Rôle d'AmtB dans la régulation posttraductionnelle de la nitrogénase et le transport de l'ammonium chez Rhodobacter capsulatus

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

The Role of Specific Amino Acids in the Formation of Ternary Complexes in Nitrogenase Regulation in the Photosynthetic Bacterium Rhodobacter capsulatus

L'azote est l'un des éléments les plus essentiels dans le monde pour les êtres vivants, car il est essentiel pour la production des éléments de base de la cellule, les acides aminés, les acides nucléiques et les autres constituants cellulaires. L’atmosphère est composé de 78% d'azote gazeux, une source d'azote inutilisable par la plupart des organismes à l'exception de ceux qui possèdent l’enzyme nitrogénase, tels que les bactéries diazotrophique. Ces micro-organismes sont capables de convertir l'azote atmosphérique en ammoniac (NH3), qui est l'une des sources d'azote les plus préférables. Cette réaction exigeant l’ATP, appelée fixation de l'azote, est catalysée par une enzyme, nitrogénase, qui est l'enzyme la plus importante dans le cycle de l'azote. Certaines protéines sont des régulateurs potentiels de la synthèse de la nitrogénase et de son activité; AmtB, DraT, DraG, les protéines PII, etc.. Dans cette thèse, j'ai effectué diverses expériences afin de mieux comprendre leurs rôles détailés dans Rhodobacter capsulatus. La protéine membranaire AmtB, très répandue chez les archaea, les bactéries et les eucaryotes, est un membre de la famille MEP / Amt / Rh. Les protéines AmtB sont des transporteurs d'ammonium, importateurs d'ammonium externe, et ont également été suggéré d’agir comme des senseurs d'ammonium. Il a été montré que l’AmtB de Rhodobacter capsulatus fonctionne comme un capteur pour détecter la présence d'ammonium externe pour réguler la nitrogénase. La nitrogénase est constituée de deux métalloprotéines nommées MoFe-protéine et Fe-protéine. L'addition d'ammoniaque à une culture R. capsulatus conduit à une série de réactions qui mènent à la désactivation de la nitrogénase, appelé "nitrogénase switch-off". Une réaction critique dans ce processus est l’ajout d’un groupe ADP-ribose à la Fe-protéine par DraT. L'entrée de l'ammoniac dans la cellule à travers le pore AmtB est contrôlée par la séquestration de GlnK. GlnK est une protéine PII et les protéines PII sont des protéines centrales dans la régulation du métabolisme de l'azote. Non seulement la séquestration de GlnK par AmtB est importante dans la régulation nitrogénase, mais la liaison de l'ammonium par AmtB ou de son transport partiel est également nécessaire. Les complexes AmtB-GlnK sont supposés de lier DraG, l’enzyme responsable pour enlever l'ADP-ribose ajouté à la nitrogénase par DraT, ainsi formant un complexe ternaire. Dans cette thèse certains détails du mécanisme de transduction du signal et de transport d'ammonium ont été examinés par la génération et la caractérisation d’un mutant dirigé, RCZC, (D335A). La capacité de ce mutant, ainsi que des mutants construits précédemment, RCIA1 (D338A), RCIA2 (G344C), RCIA3 (H193E) et RCIA4 (W237A), d’effectuer le « switch-off » de la nitrogénase a été mesurée par chromatographie en phase gazeuse. Les résultats ont révélé que tous les résidus d'acides aminés ci-dessus ont un rôle essentiel dans la régulation de la nitrogénase. L’immunobuvardage a également été effectués afin de vérifier la présence de la Fe-protéine l'ADP-ribosylée. D335, D388 et W237 semblent être cruciales pour l’ADP-ribosylation, puisque les mutants RCZC, RCIA1 et RCIA4 n'a pas montré de l’ADP-ribosylation de la Fe-protéine. En outre, même si une légère ADP-ribosylation a été observée pour RCIA2 (G344C), nous le considérons comme un résidu d'acide aminé important dans la régulation de la nitrogénase. D’un autre coté, le mutant RCIA3 (H193E) a montré une ADP-ribosylation de la Fe-protéine après un choc d'ammonium, par conséquent, il ne semble pas jouer un rôle important dans l’ADP-ribosylation. Par ailleurs R. capsulatus possède une deuxième Amt appelé AmtY, qui, contrairement à AmtB, ne semble pas avoir des rôles spécifiques. Afin de découvrir ses fonctionnalités, AmtY a été surexprimée dans une souche d’E. coli manquant l’AmtB (GT1001 pRSG1) (réalisée précédemment par d'autres membres du laboratoire) et la formation des complexes AmtY-GlnK en réponse à l'addition d’ammoniac a été examinée. Il a été montré que même si AmtY est en mesure de transporter l'ammoniac lorsqu'il est exprimé dans E. coli, elle ne peut pass’ associer à GlnK en réponse à NH4 +.

