One of the hallmarks of metastatic cells is increased motility and migration through extracellular matrixes. These processes rely on specific small GTPases, in particular those of the Rho family. Deleted in liver cancer-1 (DLC1) is a tumor suppressor that bears a RhoGAP activity. This protein is lost in most cancers, allowing malignant cells to proliferate and disseminate in a Rho-dependent manner. However, DLC1 is also a scaffold protein involved in alternative pathways leading to tumor and metastasis suppressor activities. Recently, substantial information has been gathered on these mechanisms and this review is aiming at describing the potential and known alternative GAP-independent mechanisms allowing DLC1 to impair migration, invasion, and metastasis formation.

ICER induced by hyperglycemia represses the expression of genes essential for insulin exocytosis.

The GTPases Rab3a and Rab27a and their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 are essential regulators of neuroendocrine secretion. Chronic exposure of pancreatic beta-cells to supraphysiological glucose levels decreased selectively the expression of these proteins. This glucotoxic effect was mimicked by cAMP-raising agents and blocked by PKA inhibitors. We demonstrate that the transcriptional repressor ICER, which is induced in a PKA-dependent manner by chronic hyperglycemia and cAMP-raising agents, is responsible for the decline of the four genes. ICER overexpression diminished the level of Granuphilin, Noc2, Rab3a and Rab27a by binding to cAMP responsive elements located in the promoters of these genes and inhibited exocytosis of beta-cells in response to secretagogues. Moreover, the loss in the expression of the genes of the secretory machinery caused by glucose and cAMP-raising agents was prevented by an antisense construct that reduces ICER levels. We propose that induction of inappropriate ICER levels lead to defects in the secretory process of pancreatic beta-cells possibly contributing, in conjunction with other known deleterious effects of hyperglycemia, to defective insulin release in type 2 diabetes.

Mécanismes moléculaires de la sécrétion d'insuline : implication de Slac2c/MyRIP, protéine effectrice de Rab27a, et rôle des phosphoinositides dans le processus d'exocytose

