Cell death mechanisms triggered by monoclonal antibodies against CD99 in Ewing sarcoma: Cross-talk between MDM2, IGF-1R and Ras/MAPK

CD99 is a 32 kDa transmembrane protein whose high expression characterizes Ewing sarcoma (ES), a very aggressive pediatric bone tumor. In addition to its diagnostic value, CD99 has therapeutic potential since it leads to rapid and massive ES cell death when engaged with specific antibodies. Here a novel mechanism of cell death triggered via CD99 is shown, leading, ultimately, to the appearance of macropinocytotic vescicles. Anti-CD99 mAb 0662 induces MDM2 ubiquitination and degradation, which causes not only a p53 reactivation but also the IGF-1R induction and its subsequent internalization; CD99 results internalized together with IGF-1R inside endosomes, but then the two molecules display a different sorting: CD99 is degraded, while IGF-1R is recycled on the surface, causing, as a final step, the up-regulation of RAS-MAPK. High-expressing CD99 mesenchymal stem cells show mild Ras induction but no p53 activation and escape cell death, but in presence of EWS/FLI1 mesenchymal stem cells expressing CD99 show a stronger Ras induction and a p53 reactivation, leading to a significant cell death rate. We propose that CD99 triggering in a EWS/FLI1-driven oncogenetic context creates a synergy between RAS upregulation and p53 activation in ES cells, leading to cell death. Moreover, our data rule out possible concerns on toxicity related to the broad CD99 expression in normal tissues and provide the rationale for the therapeutic use of anti-CD99 MAbs in the clinic.

Endocytic trafficking and oligodendroglial exosome secretion in axon-glia communication and myelination

Oligodendrocytes form specialized plasma membrane extensions which spirally enwrap axons, thereby building up the myelin sheath. During myelination, oligodendrocytes produce large amounts of membrane components. Oligodendrocytes can be seen as a complex polarized cell type with two distinct membrane domains, the plasma membrane surrounding the cell body and the myelin membrane. SNARE proteins mediate the fusion of vesicular cargoes with their target membrane. We propose a model in which the major myelin protein PLP is transported by two different pathways. VAMP3 mediates the non-polarized transport of newly synthesized PLP via recycling endosomes to the plasma membrane, while transport of PLP from late endosomes/lysosomes to myelin is controlled by VAMP7. In the second part of the thesis, the role of exosome secretion in glia to axon signaling was studied. Further studies are required to clarify whether VAMP7 also controls exosome secretion. The thesis further focused on putative metabolic effects in the target neurons. Oligodendroglial exosomes showed no obvious influences on neuronal metabolic activity. Analysis of the phosphorylation levels of the neurofilament heavy subunit revealed a decrease in presence of oligodendrocytes, indicating effects of oligodendroglial exosomes on the neuronal cytoskeleton. Finally, candidates for kinases which are possibly activated upon influence of oligodendroglial exosomes and could influence neuronal survival were identified.

Uptake mechanism, intracellular trafficking and endo-lysosomal pH monitoring of polystyrene nanoparticles

