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.

Binding site of brefeldin A at the interface between the small G protein ADP-ribosylation factor 1 (ARF1) and the nucleotide-exchange factor Sec7 domain

Sec7 domains (Sec7d) catalyze the exchange of guanine nucleotide on ARFs. Recent studies indicated that brefeldin A (BFA) inhibits Sec7d-catalyzed nucleotide exchange on ARF1 in an uncompetitive manner by trapping an early intermediate of the reaction: a complex between GDP-bound ARF1 and Sec7d. Using 3H-labeled BFA, we show that BFA binds to neither isolated Sec7d nor isolated ARF1–GDP, but binds to the transitory Sec7d–ARF1–GDP complex and stabilizes it. Two pairs of residues at positions 190–191 and 198–208 (Arno numbering) in Sec7d contribute equally to the stability of BFA binding, which is also sensitive to mutation of H80 in ARF1. The catalytic glutamic (E156) residue of Sec7d is not necessary for BFA binding. In contrast, BFA does not bind to the intermediate catalytic complex between nucleotide-free ARF1 and Sec7d. These results suggest that, on initial docking steps between ARF1–GDP and Sec7d, BFA inserts like a wedge between the switch II region of ARF1–GDP and a surface encompassing residues 190–208, at the border of the characteristic hydrophobic groove of Sec7d. Bound BFA would prevent the switch regions of ARF1–GDP from reorganizing and forming tighter contacts with Sec7d and thereby would maintain the bound GDP of ARF1 at a distance from the catalytic glutamic finger of Sec7d.

Multiple Roles of Arf1 GTPase in the Yeast Exocytic and Endocytic Pathways

ADP-ribosylation factors, a family of small GTPases, are believed to be key regulators of intracellular membrane traffic. However, many biochemical in vitro experiments have led to different models for their involvement in various steps of vesicular transport, and their precise role in living cells is still unclear. We have taken advantage of the powerful yeast genetic system and screened for temperature-sensitive (ts) mutants of the ARF1 gene from Saccharomyces cerevisiae. By random mutagenesis of the whole open reading frame of ARF1 by error-prone PCR, we isolated eight mutants and examined their phenotypes. arf1 ts mutants showed a variety of transport defects and morphological alterations in an allele-specific manner. Furthermore, intragenic complementation was observed between certain pairs of mutant alleles, both for cell growth and intracellular transport. These results demonstrate that the single Arf1 protein is indeed involved in many different steps of intracellular transport in vivo and that its multiple roles may be dissected by the mutant alleles we constructed.