ARF1 contrôle la migration des cellules hautement invasives du cancer du sein via Rac1

Dans un contexte où la forte prévalence du cancer du sein chez les femmes demeure depuis plusieurs années un enjeu de société majeur, les nouvelles stratégies visant à réduire la mortalité associée à cette maladie sont le sujet de nombreuses recherches scientifiques. Les facteurs d’ADP-ribosylation sont des petites protéines G monomériques importantes pour la réorganisation du cytosquelette d’actine, le remodelage des lipides membranaires et la formation de vésicules. Notre laboratoire a précédemment montré qu’ARF1 est surexprimée dans les cellules hautement invasives du cancer du sein et contribue à leur phénotype migratoire accru. Dans le cadre de ce mémoire, nous avons défini le rôle de cette GTPase dans la migration de telles lignées cellulaires. Pour ce faire, nous avons étudié le rôle d’ARF1 dans l’activation de Rac1, un membre de la famille des GTPases Rho connu pour son implication dans la formation de lamellipodes ainsi que dans la migration cellulaire. Globalement, nous avons déterminé que l’activation d’ARF1 permet l’activation subséquente de Rac1 ainsi que de la voie de signalisation nécessaire au processus de migration. Par une approche d’interférence à l’ARN dans les cellules MDA-MB-231, nous avons d’abord montré la contribution essentielle de Rac1 la migration dépendante d’ARF1. Puis, de façon à établir le mécanisme derrière cette régulation, nous avons montré que l’inhibition de l’expression endogène d’ARF1 altère l’activation de Rac1 dépendante de l’EGF. Nous avons ensuite examiné les conséquences d’une telle inhibition sur les partenaires d’interaction de Rac1. Nous avons découvert qu’ARF1 et Rac1 forment un complexe constitutif, puis qu’ARF1est nécessaire à l’association de Rac1 à IRSp53, une protéine importante dans la formation de lamellipodes. La translocation dépendante de l’EGF du complexe Rac1/IRSp53 à la membrane plasmique est également sous le contrôle d’ARF1. En conclusion, cette étude fournit un nouveau mécanisme par lequel ARF1 régule la migration cellulaire et identifie cette GTPase en tant que cible pharmacologique prometteuse pour freiner le développement des métastases chez les patients atteints du cancer du sein.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.

Rôle de l'AmtB dans la régulation de la nitrogénase et la production d'hydrogène chez la bactérie Rhodobacter capsulatus