Résumé : La sécrétion de l'insuline en réponse au glucose circulant dans le sang est la fonction principale de la cellule β. La perte de cette fonction est une des caractéristiques du diabète de type 2. L'exocytose est une fonction cellulaire indispensable au renouvellement des composants lipidiques et protéiques de la membrane cellulaire, à la communication entre les cellules et au maintien d'un environnement adéquat. On peut distinguer deux types d'exocytose : l'exocytose constitutive et l'exocytose régulée. Cette dernière est déclenchée par des stimuli externes. L'exocytose régulée est contrôlée au niveau de la fusion des vésicules de sécrétion avec la membrane plasmique. Certains composants moléculaires impliqués dans ce processus font partie de la famille des GTPases Rab. Les deux membres de cette famille impliqués sont Rab3 et Rab27. Nous avons étudié le rôle de la GTPase Rab27 dans les cellules INS-1E, une lignée cellulaire pancréatique β qui sécrète de l'insuline de façon régulée. Nous avons trouvé que la diminution d'expression de la protéine en utilisant le technique de « RNA interference » diminue la sécrétion stimulée, mais que la distribution des granules n'est nullement affectées par ce changement d'activité intrinsèque. Un des effecteurs identifiés de cette GTPase est Slac2c/MyRIP. Cette protéine possède plusieurs domaines fonctionnels dont un qui lui permet de se lier à l'actine, constituant du cytosquelette cellulaire. L'ensemble de nos résultats suggèrent que Rab27 et MyRIP font partie d'un complexe permettant l'interaction de la granule de sécrétion avec le cytosquelette d'actine corticale et participent à la régulation des dernières étapes de l'exocytose d'insuline. Ensuite, nous avons étudié les phosphoinositides (PI). Les phosphoinositides sont d'importantes molécules impliquées dans le régulation du trafic vésiculaire. Nous avons trouvé que le phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) et le phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) augmentent la sécrétion sous l'action de 10µM de Ca2+ dans les cellules INS-1E perméabilisées avec la streptolysine-O. En plus, nous avons démontré que l'exocytose est diminuée dans les cellules intactes exprimant une protéine qui séquestre le PI(4,5)P2. Une diminution similaire est observée en diminuant l'expression de deux enzymes impliquées dans la production du PI(4,5)P2, la PI4Kinase β type III et la PIP5Kinase γ type I. Pour clarifier le mécanisme d'action des PI, nous avons investigué l'implication de trois cibles potentielles des PI, la PLD1, CAPS1 et Mint1. Pour ce faire, nous avons réduit le niveau d'expression endogène de ces protéines, ce qui inhibe la libération d'hormones provoquée par le glucose. Tout ceci indique donc que la production du PI(4,5)P2 est nécessaire pour le contrôle de la sécrétion et suggère qu'une partie de l'effet du PI sur la sécrétion pourrait être exercé par l'activation de la PLD1, CAPS1 et Mint1. Abstract Insulin release from pancreatic β-cells plays an essential role in the achievement of blood glucose homeostasis and defects in the regulation of this process lead to profound metabolic disorders and hyperglycaemia (eg. type 2 diabetes). Almost every cell in our organism releases proteins and other biological compounds using a fundamental cellular process known as constitutive exocytosis. In exocrine and endocrine glands, the cells are endowed with an additional and more refined release mechanism directly tuned by extracellular signals. This process, referred to as regulated exocytosis, ensures the timely delivery of molecules such as peptide hormones and digestive enzymes to match the moment¬-to-moment requirements of the organism. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including Rab3 and Rab27, two GTPases that regulate the final steps of secretion in many cells. We investigated the involvement of Rab27 GTPase in the secretory process of the insulin-secreting cell line INS-1E. We found that selective reduction of Rab27 expression by RNA interference did not alter granule distribution but impaired exocytosis triggered by insulin secretagogues. Screening for potential effectors revealed that Slac2c/MyRIP is associated with granules and attenuation of Slac2c expression severely impaired hormone release. This protein contains several functional domains, including, a binding domain for the cellular cytoskeleton constituent actin. Taken together our data suggest the Rab27 and MyRIP are part of a complex mediating the interaction of secretory granules with cortical cytoskeleton and participate to the regulation of the final steps in insulin exoctytosis. In the second part of the thesis, we studied phosphoinositides (PI). Phosphoinositides are important molecules involved in the regulation of vesicular trafficking. We found that phosphatidylinosito1-4-phosphate (PI4P) and phosphatidylinosito1-4,5-biphosphate (PI(4,5)P2) increase the secretory response triggered by 10µM Ca2+ in streptolysin-O permeabilized insulin-secreting INS-1E cells. In addition, nutrient-induced exocytosis was diminished in intact cells expressing constructs that sequester PI(4,5)P2. A similar decrease was observed after silencing of two enzymes involved in PI(4,5)P2 production, type III PI4Kinase β and type I PIP5Kinase γ, by RNA interference. To clarify the mechanism of action of PI, we investigated the involvement in the regulation of exocytosis of three potential PI targets, PLD1, CAPS1 and Mint1. Transfection of cells with silencers capable of reducing the endogenous levels of these proteins inhibited hormone release elicited by glucose. Our data indicate that the production PI(4,5)P2 is necessary for proper control of p-cell secretion and suggest that at least part of the effects of PI on insulin exocytosis could be exerted through the activation of PLD1, CAPS1 and Mint1.

A role for septins in the interaction between the Listeria monocytogenes INVASION PROTEIN InlB and the Met receptor.

