Molekularbiologische Charakterisierung der Argonauten Proteine AgnA und AgnB innerhalb der RNA vermittelten Genregulation in D. discoideum

Argonauten Proteine übernehmen vielfältige Funktionen in RNA vermittelten Signalwegen zur Genregulation und sind in eukaryotischen Organismen hoch konserviert. Obwohl das Repertoire an kleinen regulatorischen RNAs in D. discoideum schon früh untersucht wurde und dabei sowohl siRNAs als auch miRNAs identifiziert werden konnten, war die Funktion der fünf kodierten Argonauten Proteine zu Beginn meiner Arbeit noch völlig unbekannt. Im Fokus meiner Untersuchung standen die zwei Homologe AgnA und AgnB. Die molekularbiologische Charakterisierung von AgnA hat gezeigt, dass das Protein eine essentielle Funktion bei der posttranskriptionellen Regulation des Retrotransposons DIRS-1 hat. AgnA wird für die Generierung von über 90 % der DIRS-1 siRNAs benötigt, wobei unklar ist, ob die Slicer-Aktivität des Proteins relevant ist oder ob AgnA andere Proteine zur Generierung der kleinen RNAs rekrutiert. Mit Hilfe der Deep Sequencing Analyse kleiner RNAs im AgnA KO konnte die Abreicherung der DIRS-1 siRNAs bestätigt werden. Die Anreicherung von DIRS-1 sense und antisense Transkripten weist deutlich auf eine Deregulation des Retrotransposons bei Abwesenheit von AgnA hin. Der Verlust der AgnA abhängigen Regulationsebene ist nicht nur auf RNA- sondern auch auf DNA-Ebene nachweisbar, da im AgnA Knockout einzelsträngige extrachromosomale DIRS-1 Intermediate nachweisbar sind. Die Analyse dieser Strukturen mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie zeigt, dass die extrachromosomale DNA mit Proteinen assoziiert ist. Das Erscheinungsbild legt die Vermutung nahe, dass es sich um Virus ähnliche Partikel handeln könnte. Die Transposition der DIRS-1 Elemente konnte nicht nachgewiesen werden. Sie schlägt vermutlich fehl, da der zur Integration notwendige DNA-Doppelstrang nicht gebildet wird. Auch wenn der genaue Mechanismus der AgnA abhängigen DIRS-1 Regulation nicht vollständig aufgeklärt werden konnte, weisen die Ergebnisse darauf hin, dass AgnA nicht nur an der Biogenese der kleinen DIRS-1 siRNAs beteiligt ist, sondern auch weiter downstream, vermutlich innerhalb von Effektorkomplexen, als Regulator aktiv ist. AgnB ist nicht an der negativen Regulation des DIRS-1 Retrotransposons beteiligt. Im Gegenteil haben Experimente gezeigt, dass das Protein die Transkription des Elementes und die Bildung von DNA-Intermediaten eher positiv beeinflusst. Im Fall des Retrotransposons Skipper ist unklar, ob die wenigen siRNAs, die identifiziert worden sind, tatsächlich für die Regulation dieses Elementes genutzt werden. Der Knockout von AgnA hat eine Anreicherung der Skipper siRNAs zur Folge, wobei diese sehr variabel ist. Es konnten Skipper Transkripte nachgewiesen werden (Hinas et al., 2007), die wahrscheinlich die Vorläufermoleküle der siRNAs darstellen. Die Menge dieser Transkripte unterscheidet sich allerdings im Wildtyp und den untersuchten Knockout-Stämmen nicht. Bei der Untersuchung der miRNAs zeigte sich eine signifikante Anreicherung dieser regulatorischen RNAs im AgnA Knockout. Die Akkumulation kann durch die Expression von rekombinantem AgnA wieder auf Wildtyp Niveau gebracht werden. Die genaue Funktion von AgnA im miRNA Signalweg konnte aber nicht näher spezifiziert werden. Im Fall der beiden miRNAs konnte im Rahmen dieser Arbeit nachgewiesen werden, dass sie keine 2‘-O Methylierung besitzen und fast ausschließlich im Cytoplasma der Zelle vorliegen. Letzteres weist darauf hin, dass die untersuchten miRNAs ihre Zielgene vermutlich posttranskriptionell regulieren. Die Akkumulation von miRNAs im AgnA KO konnte ebenfalls durch Deep Sequencing Analysen verifiziert werden. Weiterhin wurden tRNA Fragmente gefunden, die im AgnA KO wesentlich stärker vertreten sind. Northern Blot Analysen haben gezeigt, dass ein zusätzliches Fragment der tRNA Asp akkumuliert, wenn AgnA nicht exprimiert wird. Möglicherweise ist AgnA am Umsatz der tRNA beteiligt. Die biologische Funktion der tRNA Fragmente in D. discoideum ist jedoch bisher ungeklärt. Bei der Suche nach putativen Interaktionspartnern konnte im Fall von AgnA das Protein DDB_G0268914 mittels Massenspektrometrie als putativer Interaktionspartner identifiziert werden. Dieses Protein zeigt Homologien zu MOV10 aus H. sapiens, das ebenfalls mit Argonauten Proteinen interagiert (Hock et al., 2007) und die Replikation von Retroviren unterdrückt (Burdick et al., 2010). Die Interaktion zwischen AgnA und dem MOV10 Homolog konnte bisher nicht mit anderen Ansätzen bestätigt werden. Darüber hinaus bleibt zu klären, ob der putative Interaktionsparter ebenfalls an der Regulation des Retrotransposons DIRS-1 beteiligt ist.