L’azote est l’élément le plus abondant dans l’atmosphère terrestre avec un pourcentage atteignant 78 %. Composant essentiel pour la biosynthèse des matériels organiques cellulaires, il est inutilisable sous sa forme diatomique (N2) très stable par la plupart des organismes. Seules les bactéries dites diazotrophiques comme Rhodobacter capsulatus sont capables de fixer l’azote moléculaire N2 par le biais de la synthèse d’une enzyme, la nitrogénase. Cette dernière catalyse la réduction du N2 en ammonium (NH4) qui peut alors être assimilé par d’autres organismes. La synthèse et l’activité de la nitrogénase consomment beaucoup d’énergie ce qui implique une régulation rigoureuse et son inhibition tant qu’une quantité suffisante d’ammonium est disponible. Parmi les protéines impliquées dans cette régulation, la protéine d’intérêt AmtB est un transporteur membranaire responsable de la perception et le transport de l’ammonium. Chez R. capsulatus, il a été démontré que suite à l’addition de l’ammonium, l’AmtB inhibe de façon réversible (switch off/switch on) l’activité de la nitrogénase en séquestrant la protéine PII GlnK accompagnée de l’ajout d’un groupement ADP ribose sur la sous unités Fe de l’enzyme par DraT. De plus, la formation de ce complexe à lui seul ne serait pas suffisant pour cette inactivation, ce qui suggère la séquestration d’une troisième protéine, DraG, afin d’inhiber son action qui consiste à enlever l’ADP ribose de la nitrogénase et donc sa réactivation. Afin de mieux comprendre le fonctionnement de l’AmtB dans la régulation et le transport de l’ammonium à un niveau moléculaire et par la même occasion la fixation de l’azote, le premier volet de ce mémoire a été d’introduire une mutation ponctuelle par mutagénèse dirigée au niveau du résidu conservé W237 de l’AmtB. La production d’hydrogène est un autre aspect longtemps étudié chez R. capsulatus. Cette bactérie est capable de produire de l’hydrogène à partir de composés organiques par photofermentation suite à l’intervention exclusive de la nitrogénase. Plusieurs études ont été entreprises afin d’améliorer la production d’hydrogène. Certaines d’entre elles se sont intéressées à déterminer les conditions optimales qui confèrent une production maximale de gaz tandis que d’autres s’intéressent au fonctionnement de la bactérie elle même. Ainsi, le fait que la bioproduction de H2 par fermentation soit catalysée par la nitrogénase cela implique la régulation de l’activité de cette dernière par différents mécanismes dont le switch off par ADP ribosylation de l’enzyme. De ce fait, un mutant de R. capsulatus dépourvu d’AmtB (DG9) a été étudié dans la deuxième partie de cette thèse en termes d’activité de la nitrogénase, de sa modification par ADP ribosylation avec la détection des deux protéines GlnK et DraG qui interviennent dans cette régulation pour connaitre l’influence de différents acides aminés sur la régulation de la nitrogénase et pour l‘utilisation future de cette souche dans la production d’H2 car R. capsulatus produit de l’hydrogène par photofermentation grâce à cette enzyme. Les résultats obtenus ont révélé une activité de la nitrogénase continue et ininterrompue lorsque l’AmtB est absent avec une activité maximale quand la proline est utilisée comme source d’azote durant la culture bactérienne ce qui implique donc que l’abolition de l’activité de cette protéine entraine une production continue d’H2 chez R. capsulatus lorsque la proline est utilisée comme source d’azote lors de la culture bactérienne. Par ailleurs, avec des Western blots on a pu déterminer l’absence de régulation par ADP ribosylation ainsi que les expressions respectives de GlnK et DraG inchangées entre R. capsulatus sauvage et muté. En conclusion, la nitrogénase n’est pas modifiée et inhibée lorsque l’amtB est muté ce qui fait de la souche R. capsulatus DG9 un candidat idéal pour la production de biohydrogène en particulier lorsque du glucose et de la proline sont respectivement utilisés comme source de carbone et d'azote pour la croissance.

Small guanine nucleotide-binding proteins and myocardial hypertrophy.

The small (21 kDa) guanine nucleotide-binding protein (small G protein) superfamily comprises 5 subfamilies (Ras, Rho, ADP ribosylation factors [ARFs], Rab, and Ran) that act as molecular switches to regulate numerous cellular responses. Cardiac myocyte hypertrophy is associated with cell growth and changes in the cytoskeleton and myofibrillar apparatus. In other cells, the Ras subfamily regulates cell growth whereas the Rho subfamily (RhoA, Rac1, and Cdc42) regulates cell morphology. Thus, the involvement of small G proteins in hypertrophy has become an area of significant interest. Hearts from transgenic mice expressing activated Ras develop features consistent with hypertrophy, whereas mice overexpressing RhoA develop lethal heart failure. In isolated neonatal rat cardiac myocytes, transfection or infection with activated Ras, RhoA, or Rac1 induces many of the features of hypertrophy. We discuss the mechanisms of activation of the small G proteins and the downstream signaling pathways involved. The latter may include protein kinases, particularly the mitogen-activated or Rho-activated protein kinases. We conclude that although there is significant evidence implicating Ras, RhoA, and Rac1 in hypertrophy, the mechanisms are not fully understood.

Functional Diversity of Heat-labile Toxins (LT) Produced by Enterotoxigenic Escherichia coli