Septins are conserved GTPases that form filaments and are required for cell division. During interphase, septin filaments associate with cellular membrane and cytoskeleton networks, yet the functional significance of these associations have, to our knowledge, remained unknown. We recently discovered that different septins, SEPT2 and SEPT11, regulate the InlB-mediated entry of Listeria monocytogenes into host cells. Here we address the role of SEPT2 and SEPT11 in the InlB-Met interactions underlying Listeria invasion to explore how septins modulate surface receptor function. We observed that differences in InlB-mediated Listeria entry correlated with differences in Met surface expression caused by septin depletion. Using atomic force microscopy on living cells, we show that septin depletion significantly reduced the unbinding force of InlB-Met interaction and the viscosity of membrane tethers at locations where the InlB-Met interaction occurs. Strikingly, the same order of difference was observed for cells in which the actin cytoskeleton was disrupted. Consistent with a proposed role of septins in association with the actin cytoskeleton, we show that cell elasticity is decreased upon septin or actin inactivation. Septins are therefore likely to participate in anchorage of the Met receptor to the actin cytoskeleton, and represent a critical determinant in surface receptor function.

Characterization of the molecular mechanisms of insulin exocytosis and of their adaptation to physiopathological conditions

Résumé large public Le glucose est une source d'énergie essentielle pour notre organisme, indispensable pour le bon fonctionnement des cellules de notre corps. Les cellules β du pancréas sont chargées de réguler l'utilisation du glucose et de maintenir la glycémie (taux de glucose dans le sang) à un niveau constant. Lorsque la glycémie augmente, ces dernières sécrètent l'insuline, une hormone favorisant l'absorption, l'utilisation et le stockage du glucose. Une sécrétion insuffisante d'insuline provoque une élévation anormale du taux de glucose dans le sang (hyperglycémie) et peut mener au développement du diabète sucré. L'insuline est sécrétée dans le sang par un mécanisme particulier appelé exocytose. Une meilleure compréhension de ce mécanisme est nécessaire dans l'espoir de trouver des nouvelles thérapies pour traiter les 170 millions de personnes atteintes de diabète sucré à travers le monde. L'implication de diverses protéines, comme les SNAREs ou Rabs a déjà été démontrée. Cependant leurs mécanismes d'action restent, à ce jour, peu compris. De plus, l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des conditions physiopathologiques, comme l'hyperglycémie, est encore à élucider. Le but de mon travail de thèse a été de clarifier le rôle de deux protéines, Noc2 et Tomosyn, dans l'exocytose ; puis de déterminer les effets d'une exposition prolongée à un taux élevé de glucose sur l'ensemble des protéines de la machinerie d'exocytose. Noc2 est un partenaire potentiel de deux Rabs connues pour leur implication dans les dernières étapes de l'exocytose, Rab3 et Rab27. Grâce à l'étude de différents mutants de Noc2, j'ai montré que l'interaction avec Rab27 permet à la protéine de s'associer avec les organelles de la cellule β contenant l'insuline. De plus, en diminuant sélectivement l'expression de Noc2, j'ai déterminé l'importance de cette protéine pour le bon fonctionnement du processus d'exocytose et le relâchement de l'insuline. Quant à Tomosyn, une protéine interagissant avec les protéines SNAREs, j'ai démontré son importance dans la sécrétion d'insuline en diminuant de manière sélective son expression dans les cellules β. Ensuite, grâce à une combinaison d'approches moléculaires et de microscopie, j'ai mis en évidence le rôle de Tomosyn dans les dernières étapes de l'exocytose. Enfin, puisque la sécrétion d'insuline est diminuée lors d'une hyperglycémie prolongée, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à ces conditions. Ceci m'a permis de découvrir que l'expression de quatre protéines essentielles pour le processus d'exocytose, Noc2, Rab3, Rab27 et Granuphilin, est fortement diminuée lors d'une hyperglycémie chronique. L'ensemble de ces données met en évidence l'importance de Noc2 et Tomosyn dans la sécrétion d'insuline. L'inhibition, par un taux élevé de glucose, de l'expression de Noc2 et d'autres protéines indispensables pour l'exocytose suggère que ce phénomène pourrait contribuer au développement du diabète sucré. Résumé L'exocytose d'insuline, en réponse au glucose circulant dans le sang, est la fonction principale de la cellule β. Celle-ci permet de stabiliser le taux de glucose sanguin (glycémie). Le diabète de type 2 est caractérisé par une glycémie élevée due, principalement, à un défaut de sécrétion d'insuline en réponse au glucose. La compréhension des mécanismes qui contrôlent l'exocytose d'insuline est essentielle pour clarifier les causes du diabète sucré. Plusieurs composants impliqués dans ce processus ont été identifiés. Ceux-ci incluent les SNAREs Syntaxin-1, VAMP2 et SNAP25 et les GTPases Rab3 et Rab27 qui jouent un rôle dans les