Analyse von Protein-Ligand Interaktionen zur Charakterisierung zyklonukleotidbindender Proteine

Hyperpolarisations-aktivierte zyklonukleotid-gesteuerte (HCN) Kanäle übernehmen wichtige Funktionen in der Regulation der Herz- und Neuronalaktivität und können über einen dualen Mechanismus aus Membranhyperpolarisation und der Bindung von zyklischen Nukleotiden aktiviert werden. Ein großes Ziel der aktuellen Forschung ist die Entwicklung neuartiger Inhibitoren, die einer Fehlregulation der Kanäle entgegenwirken. In der vorliegenden Arbeit wurde die Regulation von HCN Kanälen durch zyklische Nukleotide im Detail analysiert, indem erstmals ein umfassender Screen mit 48 unterschiedlichen Zyklonukleotid-Analoga am C-terminalen Bereich (bestehend aus C-Linker und Zyklonukleotid-Bindedomäne) der drei Isoformen HCN1, HCN2 und HCN4 durchgeführt wurde. Mit Hilfe eines Fluoreszenzpolarisations-Assays wurde der Einfluss von Modifikationen in der Base, der Ribose und dem zyklischen Phosphat auf die Bindungsaffinitäten innerhalb der Zyklonukleotid-Bindedomäne untersucht. Zyklonukleotid-Analoga mit Modifikationen an der Position 7 und 8 der Base verschoben die apparenten Affinitäten im Vergleich zu den beiden natürlich vorkommenden Zyklonukleotiden cAMP und cGMP vom mikromolaren in den nanomolaren Bereich. Selektiv für die HCN4 Isoform erwiesen sich Zyklonukleotid-Analoga mit Modifikationen an der Position 6 der Base, während Modifikationen an der Position 8 der Base zu einer höheren Affinität für die HCN2 Isoform führten. Im Gegensatz zu HCN2 und HCN4 zeigte die HCN1 Isoform besonders hohe Affinitäten für Zyklonukleotid-Analoga mit Modifikationen an der Position 8 von cGMP. Eine Substitution der 2’-Hydroxylgruppe erlaubte keine Bindung an die HCN Kanäle. Mit 7-CH-cAMP konnte ein hochaffines Bindemolekül für HCN Kanäle identifiziert werden, denn der Austausch eines Stickstoffs gegen eine CH-Einheit an Position 7 der Base führte zu einer 100-fachen Steigerung der Affinität im Vergleich zu cAMP. In Übereinstimmung mit der hochaffinen Bindung konnte in kinetischen Analysen eine langsamere Dissoziationsrate für 7-CH-cAMP gemessen werden. Anhand thermodynamischer Messungen konnte ein entropisch favorisierter Bindungsmodus für 7-CH-cAMP im Vergleich zu cAMP identifiziert werden. Basierend auf einer Kristallstruktur des HCN4 CNBD:7-CH-cAMP Komplexes (2,5 Å) lässt sich erklären, dass 7-CH-cAMP durch seine höhere Lipohilie im Vergleich zu cAMP eine stärkere Präferenz für das hydrophobe Netzwerk zwischen Protein und Base besitzt. In detaillierten, vergleichenden Analysen mit den zyklonukleotidbindenden Proteinen PKA Typ I und II, hPKGIβ und Epac 1 und 2 konnte gezeigt werden, dass 7-CH-cAMP die höchsten Affinitäten für die drei Isoformen der HCN Kanäle aufwies. Somit könnte sich 7-CH-cAMP als vielversprechender Kandidat für die selektive Regulation von HCN Kanälen in vitro und in lebenden Zellen eignen und möglicherweise einen wichtigen Beitrag als krankheitsrelevanter Effektor leisten.