What is the intracellular fate of nanoparticles (NPs) taken up by the cells? This question has been investigated for polystyrene NPs of different sizes with a set of molecular biological and biophysical techniques.rnTwo sets of fluorescent NPs, cationic and non-ionic, were synthesized with three different polymerization techniques. Non-ionic particles (132 – 846 nm) were synthesized with dispersion polymerization in an ethanol/water solution. Cationic NPs with 120 nm were synthesized by miniemulsion polymerization Particles with 208, 267 and 603 nm were produced by seeding the 120 nm particle obtained by miniemulsion polymerization with drop-wise added monomer and polymerization of such. The colloidal characterization of all particles showed a comparable amount of the surface groups. In addition, particles were characterized with regard to their size, morphology, solid content, amount of incorporated fluorescent dye and zeta potential. The fluorescent intensities of all particles were measured by fluorescence spectroscopy for calibration in further cellular experiments. rnThe uptake of the NPs to HeLa cells after 1 – 24 h revealed a much higher uptake of cationic NPs in comparison to non-ionic NPs. If the same amount of NPs with different sizes is introduced to the cell, a different amount of particles is present in the cell medium, which complicates a comparison of the uptake. The same conclusion is valid for the particles’ overall surface area. Therefore, HeLa cells were incubated with the same concentration, amount and surface area of NPs. It was found that with the same concentration always the same polymer amount is taking up by cells. However, the amount of particles taken up decreases for the biggest. A correlation to the surface area could not be found. We conclude that particles are endocytosed by an excavator-shovel like mechanism, which does not distinguish between different sizes, but is only dependent on the volume that is taken up. For the decreased amount of large particles, an overload of this mechanism was assumed, which leads to a decrease in the uptake. rnThe participation of specific endocytotic processes has been determined by the use of pharmacological inhibitors, immunocytological staining and immunofluorescence. The uptake of NPs into the endo-lysosomal machinery is dominated by a caveolin-mediated endocytosis. Other pathways, which include macropinocytosis and a dynamin-dependent mechanism but exclude clathrin mediated endocytosis, also occur as competing processes. All particles can be found to some extent in early endosomes, but only bigger particles were proven to localize in late endosomes. No particles were found in lysosomes; at least not in lysosomes that are labeled with Lamp1 and cathepsin D. However, based on the character of the performed experiment, a localization of particles in lysosomes cannot be excluded.rnDuring their ripening process, vesicles undergo a gradual acidification from early over late endosomes to lysosomes. It is hypothesized that NPs in endo-lysosomal compartments experience the same change in pH value. To probe the environmental pH of NPs after endocytosis, the pH-sensitive dye SNARF-4F was grafted onto amino functionalized polystyrene NPs. The pH value is a ratio function of the two emission wavelengths of the protonated and deprotonated form of the dye and is hence independent of concentration changes. The particles were synthesized by the aforementioned miniemulsion polymerization with the addition of the amino functionalized copolymer AEMH. The immobilization of SNARF-4F was performed by an EDC-coupling reaction. The amount of physically adsorbed dye in comparison to covalently bonded dye was 15% as determined by precipitation of the NPs in methanol, which is a very good solvent for SNARF-4F. To determine influences of cellular proteins on the fluorescence properties, a intracellular calibration fit was established with platereader measurements and cLSM imaging by the cell-penetrable SNARF-4F AM ester. Ionophores equilibrated the extracellular and intracellular pH.rnSNARF-4F NPs were taken up well by HeLa cells and showed no toxic effects. The pH environment of SNARF-4F NPs has been qualitatively imaged as a movie over a time period up to 1 h in pseudo-colors by a self-written automated batch program. Quantification revealed an acidification process until pH value of 4.5 over 24 h, which is much slower than the transport of nutrients to lysosomes. NPs are present in early endosomes after min. 1 h, in late endosomes at approx. 8 h and end up in vesicles with a pH value typical for lysosomes after > 24 h. We therefore assume that NPs bear a unique endocytotic mechanism, at least with regards to the kinetic involvedrn

Induktion von Pro-Autophagie-Signalen durch einen extra- oder intrazellulären Alpha-Toxin-Angriff