Ras 超家族蛋白的起源演化研究

Ras 超家族蛋白是真核生物中普遍存在的一类小分子GTP 结合蛋白。它们 具有高度保守的GTP 结合结构域，根据序列结构和细胞功能被分为七个家族： Sar1、Arf、SRβ、Ran、Rab、Rho 和Ras。这些蛋白分别行使着真核生物特有的 细胞功能，诸如运输小泡的形成和转运（Sar1、Arf、Rab），胞质骨架的建成（Rho）， 细胞核-胞质运输及核膜重建（Ran）等，其起源演化和真核细胞的起源密切相关。 本文利用生物信息学手段和分子生物学实验调查研究了原核生物和原生生物中 Ras 超家族蛋白同源物的存在情况，并进行了分子系统分析，对Ras 超家族蛋白 的起源演化问题进行了较为深入、系统的探讨。获得了以下结果和结论： 1）通过原核生物基因组的搜索和序列结构分析，在一些真细菌中首次鉴定 出了高度相似于真核生物Ras 超家族蛋白的原核生物同源物，且实验证明它们的 基因具有表达活性；在原细菌中的产甲烷菌和热原体中也发现有序列分歧较大的 同源物。并在更多的真细菌种类中鉴定出了更多的前人已报道的另一种小分子 GTP 结合蛋白—MglA。序列比对分析表明MglA 蛋白具有自己独特的序列特征， 与真核生物的Ras 超家族蛋白序列差异较大。进一步的分子系统分析显示：真核 生物Ras 超家族蛋白的七个家族中，Ran、Rab、Rho 和Ras 等四个家族聚在一 起，上述我们所鉴定的真细菌的Ras 超家族蛋白同源物则紧聚在其外围；真核生 物的另三个家族（Sar1、Arf、SRβ）聚成另一枝，并接着与产甲烷原细菌的的同 源物及真细菌的MglA 蛋白聚在一起。这些结果表明：Ras 超家族蛋白不是前人 所认为的为真核生物所特有，实际上在一些原核生物中就已产生；真核生物Ras 超家族蛋白的祖先也不太可能是前人所认为的为真细菌的MglA；真核生物Ras 超家族蛋白的七个家族可能有两种不同的起源：Ran、Rab、Rho 和Ras 等可能 来源于蓝细菌或蛋白菌，或二者的共同祖先，而Sar1、Arf 和SRβ 可能来源于产 甲烷原细菌，这也可能反映了真核细胞“融合起源”的历史。 2）通过搜索一些较为低等的单细胞真核生物——原生生物基因组中Ras 超 家族蛋白，并结合一系列其他处在不同进化地位真核生物的Ras 超家族蛋白进行 分析，发现Sar1、Arf、Rab 和Ran 家族的蛋白在真核生物中普遍存在，而SRβ、 Rho 和Ras 家族蛋白在有些真核生物中未找到。根据各家族蛋白在真核生物中的分布情况推测在真核生物的最近共同祖先中存在的Ras 超家族蛋白可能有下列 两种情况：（1）最近的共同祖先已经具有了所有七个家族的蛋白，并且至少有 11 个成员：1 个Sar1、1 个SRβ、3 个Arf（Arf1、Arl1、Arl2）、3 个Rab（Rab1、 Rab6、Rab11）、1 个Ran、1 个Rho（Rac）和1 个Ras（RheB）。因而，部分真 核生物中缺少SRβ、Rho 和Ras 家族蛋白很可能是因基因丢失所致。植物中Ras 家族蛋白的缺少应该是由于在进化早期，其祖先绿藻丢失了单个Ras 家族蛋白基 因所致；（2）根据Cavalier-Smith 的真核生物划分为单鞭毛（变形虫类、真菌和 后生动物）和双鞭毛（藻类、植物和除变形虫外的原生动物）两大类的分类观点， 真核生物最近的共同祖先可能只具有除Ras 家族而外的六个家族的成员，而Ras 家族蛋白则是在此两大类群分化以后在单鞭毛类生物中才产生的，多数双鞭毛类 生物如原生动物、绿藻和植物中没有Ras 的情况应该是一种祖征，而个别双鞭毛 类生物如红藻具有的Ras 家族蛋白则很可能是从单鞭毛类生物那里水平基因转 移而来的。至于SRβ 和Rho 家族蛋白在部分物种中的缺少，则还是可能因为基 因丢失所致。此外，变形虫类生物中大量的Ras 超家族蛋白提示基因组的大小或 进化地位的高低并不是Ras 超家族蛋白成员多少的决定性因素，而细胞相应生理 活动的需求才是家族成员增多的关键。

ARFGAP1 plays a central role in coupling COPI cargo sorting with vesicle formation.

Examining how key components of coat protein I (COPI) transport participate in cargo sorting, we find that, instead of ADP ribosylation factor 1 (ARF1), its GTPase-activating protein (GAP) plays a direct role in promoting the binding of cargo proteins by coatomer (the core COPI complex). Activated ARF1 binds selectively to SNARE cargo proteins, with this binding likely to represent at least a mechanism by which activated ARF1 is stabilized on Golgi membrane to propagate its effector functions. We also find that the GAP catalytic activity plays a critical role in the formation of COPI vesicles from Golgi membrane, in contrast to the prevailing view that this activity antagonizes vesicle formation. Together, these findings indicate that GAP plays a central role in coupling cargo sorting and vesicle formation, with implications for simplifying models to describe how these two processes are coupled during COPI transport.

ARFGAP1 promotes the formation of COPI vesicles, suggesting function as a component of the coat.

The role of GTPase-activating protein (GAP) that deactivates ADP-ribosylation factor 1 (ARF1) during the formation of coat protein I (COPI) vesicles has been unclear. GAP is originally thought to antagonize vesicle formation by triggering uncoating, but later studies suggest that GAP promotes cargo sorting, a process that occurs during vesicle formation. Recent models have attempted to reconcile these seemingly contradictory roles by suggesting that cargo proteins suppress GAP activity during vesicle formation, but whether GAP truly antagonizes coat recruitment in this process has not been assessed directly. We have reconstituted the formation of COPI vesicles by incubating Golgi membrane with purified soluble components, and find that ARFGAP1 in the presence of GTP promotes vesicle formation and cargo sorting. Moreover, the presence of GTPgammaS not only blocks vesicle uncoating but also vesicle formation by preventing the proper recruitment of GAP to nascent vesicles. Elucidating how GAP functions in vesicle formation, we find that the level of GAP on the reconstituted vesicles is at least as abundant as COPI and that GAP binds directly to the dilysine motif of cargo proteins. Collectively, these findings suggest that ARFGAP1 promotes vesicle formation by functioning as a component of the COPI coat.