Heat-labile toxins (LTs) have ADP-ribosylation activity and induce the secretory diarrhea caused by enterotoxigenic Escherichia coli (ETEC) strains in different mammalian hosts. LTs also act as adjuvants following delivery via mucosal, parenteral, or transcutaneous routes. Previously we have shown that LT produced by human-derived ETEC strains encompass a group of 16 polymorphic variants, including the reference toxin (LT1 or hLT) produced by the H10407 strain and one variant that is found mainly among bacterial strains isolated from pigs (LT4 or pLT). Herein, we show that LT4 ( with six polymorphic sites in the A (K4R, K213E, and N238D) and B (S4T, A46E, and E102K) subunits) displays differential in vitro toxicity and in vivo adjuvant activities compared with LT1. One in vitro generated LT mutant (LTK4R), in which the lysine at position 4 of the A subunit was replaced by arginine, showed most of the LT4 features with an similar to 10-fold reduction of the cytotonic effects, ADP-ribosylation activity, and accumulation of intracellular cAMP in Y1 cells. Molecular dynamic studies of the A subunit showed that the K4R replacement reduces the N-terminal region flexibility and decreases the catalytic site crevice. Noticeably, LT4 showed a stronger Th1-biased adjuvant activity with regard to LT1, particularly concerning activation of cytotoxic CD8(+) T lymphocytes when delivered via the intranasal route. Our results further emphasize the relevance of LT polymorphism among human-derived ETEC strains that may impact both the pathogenicity of the bacterial strain and the use of these toxins as potential vaccine adjuvants.

Polymorphic toxin systems: Comprehensive characterization of trafficking modes, processing, mechanisms of action, immunity and ecology using comparative genomics

Background: Proteinaceous toxins are observed across all levels of inter-organismal and intra-genomic conflicts. These include recently discovered prokaryotic polymorphic toxin systems implicated in intra-specific conflicts. They are characterized by a remarkable diversity of C-terminal toxin domains generated by recombination with standalone toxin-coding cassettes. Prior analysis revealed a striking diversity of nuclease and deaminase domains among the toxin modules. We systematically investigated polymorphic toxin systems using comparative genomics, sequence and structure analysis. Results: Polymorphic toxin systems are distributed across all major bacterial lineages and are delivered by at least eight distinct secretory systems. In addition to type-II, these include type-V, VI, VII (ESX), and the poorly characterized "Photorhabdus virulence cassettes (PVC)", PrsW-dependent and MuF phage-capsid-like systems. We present evidence that trafficking of these toxins is often accompanied by autoproteolytic processing catalyzed by HINT, ZU5, PrsW, caspase-like, papain-like, and a novel metallopeptidase associated with the PVC system. We identified over 150 distinct toxin domains in these systems. These span an extraordinary catalytic spectrum to include 23 distinct clades of peptidases, numerous previously unrecognized versions of nucleases and deaminases, ADP-ribosyltransferases, ADP ribosyl cyclases, RelA/SpoT-like nucleotidyltransferases, glycosyltranferases and other enzymes predicted to modify lipids and carbohydrates, and a pore-forming toxin domain. Several of these toxin domains are shared with host-directed effectors of pathogenic bacteria. Over 90 families of immunity proteins might neutralize anywhere between a single to at least 27 distinct types of toxin domains. In some organisms multiple tandem immunity genes or immunity protein domains are organized into polyimmunity loci or polyimmunity proteins. Gene-neighborhood-analysis of polymorphic toxin systems predicts the presence of novel trafficking-related components, and also the organizational logic that allows toxin diversification through recombination. Domain architecture and protein-length analysis revealed that these toxins might be deployed as secreted factors, through directed injection, or via inter-cellular contact facilitated by filamentous structures formed by RHS/YD, filamentous hemagglutinin and other repeats. Phyletic pattern and life-style analysis indicate that polymorphic toxins and polyimmunity loci participate in cooperative behavior and facultative 'cheating' in several ecosystems such as the human oral cavity and soil. Multiple domains from these systems have also been repeatedly transferred to eukaryotes and their viruses, such as the nucleo-cytoplasmic large DNA viruses. Conclusions: Along with a comprehensive inventory of toxins and immunity proteins, we present several testable predictions regarding active sites and catalytic mechanisms of toxins, their processing and trafficking and their role in intra-specific and inter-specific interactions between bacteria. These systems provide insights regarding the emergence of key systems at different points in eukaryotic evolution, such as ADP ribosylation, interaction of myosin VI with cargo proteins, mediation of apoptosis, hyphal heteroincompatibility, hedgehog signaling, arthropod toxins, cell-cell interaction molecules like teneurins and different signaling messengers.