Autophagie ist ein konservierter, kataboler Mechanismus in allen eukaryoten Zellen. Unter anderem wird ihm eine wichtige Rolle als zellautonomer Abwehrmechanismus gegen Mikroorganismen zugeschrieben; von manchen Infektionserregern wird er jedoch unterlaufen oder sogar genutzt. Der stärkste Auslöser der Autophagie ist ein Mangel an Nährstoffen, insbesondere Aminosäuren. Über die Deaktivierung der Kinase mTORC1 und die Phosphorylierung des eukaryoten Translationsinitiationsfaktors eIF2α hemmt die Nährstoffknappheit die Proteinbiosynthese und aktiviert gleichzeitig Autophagie. Wie Mikroorganismen, insbesondere Bakterien, Autophagie auslösen oder manipulieren, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung. Modifikationen an Mikroben oder Phagosomen und Adapterproteine, die diese Veränderungen und Komponenten des Autophagieapparates erkennen, scheinen jedenfalls bei der selektiven Erkennung durch die Autophagie-Maschinerie wichtig zu sein. rnIn der vorliegenden Dissertationsarbeit wird die Rolle des membranporenbildenden α-Toxins von Staphylococcus aureus für die Induktion von Autophagie beleuchtet. Zum einen erwies sich die Akkumulation von (EGFP)-LC3(II), einem Marker der Autophagosomen, um intrazelluläre S. aureus als abhängig von α-Toxin. Zweitens, genügt extrazellulär appliziertes α-Toxin um (EGFP)-LC3(II)-positive Endosomen zu induzieren. Während der Angriff aus dem extrazellulären Raum jedoch binnen kurzer Zeit eine fokale Kumulation von phosphoryliertem eIF2α an der Plasmamembran induziert, die an der Internalisierung des Toxins beteiligt ist, findet sich am phagosomalen Kompartiment keine Toxin-abhängige Anhäufung von p-eIF2α oder proximalen Autophagieregulatoren. Dies impliziert, dass Toxin-Angriff auf die Plasmamembran, nicht aber auf das Phagosom, zu einer Reaktion führt, wie sie bei massivem Nährstoffmangel zu beobachten ist. Obwohl keine α-Toxin-abhängige Kumulation von p-eIF2α bei einem Angriff aus dem Phagosom erfolgt, findet sich um α-Toxin-produzierende Bakterien eine massive Kumulation von LC3 und Adapterprotein p62/Sequestosome1. Dies deutet daraufhin, dass der Ort des Angriffs - Plasmamembran oder Phagosom – für den Autophagie-induzierenden Mechanismus wichtig sein könnte. Der unterschiedliche Effekt auf die zellulären Ionenkonzentrationen, den ein Angriff auf die Plasmamembran oder auf ein Phagosom auslösen würde, bietet hierfür eine mögliche Erklärung. Die Aktivierung der Autophagie über Adapterproteine könnte dann als back-up Mechanismus fungieren, der auch dann greift, wenn eine Invasion ohne Schädigung der Plasmamembran erfolgt. Ein cross-talk der beiden Induktionswege ist angesichts der Bedeutung von p62 für die selektive und die Hunger-assoziierte Autophagie gut möglich; sezerniertes Toxin könnte durch die Aktivierung der basalen Autophagie Adapter-basierte Mechanismen verstärken.

Die Rolle von gamma2-Adaptin im endo-lysosomalen Proteintransport von Säuger-Zellen