Rôle des GTPases ARF dans la migration des cellules endothéliales et la sécrétion du NO

ARF6 et ARF1 sont des petites GTPases de la famille des ARF(s) qui régulent plusieurs voies de signalisation comprenant, la formation et le mouvement des vésicules, la transformation des lipides membranaires et la réorganisation du cytosquelette d’actine. À ce jour, le rôle de la protéine ARF6 et de la protéine ARF1 dans la signalisation des récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) et des récepteurs à activité tyrosine kinase (RTK) dans les cellules endothéliales est encore très peu étudié. Le but de cette étude a été de caractériser le rôle de la protéine ARF6 dans la migration des cellules endothéliales induite par l’endothéline-1, ainsi que le rôle de la protéine ARF1 dans la sécrétion du monoxyde d’azote (NO) stimulées par le VEGF. Dans cette étude, nous montrons qu’ARF6 est essentielle à la migration des cellules endothéliales induite par l’endotheline-1. L’inhibition de l’expression d’ARF6 par interférence à l’ARN entraîne une activation marquée de la kinase FAK et son association constitutive avec Src. Par ailleurs, cette inhibition affecte l’association entre GIT1 et la kinase FAK. Ceci se traduit par une inhibition du désassemblage des contacts focaux et une augmentation de l’adhésion cellulaire menant à une diminution de la motilité. De plus, nos résultats montrent que la protéine ARF1 est essentielle à l’activation d’eNOS et à la sécrétion du NO suite à l’activation du VEGFR2 dans les cellules endothéliales BAEC. En effet, l’inhibition de l’expression d’ARF1 par interférence à l’ARN entraîne une inhibition du recrutement de la kinase Akt à la membrane plasmique et une inhibition de son activation induite par le VEGF. L’inhibition de l’activation de la kinase Akt par le VEGF conduit à une inhibition de l’activation de eNOS et de la sécrétion du NO. Dans l’ensemble, nos résultats montrent que les protéines ARF6 et ARF1 sont essentielles à la signalisation de l’ETB et du VEGFR2 pour les processus menant à la migration cellulaire et à la sécrétion du NO respectivement, deux évènements essentiels à l’angiogenèse.

L’étude du rôle d’ARF1 dans la migration et la prolifération des cellules du cancer du sein

Les facteurs d’ADP-ribosylation (ARFs) sont des petites GTPases impliquées dans le transport vésiculaire, la synthèse des lipides membranaires et la réorganisation du cytosquelette d’actine. Les isoformes 1 (ARF1) et 6 (ARF6) sont les plus étudiées. ARF1 est connue pour être distribuée à l’appareil de Golgi, alors qu’ARF6 est confinée principalement à la membrane plasmique. Récemment, il a été démontré qu’ARF6 est hautement exprimée et activée dans plusieurs cellules de cancer du sein invasif et que celle-ci contrôle les processus de migration et d’invasion. Cependant, le rôle d’ARF1 dans ces processus biologiques impliqués dans la formation de métastases du cancer du sein demeure méconnu. Dans la présente étude, nous avons utilisé comme modèle d’étude pour ARF1 les MDA-MB-231, une lignée de cellules invasives du cancer du sein exprimant de haut niveau de récepteurs au facteur de croissance épidermique (EGFR). Afin d’évaluer le rôle d’ARF1 dans la migration, dans la transition épithéliale mésenchymateuse (EMT) et dans la prolifération cellulaire, nous avons procédé à deux types d’approches expérimentales, soit l’inhibition de l’expression endogène d’ARF1 par l’interférence à l’ARN de même que la surexpression de formes mutantes dominante négative (ARF1T31N) et constitutivement active d’ARF1 (ARF1Q71L), qui miment les formes inactive et active de la GTPase, respectivement. De manière intéressante, la suppression d’ARF1 et la surexpression de la forme inactive d’ARF1 induisent l’arrêt de la migration et de la prolifération des MDA-MB-231 de manière dépendante à l’activation de l’EGFR et ce, en bloquant l’activation de la voie PI3Kinase. De plus, nous démontrons qu’ARF1, de même que les ARF GEFs Cytohésine-1 et Cytohésine-2, contribuent au phénotype invasif des cellules tumorales de cancer du sein. Dans les mêmes approches expérimentales, nous montrons que l’inactivation d’ARF1 dans les MDA-MB-231 déclenche un arrêt de croissance irréversible associé à l’induction de la sénescence et ce, en régulant la fonction de la protéine du rétinoblastome pRb. Enfin, cette étude a permis de mettre en évidence le rôle physiologique d’ARF1 dans les processus de migration et de prolifération cellulaire, deux événements biologiques responsables de la progression du cancer du sein.