PDGF regulates the actin cytoskeleton through hnRNP-K-mediated activation of the ubiquitin E-3-ligase MIR

PDGF is a potent chemotactic mitogen and a strong inductor of fibroblast motility. In Swiss 3T3 fibroblasts, exposure to PDGF but not EGF or IGF-1 causes a rapid loss of actin stress fibers (SFs) and focal adhesions (FAs), which is followed by the development of retractile dendritic protrusions and induction of motility. The PDGF-specific actin reorganization was blocked by inhibition of Src-kinase and the 26S proteasome. PDGF induced Src-dependent association between the multifunctional transcription/translation regulator hnRNP-K and the mRNA-encoding myosin regulatory light-chain (MRLC)-interacting protein (MIR), a E3-ubiquitin ligase that is MRLC specific. This in turn rapidly increased MIR expression, and led to ubiquitination and proteasome-mediated degradation of MRLC. Downregulation of MIR by RNA muting prevented the reorganization of actin structures and severely reduced the migratory and wound-healing potential of PDGF-treated cells. The results show that activation of MIR and the resulting removal of diphosphorylated MRLC are essential for PDGF to instigate and maintain control over the actin-myosin-based contractile system in Swiss 3T3 fibroblasts. The PDGF induced protein destabilization through the regulation of hnRNP-K controlled ubiquitin-ligase translation identifies a novel pathway by which external stimuli can regulate phenotypic development through rapid, organelle-specific changes in the activity and stability of cytoskeletal regulators.

Platelet actin nodules are podosome-like structures dependent on Wiskott-Aldrich syndrome protein and ARP2/3 complex

The actin nodule is a novel F-actin structure present in platelets during early spreading. However, only limited detail is known regarding nodule organization and function. Here we use electron microscopy, SIM and dSTORM super-resolution, and live-cell TIRF microscopy to characterize the structural organization and signalling pathways associated with nodule formation. Nodules are composed of up to four actin-rich structures linked together by actin bundles. They are enriched in the adhesion-related proteins talin and vinculin, have a central core of tyrosine phosphorylated proteins and are depleted of integrins at the plasma membrane. Nodule formation is dependent on Wiskott-Aldrich syndrome protein (WASp) and the ARP2/3 complex. WASp(-/-) mouse blood displays impaired platelet aggregate formation at arteriolar shear rates. We propose actin nodules are platelet podosome-related structures required for platelet-platelet interaction and their absence contributes to the bleeding diathesis of Wiskott-Aldrich syndrome.

Phosphorylation of CLEC-2 is dependent on lipid rafts, actin polymerization, secondary mediators, and Rac

The C-type lectin-like receptor 2 (CLEC-2) activates platelets through Src and Syk tyrosine kinases via a single cytoplasmic YxxL motif known as a hem immunoreceptor tyrosine-based activation motif (hemITAM). Here, we demonstrate using sucrose gradient ultracentrifugation and methyl-beta-cyclodextrin treatment that CLEC-2 translocates to lipid rafts upon ligand engagement and that translocation is essential for hemITAM phosphorylation and signal initiation. HemITAM phosphorylation, but not translocation, is also critically dependent on actin polymerization, Rac1 activation, and release of ADP and thromboxane A(2) (TxA(2)). The role of ADP and TxA(2) in mediating phosphorylation is dependent on ligand engagement and rac activation but is independent of platelet aggregation. In contrast, tyrosine phosphorylation of the GPVI-FcRgamma-chain ITAM, which has 2 YxxL motifs, is independent of actin polymerization and secondary mediators. These results reveal a unique series of proximal events in CLEC-2 phosphorylation involving actin polymerization, secondary mediators, and Rac activation.

Regulation of actin assembly by SCAR/WAVE proteins.

Actin reorganization is a tightly regulated process that co-ordinates complex cellular events, such as cell migration, chemotaxis, phagocytosis and adhesion, but the molecular mechanisms that underlie these processes are not well understood. SCAR (suppressor of cAMP receptor)/WAVE [WASP (Wiskott-Aldrich syndrome protein)-family verprolin homology protein] proteins are members of the conserved WASP family of cytoskeletal regulators, which play a critical role in actin dynamics by triggering Arp2/3 (actin-related protein 2/3)-dependent actin nucleation. SCAR/WAVEs are thought to be regulated by a pentameric complex which also contains Abi (Abl-interactor), Nap (Nck-associated protein), PIR121 (p53-inducible mRNA 121) and HSPC300 (haematopoietic stem progenitor cell 300), but the structural organization of the complex and the contribution of its individual components to the regulation of SCAR/WAVE function remain unclear. Additional features of SCAR/WAVE regulation are highlighted by the discovery of other interactors and distinct complexes. It is likely that the combinatorial assembly of different components of SCAR/WAVE complexes will prove to be vital for their roles at the centre of dynamic actin reorganization.