Ziel der Arbeit war es, die physiologische Funktion von 2-Adaptin zu charakterisieren. 2 Adaptin wurde 1998 erstmals von Takatsu et al. und Lewin et al. als mögliches Mitglied der Clathrin-Adapter-Proteinfamilie beschrieben. Seine genaue physiologische Funktion ist aber bis heute noch unklar. Bisherige Ergebnisse deuten darauf hin, das 2-Adaptin unabhängig von den AP-Komplexen wirkt. rnIn der HBV-Morphogenese ist eine spezielle Funktion von 2-Adaptin bekannt, da es dort nach seiner Ubiquitinierung durch Nedd4 als Adapter zwischen dem HBV L- und Core-Protein fungiert und Änderungen in der 2 Konzentration die HBV-Freisetzung blockieren.rn2-Adaptin besitzt neben den für die Clathrin-Adapter Proteine typischen Clathrin-bindenden Eigenschaften auch die Fähigkeit, Ubiquitin über sein UIM zu binden. Darüberhinaus wird 2-Adaptin durch seine Interaktion mit der Ubiquitin-Ligase Nedd4 selbst ubiquitiniert. Damit besitzt 2-Adaptin typische Eigenschaften eines Ubiquitin-Adapters. 2-Adaptin ist an MVBs lokalisiert und Abweichungen in der 2 Konzentration verändern die MVB-Morphologie. Zudem führt die Überexpression von 2-Adaptin zur Blockade der Freisetzung retroviraler VLPs und die 2 Depletion blockiert den lysosomalen Abbau von EGF, einem Substrat des endo-lysosomalen Proteintransports. Dies alles deutet auf eine mögliche Funktion von 2-Adaptin in diesem Transportsystem hin, welche in dieser Arbeit näher untersucht wurde.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Depletion von 2-Adaptin den Abbau von endogenen (z.B. EGF, ubiquitinierte Proteine) und exogenen (z.B. das retrovirale MLV.gag-Polyprotein) Substraten des endo-lysosomalen Weges inhibiert, während sie bei 2 Überexpression verstärkt abgebaut werden. Alle bisher identifizierten „Substrate“ von 2 Adaptin, also Proteine, die durch überschüssiges 2-Adaptin abgebaut werden, besitzen eine Verbindung zum endo-lysosomalen System und / oder zur Ubiquitin-Maschinerie der Zelle. Weitere Hinweise auf eine Rolle von 2 Adaptin im MVB-Weg lieferte die Identifikation von Vps28 und Chmp2A als spezifische Interaktionspartner von 2-Adaptin. Über Vps28 erhält -Adaptin direkten Zugang zum ESCRT-I- und über Chmp2A zum ESCRT-III-Komplex. rnZudem konnte neben dem UIM eine PH-Domäne in 2-Adaptin als wichtige funktionelle Domäne identifiziert werden. Sie stellt das Modul für die Interaktion mit Rab7 dar, welche erstmals gezeigt werden konnte. Auch die Interaktion mit Rab7 deutet auf eine Rolle von 2 Adaptin im endo-lysosomalen Transportsystem hin, da Rab7 an späten Endosomen lokalisiert ist und u.a. die Fusion der MVBs mit den Lysosomen vermittelt. Da die Auswirkungen der Rab7-Überexpression und Depletion auf MLV.gag denen der 2 Überexpression bzw. Depletion entsprechen, liegt die Vermutung nahe, dass 2-Adaptin an einem ähnlich späten Schritt im endo-lysosomalen Transportsystem wirkt wie Rab7. Jedoch blockiert überschüssiges 2 Adaptin die ESCRT-abhängige VLP-Ausschleusung an der Plasmamembran und fungiert daher möglicherweise als negativer Regulator der ESCRT-Kaskade. Da die Überexpression von -Adaptin aber gleichzeitig zum vermehrten lysosomalen Abbau führt, ist eine Funktion von 2-Adaptin bei der MVB-Lysosomen-Fusion wenig wahrscheinlich. Einer solchen Funktion widerspricht auch, dass die intrazelluläre Konzentration von Rab7 und Vps28 durch überschüssiges 2-Adaptin reduziert werden. rnAls dritte funktionell wichtige Domäne in 2-Adaptin konnte ein LIR-Motiv identifiziert werden, über welches -Adaptin mit dem Autophagie-Markerprotein LC3 interagieren kann. Die Interaktion mit LC3, und damit die Verbindung zur Autophagie-Machinerie, liefert eine mögliche Erklärung für den vermehrten Abbau bei 2-Überexpression und den Abbau von Proteinen auf der MVB-Oberfläche. Dabei induziert 2-Adaptin nicht die Autophagie per se, sondern scheint als Autophagie-Adapter zu wirken, der seine Substrate, z.B. MVBs, selektiv dem Abbau durch Autophagie zuführt. rnrnEine mögliche Rolle von 2-Adaptin im zum Lysosom hin gerichteten zellulären Transport konnte bestätigt werden, wobei 2-Adaptin dabei verschiedene Funktionen übernimmt: rn als Ubiquitin-Adapter im endo-lysosomalen System, rn als negativer Regulator der ESCRT-Kaskadern und / oder als Autophagie-Adapter.rn

Drug delivery, entry and intracellular trafficking of polymeric nanoparticles

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

Analysis of zinc oxide nanoparticles as a potential mutagen of respiratory epithelia