dernières étapes de l'exocytose. Pendant mon travail de thèse, j'ai étudié le rôle de Noc2, un des partenaires de Rab3 et Rab27, dans l'exocytose d'insuline. Nous avons déterminé que Noc2 s'associe aux granules de sécrétion d'insuline grâce à son interaction avec Rab27. La diminution de l'expression de Noc2 dans la lignée cellulaire β INS-1E, par ARN interférence, influence négativement la sécrétion d'insuline stimulée par différents sécrétagogues et prouve que cette protéine Noc2 est essentielle pour l'exocytose d'insuline. L'interaction avec Munc13, une protéine impliquée dans l'arrimage des vésicules, suggère que Noc2 participe au recrutement des granules d'insuline à la membrane plasmique. Ensuite, j'ai analysé l'adaptation de la machinerie d'exocytose à des concentrations supraphysiologiques de glucose. Le niveau d'expression de Rab3 et Rab27 et de leurs effecteurs Granuphilin/S1p4 et Noc2 est fortement diminué par une exposition prolongée des cellules β à haut glucose. L'effet observé est en relation avec l'induction de l'expression de ICER, un facteur de transcription surexprimé dans des conditions d'hyperglycémie et également dans des modèles génétiques de diabète de type 2. La surexpression de ICER dans des cellules INS-1E diminue l'expression de Rab3, Rab27, Granuphilin/Slp4 et Noc2 et par conséquent l'exocytose d'insuline. Ainsi, l'induction de ICER, après une exposition prolongée à haut glucose, régule négativement l'expression de protéines essentielles pour l'exocytose et altère la sécrétion d'insuline. Ce mécanisme pourrait contribuer au dysfonctionnement de l'exocytose d'insuline dans le diabète de type 2. Dans la dernière partie de ma thèse, j'ai investigué le rôle de la protéine Tomosyn-1 dans la formation du complexe SNARE. Cette protéine a une forte affinité pour Syntaxin-1 et contient un domaine SNARE. Tomosyn-1 est concentrée dans les régions cellulaires enrichies en granules de sécrétion. La diminution sélective de l'expression de Tomosyn-1 induit une réduction de l'exocytose stimulée par différents sécrétagogues. Cet effet est dû à un défaut de fusion des granules avec la membrane plasmique. Ceci nous indique que Tomosyn-1 intervient dans une phase importante de la préparation des vésicules à la fusion, qui est nécessaire à l'exocytose. Abstract: Insulin exocytosis from pancreatic β-cells plays a central role in blood glucose homeostasis. Diabetes mellitus is a complex metabolic disorder characterized by secretory dysfunctions in pancreatic β-cells and release of amounts of insulin that are inappropriate to maintain blood glucose concentration within normal physiological ranges. To define the causes of β-cell failure a basic understanding of the molecular mechanisms that control insulin exocytosis is essential. Some of the molecular components involved in this process have been identified, including the SNARE proteins VAMP2, Syntaxin-1 and SNAP25 and the two GTPases, Rab3 and Rab27, that regulate the final steps of insulin secretion. I first investigated the role of Noc2, a potential Rab3 and Rab27 partner, in insulin secretion. I found that Noc2 associates with Rab27 and is recruited by this GTPase on insulin- containing granules. Silencing of the Noc2 gene by RNA interference led to a strong impairment in the capacity of the β-cell line INS-1E to respond to secretagogues, indicating that appropriate levels of the protein are essential for insulin exocytosis. I also showed that Noc2 interacts with Munc13, a protein that controls vesicle priming, suggesting a possible involvement of Noc2 in the recruitment of secretory granules at the plasma membrane. In the second part of my thesis, I investigated the adaptation of the molecular machinery of exocytosis to physiopathological conditions. I found that the expression of Rab3, Rab27 and of their effectors Granuphilin/Slp4 and Noc2 is dramatically decreased by chronic exposure of β-ce1ls to supraphysiological glucose levels. The observed glucotoxic effect is a consequence of the induction of ICER, a transcriptional repressor that is increased by prolonged hyperglycemia and in genetic models of type 2 diabetes. Overexpression of ICER reduced Granuphilin, Noc2, Rab3 and Rab27 levels and inhibited exocytosis. These results suggest that the presence of inappropriate levels of ICER diminishes the expression of a group of proteins essential for exocytosis and contributes to defective insulin release in type 2 diabetes. In the last part of my thesis, I focused my attention on the role of Tomosyn-1, a Syntaxin-1 binding protein possessing a SNARE-like motif, in the control of SNARE complex assembly. I found that Tomosyn-1 is concentrated in cellular compartments enriched in insulin-containing secretory granules. Silencing of Tomosyn-1 did not affect the number of secretory granules docked at the plasma membrane but decreased their release probability, resulting in a reduction in stimulus-induced insulin exocytosis. These findings suggest that Tomosyn-1 is involved in a post-docking event that prepares secretory granules for fusion and is necessary to sustain exocytosis in response to insulin secretagogues.