Aeromonas exoenzyme T of Aeromonas salmonicida is a bifunctional protein that targets the host cytoskeleton

Type III protein secretion has been shown recently to be important in the virulence of the fish pathogen Aeromonas salmonicida. The ADP-ribosylating toxin Aeromonas exoenzyme T (AexT) is one effector protein targeted for secretion via this system. In this study, we identified muscular and nonmuscular actin as substrates of the ADP-ribosylating activity of AexT. Furthermore, we show that AexT also functions as a GTPase-activating protein (GAP), displaying GAP activity against monomeric GTPases of the Rho family, specifically Rho, Rac, and Cdc42. Transfection of fish cells with wild type AexT resulted in depolymerization of the actin cytoskeleton and cell rounding. Point mutations within either the GAP or the ADP-ribosylating active sites of AexT (Arg-143 as well as Glu-398 and Glu-401, respectively) abolished enzymatic activity, yet did not prevent actin filament depolymerization. However, inactivation of the two catalytic sites simultaneously did. These results suggest that both the GAP and ADP-ribosylating domains of AexT contribute to its biological activity. This is the first bacterial virulence factor to be described that has a specific actin ADP-ribosylation activity and GAP activity toward Rho, Rac, and Cdc42, both enzymatic activities contributing to actin filament depolymerization.

Integrin function in T cell activation recapitulated in tumor growth

An in vitro model using highly purified freshly isolated T cells demonstrated that immobilized ligands for the integrin $\alpha4\beta1$ could cooperate to enhance mitogen signals delivered by coimmobilized anti-CD3 specfic monoclonal antibody OKT3. Costimulation through $\alpha4\beta1$ integrin lead to enhanced proliferation which depended on expression of both IL-2 as well as IL-2 receptor. The transcription factors NF-AT, AP-1, and NF-$\kappa$B, which are involved in the regulation of IL-2 as well as other cytokine genes, were weakly induced by anti-CD3 stimulation alone in electromobility shift assays, but were augmented significantly with $\alpha4\beta1$ costimulation. These results suggested that $\alpha4\beta1$ ligands delivered a growth promoting signal which could synergize with signals induced by engagement of the TCR/CD3 complex, and also suggested a dual function for integrins in both localization and subsequent delivery of a growth promoting signal for T lymphocytes. Integrin involvement in lymphocyte trafficking has been employed as a model for understanding tumor cell metastasis. Therefore we have extended the duality of integrin function in both homing and subsequent delivery of a growth promoting signal to include a role for integrins in providing growth stimulation for tumor cells. Using a gastric derived tumor line, inhibition of adhesion to substrate leads to G0/G1 cell cycle arrest, reduced cyclin A expression, and reduced phospholipid synthesis. This effect could be reversed upon $\alpha2\beta1$ integrin mediated reattachment to collagen. These observations demonstrated a role for an integrin in the growth regulation of a tumor line. The small GTP-binding protein Rho, implicated in phospholipid synthesis, can be inactivated by the ADP-ribosylation exoenzyme C3 from C. botulinum. Addition of C3 to cell cultures inhibited the growth promoting effect due to integrin mediated adhesion. Taken together, these results are consistent with a model for cooperative interaction between integrins and Rho leading to enhanced phospholipid synthesis and mitogen signaling. This model may provide a basis for understanding the phenomena of integrin costimulation in T cell activation. ^

The story of RP10: A positional cloning approach to the identification of an autosomal dominant retinitis pigmentosa gene

Retinitis pigmentosa (RP) is an inherited retinal degenerative disease that is the leading cause of inherited blindness worldwide. Characteristic features of the disease include night blindness, progressive loss of visual fields, and deposition of pigment on the retina in a bone spicule-like pattern. RP is marked by extreme genetic heterogeneity with at least 19 autosomal dominant, autosomal recessive and X-linked loci identified. RP10, which maps to chromosome 7q, was the fifth autosomal dominant RP locus identified, and accounts for the early-onset disease in two independent families. Extensive linkage and haplotype analyses have been performed in these two families which have allowed the assignment of the disease locus to a 5-cM region on chromosome 7q31.3. In collaboration with Dr. Eric Green (National Center for Human Genome Research, National Institutes of Health), a well-characterized physical map of the region was constructed which includes YAC, BAC and cosmid coverage. The entire RP10 critical region resides within a 9-Mb well-characterized YAC contig. These physical maps not only provided the resources to undertake the CAIGES (cDNA amplification for identification of genomic expressed sequences) procedure for identification of retinal candidate genes within the critical region, but also identified a number of candidate genes, including transducin-$\gamma$ and blue cone pigment genes. All candidate genes examined were excluded. In addition, a number of ESTs were mapped within the critical region. EST20241, which was isolated from an eye library, corresponded to the 3$\sp\prime$ region of the ADP-ribosylation factor (ARF) 5 gene. ARF5, with its role in vesicle transport and possible participation in the regulation of the visual transduction pathway, became an extremely interesting candidate gene. Using a primer walking approach, the entire 3.2 kb genomic sequence of the ARF5 gene was generated and developed intronic primers to screen for coding region mutations in affected family members. No mutations were found in the ARF5 gene, however, a number of additional ESTs have been mapped to the critical region, and, as the large-scale sequencing projects get underway, megabases of raw sequence data from the RP10 region are becoming available. These resources will hasten the isolation and characterization of the RP10 gene. ^