Metallische Nanopartikel und ihre Oxide (z.B. ZnO NP, TiO2 NP und Fe2O3 NP) werden aufgrund ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften häufig als Additive in der Reifenproduktion, in Katalysatoren, Lebensmitteln, Arzneimitteln und Kosmetikprodukten verwendet. Künftig wird ein kontinuierlicher Anstieg der industriellen Anwendung (~ 1663 Tonnen im Jahr 2025) mit gesteigerter Freisetzung in die Umwelt erwartet, was zwangsläufig zu einer vermehrten Aufnahme über das respiratorische Epithel führt. Metalldampffieber ist als gesundheitsschädigender Effekt von Metalloxid-haltigen Aerosolen (z.B. ZnO) nach Inhalation bekannt. Immunreaktionen, wie beispielsweise Entzündungen, werden häufig mit der Entstehung von Sauerstoffradikalen (ROS) in Verbindung gebracht, die wiederum zu DNA-Schäden führen können. Drei mögliche Ursachen der Genotoxität werden angenommen: direkte Interaktion von Nanopartikeln mit intrazellulären Strukturen, Interaktion von Ionen dissoziierter Partikel mit intrazellulären Strukturen sowie die Entstehung von ROS initiiert durch Partikel oder Ionen.rnDie vorliegende Studie befasst sich mit den Mechanismen der Genotoxizität von ZnO Nanopartikeln (ZnO NP), als Beispiel für metallische Nanopartikel, im respiratorischen Epithel. In der Studie wurde gezielt die intrazelluläre Aufnahme und Verteilung von ZnO NP, deren Toxizität, deren DNA schädigendes Potential sowie die Aktivierung der DNA damage response (DDR) analysiert.rnEs konnten kaum internalisierte ZnO NP mittels TEM detektiert werden. Innerhalb der ersten Sekunden nach Behandlung mit ZnO NP wurde spektrofluorometrisch ein starker Anstieg der intrazellulären Zn2+ Konzentration gemessen. In unbehandelten Zellen war Zn2+ in granulären Strukturen lokalisiert. Die Behandlung mit ZnO NP führte zu einer Akkumulation von Zn2+ in diesen Strukturen. Im zeitlichen Verlauf verlagerten sich die Zn2+-Ionen in das Zytoplasma, sowie in Zellkerne und Mitochondrien. Es wurde keine Kolokalisation von Zn2+ mit den frühen Endosomen und dem endoplasmatischen Retikulum beobachtet. Die Vorbehandlung der Zellen mit Diethylen-triaminpentaessigsäure (DTPA), als extrazellulärem Komplexbildner, verhinderte den intrazellulären Anstieg von Zn2+ nach Behandlung mit den Partikeln.rnDie Behandlung mit ZnO NP resultierte in einer zeit- und dosisabhängigen Reduktion der zellulären Viabilität, während die intrazelluläre ROS-Konzentrationen in den ersten 30 min leicht und anschließend kontinuierlich bis zum Ende der Messung anstiegen. Außerdem verringerte sich das mitochondriale Membranpotential, während sich die Anzahl der frühapoptotischen Zellen in einer zeitabhängigen Weise erhöhte. rnDNA Doppelstrangbrüche (DNA DSB) wurden mittels Immunfluoreszenz-Färbung der γH2A.X foci sichtbar gemacht und konnten nach Behandlung mit ZnO NP detektiert werden. Die Vorbehandlung mit dem Radikalfänger N-Acetyl-L-Cytein (NAC) resultierte in stark reduzierten intrazellulären ROS-Konzentrationen sowie wenigen DNA DSB. Die DNA Schädigung wurde durch Vorbehandlung mit DTPA ganz verhindert.rnDie Aktivierung der DDR wurde durch die Analyse von ATM, ATR, Chk1, Chk2, p53 und p21 mittels Western Blot und ELISA nach Behandlung mit ZnO NP überprüft. Der ATR/Chk1 Signalweg wurde durch ZnO NP nicht aktiviert. Die Komplexierung von Zn2+ resultierte in einer verminderten ATM/Chk2 Signalwegaktivierung. Es zeigte sich, dass das Abfangen von ROS keinen Effekt auf die ATM/Chk2 Signalwegaktivierung hatte.rnZusammengefasst wurde festgestellt, dass die Exposition mit ZnO NP in der Entstehung von ROS, reduzierter Viabilität und vermindertem mitochondrialem Membranpotential resultiert, sowie zeitabhängig eine frühe Apoptose initiiert. ZnO NP dissoziierten extrazellulär und wurden schnell als Zn2+ über unbekannte Mechanismen internalisiert. Die Zn2+-Ionen wurden im Zytoplasma, sowie besonders in den Mitochondrien und dem Zellkern, akkumuliert. Die DDR Signalgebung wurde durch ZnO NP aktiviert, jedoch nicht durch NAC inhibiert. Es wurde gezeigt, dass DTPA die DDR Aktivierung komplett inhibierte. Die Behandlung mit ZnO NP induzierte DNA DSB. Die Inhibition von ROS reduzierte die DNA DSB und die Komplexierung der Zn2+ verhinderte die Entstehung von DNA DSB.rnDiese Daten sprechen für die Dissoziation der Partikel und die hierbei freigesetzten Zn2+ als Hauptmediator der Genotoxizität metallischer Nanopartikel. rn