Pob1 participates in the Cdc42 regulation of fission yeast actin cytoskeleton.

Rho GTPases regulate the actin cytoskeleton in all eukaryotes. Fission yeast Cdc42 is involved in actin cable assembly and formin For3 regulation. We isolated cdc42-879 as a thermosensitive strain with actin cable and For3 localization defects. In a multicopy suppressor screening, we identified pob1(+) as suppressor of cdc42-879 thermosensitivity. Pob1 overexpression also partially restores actin cables and localization of For3 in the mutant strain. Pob1 interacts with Cdc42 and this GTPase regulates Pob1 localization and/or stability. The C-terminal pleckstrin homology (PH) domain of Pob1 is required for Cdc42 binding. Pob1 also binds to For3 through its N-terminal sterile alpha motif (SAM) domain and contributes to the formin localization at the cell tips. The previously described pob1-664 mutant strain (Mol. Biol. Cell. 10, 2745-2757, 1999), which carries a mutation in the PH domain, as well as pob1 mutant strains in which Pob1 lacks the N-terminal region (pob1DeltaN) or the SAM domain (pob1DeltaSAM), have cytoskeletal defects similar to that of cdc42-879 cells. Expression of constitutively active For3DAD* partially restores actin organization in cdc42-879, pob1-664, pob1DeltaN, and pob1DeltaSAM. Therefore, we propose that Pob1 is required for For3 localization to the tips and facilitates Cdc42-mediated relief of For3 autoinhibition to stimulate actin cable formation.

Polarized cell growth in Arabidopsis requires endosomal recycling mediated by GBF1-related ARF exchange factors.

Polarized tip growth is a fundamental cellular process in many eukaryotic organisms, mediating growth of neuronal axons and dendrites or fungal hyphae. In plants, pollen and root hairs are cellular model systems for analysing tip growth. Cell growth depends on membrane traffic. The regulation of this membrane traffic is largely unknown for tip-growing cells, in contrast to cells exhibiting intercalary growth. Here we show that in Arabidopsis, GBF1-related exchange factors for the ARF GTPases (ARF GEFs) GNOM and GNL2 play essential roles in polar tip growth of root hairs and pollen, respectively. When expressed from the same promoter, GNL2 (in contrast to the early-secretory ARF GEF GNL1) is able to replace GNOM in polar recycling of the auxin efflux regulator PIN1 from endosomes to the basal plasma membrane in non-tip growing cells. Thus, polar recycling facilitates polar tip growth, and GNL2 seems to have evolved to meet the specific requirement of fast-growing pollen in higher plants.