Leukotrienes Target F-actin/Cofilin-1 to Enhance Alveolar Macrophage Anti-fungal Activity

Candida albicans is the most common opportunistic fungal pathogen and causes local and systemic disease in immunocompromised patients. Alveolar macrophages (AMs) are pivotal for the clearance of C. albicans from the lung. Activated AMs secrete 5-lipoxygenase-derived leukotrienes (LTs), which in turn enhance phagocytosis and microbicidal activity against a diverse array of pathogens. Our aim was to investigate the role of LTB(4) and LTD(4) in AM antimicrobial functions against C. albicans and the signaling pathways involved. Pharmacologic and genetic inhibition of LT biosynthesis as well as receptor antagonism reduced phagocytosis of C. albicans when compared with untreated or WT controls. Conversely, exogenous LTs of both classes augmented base-line C. albicans phagocytosis by AMs. Although LTB(4) enhanced mainly mannose receptor-dependent fungal ingestion, LTD(4) enhanced mainly dectin-1 receptor-mediated phagocytosis. LT enhancement of yeast ingestion was dependent on protein kinase C-delta (PKC delta) and PI3K but not PKC alpha and MAPK activation. Both LTs reduced activation of cofilin-1, whereas they enhanced total cellular F-actin; however, LTB(4) accomplished this through the activation of LIM kinases (LIMKs) 1 and 2, whereas LTD(4) did so exclusively via LIMK-2. Finally, both exogenous LTB(4) and LTD(4) enhanced AM fungicidal activity in an NADPH oxidase-dependent manner. Our data identify LTB(4) and LTD(4) as key mediators of innate immunity against C. albicans, which act by both distinct and conserved signaling mechanisms to enhance multiple antimicrobial functions of AMs.

The geodiamolide H, derived from Brazilian sponge Geodia corticostylifera, regulates actin cytoskeleton, migration and invasion of breast cancer cells cultured in three-dimensional environment

We are investigating effects of the depsipeptide geodiamolide H, isolated from the Brazilian sponge Geodia corticostylifera, on cancer cell lines grown in 3D environment. As shown previously geodiamolide H disrupts actin cytoskeleton in both sea urchin eggs and breast cancer cell monolayers. We used a normal mammary epithelial cell line MCF 10A that in 3D assay results formation of polarized spheroids. We also used cell lines derived from breast tumors with different degrees of differentiation: MCF7 positive for estrogen receptor and the Hs578T, negative for hormone receptors. Cells were placed on top of Matrigel. Spheroids obtained from these cultures were treated with geodiamolide H. Control and treated samples were analyzed by light and confocal microscopy. Geodiamolide H dramatically affected the poorly differentiated and aggressive Hs578T cell line. The peptide reverted HsS78T malignant phenotype to polarized spheroid-like structures. MCF7 cells treated by geodiamolide H exhibited polarization compared to controls. Geodiamolide H induced striking phenotypic modifications in Hs578T cell line and disruption of actin cytoskeleton. We investigated effects of geodiamolide H on migration and invasion of Hs578T cells. Time-lapse microscopy showed that the peptide inhibited migration of these cells in a dose-dependent manner. Furthermore invasion assays revealed that geodiamolide H induced a 30% decrease on invasive behavior of Hs578T cells. Our results suggest that geodiamolide H inhibits migration and invasion of Hs578T cells probably through modifications in actin cytoskeleton. The fact that normal cell lines were not affected by treatment with geodiamolide H stimulates new studies towards therapeutic use for this peptide.

Glypican-3 regulates migration, adhesion and actin cytoskeleton organization in mammary tumor cells through Wnt signaling modulation

Glypican-3 (GPC3) is a proteoglycan involved in migration, proliferation and cell survival modulation in several tissues. There are many reports demonstrating a downregulation of GPC3 expression in some human tumors, including mesothelioma, ovarian and breast cancer. Previously, we determined that GPC3 reexpression in the murine mammary adenocarcinoma LM3 cells induced an impairment of their in vivo invasive and metastatic capacities together with a higher susceptibility to in vitro apoptosis. Currently, the signaling mechanism of GPC3 is not clear. First, it was speculated that GPC3 regulates the insulin-like growth factor (IGF) signaling system. This hypothesis, however, has been strongly challenged. Recently, several reports indicated that at least in some cell types GPC3 serves as a selective regulator of Wnt signaling. Here we provide new data demonstrating that GPC3 regulates Wnt pathway in the metastatic adenocarcinoma mammary LM3 cell line. We found that GPC3 is able to inhibit canonical Wnt signals involved in cell proliferation and survival, as well as it is able to activate non canonical pathway, which directs cell morphology and migration. This is the first report indicating that breast tumor cell malignant properties can be reverted, at least in part, by GPC3 modulation of Wnt signaling. Our results are consistent with the potential role of GPC3 as a metastasis suppressor.