The microtubule plus-end localization of Aspergillus dynein is important for dynein-early-endosome interaction but not for dynein ATPase activation

Cytoplasmic dynein in filamentous fungi accumulates at microtubule plus-ends near the hyphal tip, which is important for minus-end-directed transport of early endosomes. It was hypothesized that dynein is switched on at the plus-end by cargo association. Here, we show in Aspergillus nidulans that kinesin-1-dependent plus-end localization is not a prerequisite for dynein ATPase activation. First, the Walker A and Walker B mutations in the dynein heavy chain AAA1 domain implicated in blocking different steps of the ATPase cycle cause different effects on dynein localization to microtubules, arguing against the suggestion that ATPase is inactive before arriving at the plus-end. Second, dynein from kinA (kinesin 1) mutant cells has normal ATPase activity despite the absence of dynein plus-end accumulation. In kinA hyphae, dynein localizes along microtubules and does not colocalize with abnormally accumulated early endosomes at the hyphal tip. This is in contrast to the colocalization of dynein and early endosomes in the absence of NUDF/LIS1. However, the Walker B mutation allows dynein to colocalize with the hyphal-tip-accumulated early endosomes in the kinA background. We suggest that the normal ability of dyenin to interact with microtubules as an active minus-end-directed motor demands kinesin-1-mediated plus-end accumulation for effective interactions with early endosomes.

Inflammation-associated autophagy-related programmed necrotic death of human neutrophils characterized by organelle fusion events

The most common form of neutrophil death, under both physiological and inflammatory conditions, is apoptosis. In this study, we report a novel form of programmed necrotic cell death, associated with cytoplasmic organelle fusion events, that occurs in neutrophils exposed to GM-CSF and other inflammatory cytokines upon ligation of CD44. Strikingly, this type of neutrophil death requires PI3K activation, a signaling event usually involved in cellular survival pathways. In the death pathway reported in this study, PI3K is required for the generation of reactive oxygen species, which somehow trigger the generation of large cytoplasmic vacuoles, generated by the fusion of CD44-containing endosomes with autophagosomes and secondary, but not primary, granules. Neutrophils demonstrating vacuolization undergo rapid cell death that depends on receptor-interacting protein 1 kinase activity and papain family protease(s), but not caspases, that are most likely activated and released, respectively, during or as a consequence of organelle fusion. Vacuolized neutrophils are present in infectious and autoimmune diseases under in vivo conditions. Moreover, isolated neutrophils from such patients are highly sensitive toward CD44-mediated PI3K activation, reactive oxygen species production, and cell death, suggesting that the newly described autophagy-related form of programmed neutrophil necrosis plays an important role in inflammatory responses.

Sodium/hydrogen exchanger NHA2 is critical for insulin secretion in β-cells

NHA2 is a sodium/hydrogen exchanger with unknown physiological function. Here we show that NHA2 is present in rodent and human β-cells, as well as β-cell lines. In vivo, two different strains of NHA2-deficient mice displayed a pathological glucose tolerance with impaired insulin secretion but normal peripheral insulin sensitivity. In vitro, islets of NHA2-deficient and heterozygous mice, NHA2-depleted Min6 cells, or islets treated with an NHA2 inhibitor exhibited reduced sulfonylurea- and secretagogue-induced insulin secretion. The secretory deficit could be rescued by overexpression of a wild-type, but not a functionally dead, NHA2 transporter. NHA2 deficiency did not affect insulin synthesis or maturation and had no impact on basal or glucose-induced intracellular Ca(2+) homeostasis in islets. Subcellular fractionation and imaging studies demonstrated that NHA2 resides in transferrin-positive endosomes and synaptic-like microvesicles but not in insulin-containing large dense core vesicles in β-cells. Loss of NHA2 inhibited clathrin-dependent, but not clathrin-independent, endocytosis in Min6 and primary β-cells, suggesting defective endo-exocytosis coupling as the underlying mechanism for the secretory deficit. Collectively, our in vitro and in vivo studies reveal the sodium/proton exchanger NHA2 as a critical player for insulin secretion in the β-cell. In addition, our study sheds light on the biological function of a member of this recently cloned family of transporters.