Implicating the mechanisms of ADP-ribosylation factor activation in the resistance of invasive breast cancer cells to EGFR tyrosine kinase inhibitors

ADP-ribosylation factor-1 (ARF1) est une petite GTPase principalement connue pour son rôle dans la formation de vésicules au niveau de l’appareil de Golgi. Récemment, dans des cellules de cancer du sein, nous avons démontré qu’ARF1 est aussi un médiateur important de la signalisation du récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR) contrôlant la prolifération, la migration et l'invasion cellulaire. Cependant, le mécanisme par lequel l’EGFR active la GTPase ainsi que le rôle de cette dernière dans la régulation de la fonction du récepteur demeure inconnue. Dans cette thèse, nous avions comme objectifs de définir le mécanisme d'activation de ARF1 dans les cellules de cancer du sein hautement invasif et démontrer que l’activation de cette isoforme de ARF joue un rôle essentiel dans la résistance de ces cellules aux inhibiteurs de l'EGFR. Nos études démontrent que les protéines d’adaptatrices Grb2 et p66Shc jouent un rôle important dans l'activation de ARF1. Alors que Grb2 favorise le recrutement d’ARF1 à l'EGFR ainsi que l'activation de cette petite GTPase, p66Shc inhibe le recrutement du complexe Grb2-ARF1 au récepteur et donc contribue à limiter l’activation d’ARF1. De plus, nous démontrons que ARF1 favorise la résistance aux inhibiteurs des tyrosines kinases dans les cellules de cancer du sein hautement invasif. En effet, une diminution de l’expression de ARF1 a augmenté la sensibilité descellules aux inhibiteurs de l'EGFR. Nous montrons également que de hauts niveaux de ARF1 contribuent à la résistance des cellules à ces médicaments en améliorant la survie et les signaux prolifératifs à travers ERK1/2, Src et AKT, tout en bloquant les voies apoptotiques (p38MAPK et JNK). Enfin, nous mettons en évidence le rôle de la protéine ARF1 dans l’apoptose en réponse aux traitements des inhibiteurs de l’EGFR. Nos résultats indiquent que la dépletion d’ARF1 promeut la mort cellulaire induite par gefitinib, en augmentant l'expression de facteurs pro-apoptotiques (p66shc, Bax), en altérant le potentiel de la membrane mitochondriale et la libération du cytochrome C. Ensemble, nos résultats délimitent un nouveau mécanisme d'activation de ARF1 dans les cellules du cancer du sein hautement invasif et impliquent l’activité d’ARF1 comme un médiateur important de la résistance aux inhibiteurs EGFR.

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

Brefeldin A-inhibited guanine nucleotide-exchange activity of Sec7 domain from yeast Sec7 with yeast and mammalian ADP ribosylation factors

The Saccharomyces cerevisiae Sec7 protein (ySec7p), which is an important component of the yeast secretory pathway, contains a sequence of ≈200 amino acids referred to as a Sec7 domain. Similar Sec7 domain sequences have been recognized in several guanine nucleotide-exchange proteins (GEPs) for ADP ribosylation factors (ARFs). ARFs are ≈20-kDa GTPases that regulate intracellular vesicular membrane trafficking and activate phospholipase D. GEPs activate ARFs by catalyzing the replacement of bound GDP with GTP. We, therefore, undertook to determine whether a Sec7 domain itself could catalyze nucleotide exchange on ARF and found that it exhibited brefeldin A (BFA)-inhibitable ARF GEP activity. BFA is known to inhibit ARF GEP activity in Golgi membranes, thereby causing reversible apparent dissolution of the Golgi complex in many cells. The His6-tagged Sec7 domain from ySec7p (rySec7d) synthesized in Escherichia coli enhanced binding of guanosine 5′-[γ-[35S]thio]triphosphate by recombinant yeast ARF1 (ryARF1) and ryARF2 but not by ryARF3. The effects of rySec7d on ryARF2 were inhibited by BFA in a concentration-dependent manner but not by inactive analogues of BFA (B-17, B-27, and B-36). rySec7d also promoted BFA-sensitive guanosine 5′-[γ-thio]triphosphate binding by nonmyristoylated recombinant human ARF1 (rhARF1), rhARF5, and rhARF6, although the effect on rhARF6 was very small. These results are consistent with the conclusion that the yeast Sec7 domain itself contains the elements necessary for ARF GEP activity and its inhibition by BFA.