THE MECHANISM OF RETINOIC ACID REGULATION OF TISSUE TRANSGLUTAMINASE GENE EXPRESSION

Retinoic acid regulates cellular growth and differentiation by altering the expression of specific sets of genes, but the molecular mechanism by which this is achieved is unknown. We have used the rapid induction of a specific enzyme, tissue transglutaminase in mouse macrophages, human leukemia cells and a variety of other cell types to study the regulation of gene expression by retinoic acid. Soluble retinoic acid binding proteins, such as cellular Retinoic Acid Binding Protein (cRABP), have been proposed as specific mediators of retinoic acid regulation of gene expression. This thesis demonstrates the lack of cRABP in a number of cell lines which are sensitive to retinoic acid regulation of tissue transglutaminase expression. These cells are also devoid of other soluble retinoic acid binding activity. The level of retinoic acid binding activity that could have been detected (6 fmol) is far below that of most cells and tissues which are sensitive to the effects of retinoic acid on growth and differentiation. A mouse melanoma cell line, S91-C2, was found to contain an unusual retinoic acid binding protein which has a lower affinity for retinoic acid than mouse tissue cRABP and also behaves differently on gel filtration HPLC chromatography.^ The induction of tissue transglutaminase by retinoic acid in macrophages is specifically inhibited by pertussis toxin. Pertussis toxin ADP-riblosylates membrane GTP-binding proteins such as N(,i) and interferes with signalling from plasma membrane receptors to regulatory enzymes. Pertussis toxin inhibition of transglutaminase induction is due to inhibition of tissue transglutaminase mRNA accumulation and is paralleled by the ADP-ribosylation of a 41,000 dalton macrophage membrane protein. It is concluded that soluble retinoic acid binding proteins are not essential for retinoic acid induction of tissue transglutaminase and that a membrane GTP-binding protein is closely linked to the sensitive response of macrophages to retinoic acid. ^

Functional analysis of GNA -1, a Galphai superfamily member found in the filamentous fungus Neurospora crassa

Heterotrimeric GTP-binding proteins, G proteins, are integral components of eukaryotic signaling systems linking extracellular signals to intracellular responses. Through coupling to seven-transmembrane helix receptors, G proteins convey primary signaling events into multi-leveled cascades of intracellular activity by regulating downstream enzymes, collectively called effectors. The effector enzymes regulated by G proteins include adenylyl cyclase, cAMP phosphodiesterase, phospolipase C-β, mitogen-activated protein kinases, and ion channels. ^ Neurospora crassa is a multicellular, filamentous fungus that is capable of both asexual and sexual reproduction by elaboration of specialized, developmentally controlled structures that give rise to either asexual or sexual spores, respectively. N. crassa possesses at least three heterotrimeric Gα proteins (GNA-1–3) and one Gβ subunit (GNB-1). GNA-1 was the first microbial protein that could be classified in the Gαi superfamily based on its amino acid identity and demonstration that it is a substrate for ADP-ribosylation by pertussis toxin. ^ Experiments were designed to identify the signal transduction pathways and the effector enzymes regulated by GNA-1. Targeted gene-replacement of gna-1 revealed that GNA-1 controls multiple developmental pathways including both asexual and sexual reproduction, maintenance of growth, and resistance to osmotic stress. The Gαi and Gαz members of the Gαi superfamily negatively regulate adenylyl cyclase activity in mammalian cells; therefore, adenylyl cyclase and cAMP levels were measured in Δgna-1 strains and also in strains that were deleted for both gna-1 and gna-2, a second Gα in N. crassa shown to have overlapping functions with GNA-1. Direct measurements of adenylyl cyclase activity revealed that GNA-1, but not GNA-2, was responsible for GTP-stimulated adenylyl cyclase activity in N. crassa. Furthermore, anti-GNA-1 IgG could specifically inhibit GTP-stimulated adenylyl cyclase activity in wild-type strain extracts. These studies also provided evidence that N. crassa possesses feedback mechanisms that control steady-state cAMP levels through indirect regulation of cAMP-phosphodiesterase activity; mutations in gna-1 and gna-2 were additive in their effect on lowering cAMP-phosphodiesterase activity under growth conditions where steady-state cAMP levels were normal but GTP-stimulated adenylyl cyclase activity was reduced 90% in comparison to control strains. ^ Genetic and biochemical epistasis experiments utilizing a Δ gna-1 cr-1 mutant suggest that GNA-1 is essential for female fertility in a cAMP-independent pathway. Furthermore, deletion of gna-1 in a cr-1 background exacerbated many of the defects already observed in the cr-1 strain including more severe growth restriction and developmental defects. However, deletion of gna-1 had no effect on the increased thermotolerance of cr-1, which has been attributed to loss of cAMP. cr-1 possesses GNA-1 protein, and crude membrane fractions from this strain reconstituted GTP-stimulated adenylyl cyclase activity in Δgna-1 membrane fractions. These studies provide direct evidence for the involvement of Gα proteins in the regulation of adenylyl cyclase activity in eukaryotic microbes. ^