Divalent metal-ion transporter DMT1 mediates both H+ -coupled Fe2+ transport and uncoupled fluxes

The H(+) -coupled divalent metal-ion transporter DMT1 serves as both the primary entry point for iron into the body (intestinal brush-border uptake) and the route by which transferrin-associated iron is mobilized from endosomes to cytosol in erythroid precursors and other cells. Elucidating the molecular mechanisms of DMT1 will therefore increase our understanding of iron metabolism and the etiology of iron overload disorders. We expressed wild type and mutant DMT1 in Xenopus oocytes and monitored metal-ion uptake, currents and intracellular pH. DMT1 was activated in the presence of an inwardly directed H(+) electrochemical gradient. At low extracellular pH (pH(o)), H(+) binding preceded binding of Fe(2+) and its simultaneous translocation. However, DMT1 did not behave like a typical ion-coupled transporter at higher pH(o), and at pH(o) 7.4 we observed Fe(2+) transport that was not associated with H(+) influx. His(272) --> Ala substitution uncoupled the Fe(2+) and H(+) fluxes. At low pH(o), H272A mediated H(+) uniport that was inhibited by Fe(2+). Meanwhile H272A-mediated Fe(2+) transport was independent of pH(o). Our data indicate (i) that H(+) coupling in DMT1 serves to increase affinity for Fe(2+) and provide a thermodynamic driving force for Fe(2+) transport and (ii) that His-272 is critical in transducing the effects of H(+) coupling. Notably, our data also indicate that DMT1 can mediate facilitative Fe(2+) transport in the absence of a H(+) gradient. Since plasma membrane expression of DMT1 is upregulated in liver of hemochromatosis patients, this H(+) -uncoupled facilitative Fe(2+) transport via DMT1 can account for the uptake of nontransferrin-bound plasma iron characteristic of iron overload disorders.

EphA2 signaling following endocytosis: Role of Tiam-1

Eph receptors and their membrane-bound ligands, the ephrins, represent a complex subfamily of receptor tyrosine kinases (RTKs). Eph/ephrin binding can lead to various and opposite cellular behaviors such as adhesion versus repulsion, or cell migration versus cell-adhesion. Recently, Eph endocytosis has been identified as one of the critical steps responsible for such diversity. Eph receptors, as many RTKs, are rapidly endocytosed following ligand-mediated activation and traffic through endocytic compartments prior to degradation. However, it is becoming obvious that endocytosis controls signaling in many different manners. Here we showed that activated EphA2 are degraded in the lysosomes and that about 35% of internalized receptors are recycled back to the plasma membrane. Our study is also the first to demonstrate that EphA2 retains the capacity to signal in endosomes. In particular, activated EphA2 interacted with the Rho family GEF Tiam1 in endosomes. This association led to Tiam1 activation, which in turn increased Rac1 activity and facilitated Eph/ephrin endocytosis. Disrupting Tiam1 function with RNA interference impaired both ephrinA1-dependent Rac1 activation and ephrinA1-induced EphA2 endocytosis. In summary, our findings shed new light on the regulation of EphA2 endocytosis, intracellular trafficking and signal termination and establish Tiam1 as an important modulator of EphA2 signaling.