The Aspergillus fumigatus septins play pleiotropic roles in septation, conidiation, and cell wall stress, but are dispensable for virulence.

Septins are a conserved family of GTPases that regulate important cellular processes such as cell wall integrity, and septation in fungi. The requirement of septins for virulence has been demonstrated in the human pathogenic yeasts Candida albicans and Cryptococcus neoformans, as well as the plant pathogen Magnaporthe oryzae. Aspergillus spp. contains five genes encoding for septins (aspA-E). While the importance of septins AspA, AspB, AspC, and AspE for growth and conidiation has been elucidated in the filamentous fungal model Aspergillus nidulans, nothing is known on the role of septins in growth and virulence in the human pathogen Aspergillus fumigatus. Here we deleted all five A. fumigatus septins, and generated certain double and triple septin deletion strains. Phenotypic analyses revealed that while all the septins are dispensable in normal growth conditions, AspA, AspB, AspC and AspE are required for regular septation. Furthermore, deletion of only the core septin genes significantly reduced conidiation. Concomitant with the absence of an electron-dense outer conidial wall, the ΔaspB strain was also sensitive to anti-cell wall agents. Infection with the ΔaspB strain in a Galleria mellonella model of invasive aspergillosis showed hypervirulence, but no virulence difference was noted when compared to the wild-type strain in a murine model of invasive aspergillosis. Although the deletion of aspB resulted in increased release of TNF-α from the macrophages, no significant inflammation differences in lung histology was noted between the ΔaspB strain and the wild-type strain. Taken together, these results point to the importance of septins in A. fumigatus growth, but not virulence in a murine model.

Intracellular membrane trafficking in Osteoclasts The role of direct Rab protein – Rac 1 interactions in the targeting of intracellular vesicles

Osteoclasts are cells responsible for bone resorption. These cells undergo extensive membrane re-organization during their polarization for bone resorption and form four distinct membrane domains, namely the ruffled border, the basolateral membrane, the sealing zone and the functional secretory domain. The endocytic/biosynthetic pathway and transcytotic route(s) are important for the resorption process, since the endocytic/biosynthetic pathway brings the specific vesicles to the ruffled border whereas the transcytotic flow is believed to transport the degraded bone matrix away from the resorption lacuna to the functional secretory domain. In the present study, we found a new transcytotic route from the functional secretory domain to the ruffled border, which may compensate membrane loss from the ruffled border during the resorption process. We also found that lipid rafts are essential for the ruffled border-targeted late endosomal pathways. A small GTP-binding protein, Rab7, has earlier been shown to regulate the late steps of the endocytic pathway. In bone-resorbing osteoclasts it is involved in the formation of the ruffled border, which displays several features of late endosomal membranes. Here we discovered a new Rab7-interacting protein, Rac1, which is another small GTP-binding protein and binds to the GTP-form of Rab7 in vitro. We demonstrated further that Rab7 colocalizes with Rac1 at the fusion zone of the ruffled border in bone-resorbing osteoclasts. In other cell types, such as fibroblast-like cells, this colocalization is mainly perinuclear. Because Rac1 is known to control the actin cytoskeleton through its effectors, we suggest that the Rab7-Rac1 interaction may mediate late endosomal transport between microtubules and microfilaments, thus enabling endosomal vesicles to switch tracks from microtubules to microfilaments before their fusion to the ruffled border. We then studied the role of Rab-Rac1 interaction in the slow recycling pathway. We revealed that Rac1 also binds directly to Rab11 and to some other but not all Rab-proteins, suggesting that Rab-Rac1 interaction could be a general regulatory mechanism to direct the intracellular vesicles from microtubule mediated transport to actin filament mediated transport and vice versa. On the basis of our results we thus propose a new hypothesis for these GTPases in the regulation of intracellular membrane flow.