Requirement of GM2 ganglioside activator for phospholipase D activation

Sequence analysis of a heat-stable protein necessary for the activation of ADP ribosylation factor-dependent phospholipase D (PLD) reveals that this protein has a structure highly homologous to the previously known GM2 ganglioside activator whose deficiency results in the AB-variant of GM2 gangliosidosis. The heat-stable activator protein indeed has the capacity to enhance enzymatic conversion of GM2 to GM3 ganglioside that is catalyzed by β-hexosaminidase A. Inversely, GM2 ganglioside activator purified separately from tissues as described earlier [Conzelmann, E. & Sandhoff, K. (1987) Methods Enzymol. 138, 792–815] stimulates ADP ribosylation factor-dependent PLD in a dose-dependent manner. At higher concentrations of ammonium sulfate, the PLD activator protein apparently substitutes for protein kinase C and phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate, both of which are known as effective stimulators of the PLD reaction. The mechanism of action of the heat-stable PLD activator protein remains unknown.

High-Affinity Binding Of The AP-1 Adaptor Complex to Trans-Golgi Network Membranes Devoid Of Mannose 6-Phosphate Receptors

The GTP-binding protein ADP-ribosylation factor (ARF) initiates clathrin-coat assembly at the trans-Goli network (TGN) by generating high-affinity membrane-binding sites for the AP-1 adaptor complex. Both transmembrane proteins, which are sorted into the assembling coated bud, and novel docking proteins have been suggested to be partners with GTP-bound ARF in generating the AP-1-docking sites. The best characterized, and probably the major transmembrane molecules sorted into the clathrin-coated vesicles that form on the TGN, are the mannose 6-phosphate receptors (MPRs). Here, we have examined the role of the MPRs in the AP-1 recruitment process by comparing fibroblasts derived from embryos of either normal or MPR-negative animals. Despite major alterations to the lysosome compartment in the MPR-deficient cells, the steady-state distribution of AP-1 at the TGN is comparable to that of normal cells. Golgi-enriched membranes prepared from the receptor-negative cells also display an apparently normal capacity to recruit AP-1 in vitro in the presence of ARF and either GTP or GTPγS. The AP-1 adaptor is recruited specifically onto the TGN and not onto the numerous abnormal membrane elements that accumulate within the MPR-negative fibroblasts. AP-1 bound to TGN membranes from either normal or MPR-negative fibroblasts is fully resistant to chemical extraction with 1 M Tris-HCl, pH 7, indicating that the adaptor binds to both membrane types with high affinity. The only difference we do note between the Golgi prepared from the MPR-deficient cells and the normal cells is that AP-1 recruited onto the receptor-lacking membranes in the presence of ARF1·GTP is consistently more resistant to extraction with Tris. Because sensitivity to Tris extraction correlates well with nucleotide hydrolysis, this finding might suggest a possible link between MPR sorting and ARF GAP regulation. We conclude that the MPRs are not essential determinants in the initial steps of AP-1 binding to the TGN but, instead, they may play a regulatory role in clathrin-coated vesicle formation by affecting ARF·GTP hydrolysis.