THE UBIQUITIN LIGASE UBE4B IS REQUIRED FOR EFFICIENT EPIDERMAL GROWTH FACTOR RECEPTOR DEGRADATION

The length of time that integral membrane proteins reside on the plasma membrane is regulated by endocytosis, a process that can inactivate these proteins by removing them from the membrane and may ultimately result in their degradation. Proteins are internalized and pass through multiple distinct intracellular compartments where targeting decisions determine their fate. Membrane proteins initially enter early endosomes, and subsequently late endosomes/multivesicular bodies (MVBs), before being degraded in the lysosome. The MVB is a subset of late endosomes characterized by the appearance of small vesicles in its luminal compartment. These vesicles contain cargo proteins sorted from the limiting membrane of the MVB. Proteins not sorted into luminal vesicles remain on the MVB membrane, from where they may be recycled back to the plasma membrane. In the case of receptor tyrosine kinases (RTKs), such as epidermal growth factor (EGF) receptor, this important sorting step determines whether a protein returns to the surface to participate in signaling, or whether its signaling properties are inactivated through its degradation in the lysosome. Hrs is a protein that resides on endosomes and is known to recruit sorting complexes that are vital to this sorting step. These sorting complexes are believed to recognize ubiquitin as sorting signals. However, the link between MVB sorting machinery and the ubiquitination machinery is not known. Recently, Hrs was shown to recruit and bind an E3 ubiquitin ligase, UBE4B, to endosomes. In an assay that is able to measure cargo movement, the disruption of the Hrs-UBE4B interaction showed impaired sorting of EGF receptor into MVBs. My hypothesis is that UBE4B may be the connection between MVB sorting and ubiquitination. This study addresses the role of UBE4B in the trafficking and ubiquitination of EGF receptor. I created stable cell lines that either overexpresses UBE4B or expresses a UBE4B with no ligase activity. Levels of EGF receptor were analyzed after certain periods of ligand-induced receptor internalization. I observed that higher expression levels of UBE4B correspond to increased degradation of EGF receptor. In an in vitro ubiquitination assay, I also determined that UBE4B mediates the ubiquitination of EGF receptor. These data suggest that UBE4B is required for EGFR degradation specifically because it ubiquitinates the receptor allowing it to be sorted into the internal vesicles of MVBs and subsequently degraded in lysosomes.

CART: an Hrs/actinin-4/BERP/myosin V protein complex required for efficient receptor recycling.

Altering the number of surface receptors can rapidly modulate cellular responses to extracellular signals. Some receptors, like the transferrin receptor (TfR), are constitutively internalized and recycled to the plasma membrane. Other receptors, like the epidermal growth factor receptor (EGFR), are internalized after ligand binding and then ultimately degraded in the lysosome. Routing internalized receptors to different destinations suggests that distinct molecular mechanisms may direct their movement. Here, we report that the endosome-associated protein hrs is a subunit of a protein complex containing actinin-4, BERP, and myosin V that is necessary for efficient TfR recycling but not for EGFR degradation. The hrs/actinin-4/BERP/myosin V (CART [cytoskeleton-associated recycling or transport]) complex assembles in a linear manner and interrupting binding of any member to its neighbor produces an inhibition of transferrin recycling rate. Disrupting the CART complex results in shunting receptors to a slower recycling pathway that involves the recycling endosome. The novel CART complex may provide a molecular mechanism for the actin-dependence of rapid recycling of constitutively recycled plasma membrane receptors.

Intracellular signalling by the insulin receptor

The insulin receptor transduces insulin's biological signal through the tyrosine kinase present in the receptor's B subunit. The activated insulin receptor kinase then phosphorylates a series of intracellular substrate including insulin receptor substrate 1 (IRS-1), which has been shown to be the pivotal substrate for insulin receptor signal transduction. The phosphorylated tyrosine residues in IRS-1 can bind and activate the downstream effectors, many of which are SH2 domain containing proteins such as phosphotidylinositol 3-kinase, growth factor binding protein 2, and SH2 phosphotyrosine phosphatase 2. Phosphorylated synthetic IRS-1 peptides with the corresponding sequences of the IRS-1 have been shown to associate and activate their respective SH2 domain containing proteins. Another important event happening during insulin binding with the insulin receptor is that the insulin receptor rapidly undergoes internalization. However, the insulin receptor signalling and the receptor endocytosis have been studied as two independent processes. The hypothesis of the present thesis is that the insulin receptor endocytosis is involved in insulin receptor signalling and signal termination. The results of the present investigation demonstrate that insulin receptors in the earliest stage of endocytosis contain significantly greater kinase activity towards IRS-1 peptides than the receptors localized at the plasma membrane, indicating that they are potentially more capable of transducing signals. On the other hand, insulin receptors in the middle and late stage of endocytosis lose their kinase activity, suggesting that insulin receptor kinase activity inactivation and signal termination might take place in the late phase of the insulin receptor internalization. In addition, this study also found that the increased insulin receptor kinase activity in the endosomes is related to the tyrosyl phosphorylation of the specific domains of the receptor's $\beta$ subunit. ^