Protein–protein interactions among the Aux/IAA proteins

The plant hormone indoleacetic acid (IAA) transcriptionally activates early genes in plants. The Aux/IAA family of early genes encodes proteins that are short-lived and nuclear-localized. They also contain a putative prokaryotic βαα DNA binding motif whose formation requires protein dimerization. Here, we show that the pea PS-IAA4 and Arabidopsis IAA1 and IAA2 proteins perform homo- and heterotypic interactions in yeast using the two-hybrid system. Gel-filtration chromatography and chemical cross-linking experiments demonstrate that the PS-IAA4 and IAA1 proteins interact to form homodimers in vitro. Deletion analysis of PS-IAA4 indicates that the βαα containing acidic C terminus of the protein is necessary for homotypic interactions in the yeast two-hybrid system. Screening an Arabidopsis λ-ACT cDNA library using IAA1 as a bait reveals heterotypic interactions of IAA1 with known and newly discovered members of the Arabidopsis Aux/IAA gene family. The new member IAA24 has similarity to ARF1, a transcription factor that binds to an auxin response element. Combinatorial interactions among the various members of the Aux/IAA gene family may regulate a variety of late genes as well as serve as autoregulators of early auxin-regulated gene expression. These interactions provide a molecular basis for the developmental and tissue-specific manner of auxin action.

Cloning and expression of a cDNA encoding a bovine brain brefeldin A-sensitive guanine nucleotide-exchange protein for ADP-ribosylation factor

A 200-kDa guanine nucleotide-exchange protein (p200 or GEP) for ADP-ribosylation factors 1 and 3 (ARF1 and ARF3) that was inhibited by brefeldin A (BFA) was purified earlier from cytosol of bovine brain cortex. Amino acid sequences of four tryptic peptides were 47% identical to that of Sec7 from Saccharomyces cerevisiae, which is involved in vesicular trafficking in the Golgi. By using a PCR-based procedure with two degenerate primers representing sequences of these peptides, a product similar in size to Sec7 that contained the peptide sequences was generated. Two oligonucleotides based on this product were used to screen a bovine brain library, which yielded one clone that was a partial cDNA for p200. The remainder of the cDNA was obtained by 5′ and 3′ rapid amplification of cDNA ends (RACE). The ORF of the cDNA encodes a protein of 1,849 amino acids (≈208 kDa) that is 33% identical to yeast Sec7 and 50% identical in the Sec7 domain region. On Northern blot analysis of bovine tissues, a ≈7.4-kb mRNA was identified that hybridized with a p200 probe; it was abundant in kidney, somewhat less abundant in lung, spleen, and brain, and still less abundant in heart. A six-His-tagged fusion protein synthesized in baculovirus-infected Sf9 cells demonstrated BFA-inhibited GEP activity, confirming that BFA sensitivity is an intrinsic property of this ARF GEP and not conferred by another protein component of the complex from which p200 was originally purified.

GCS1, an Arf Guanosine Triphosphatase-activating Protein in Saccharomyces cerevisiae, Is Required for Normal Actin Cytoskeletal Organization In Vivo and Stimulates Actin Polymerization In Vitro

Recent cloning of a rat brain phosphatidylinositol 3,4,5-trisphosphate binding protein, centaurin α, identified a novel gene family based on homology to an amino-terminal zinc-binding domain. In Saccharomyces cerevisiae, the protein with the highest homology to centaurin α is Gcs1p, the product of the GCS1 gene. GCS1 was originally identified as a gene conditionally required for the reentry of cells into the cell cycle after stationary phase growth. Gcs1p was previously characterized as a guanosine triphosphatase-activating protein for the small guanosine triphosphatase Arf1, and gcs1 mutants displayed vesicle-trafficking defects. Here, we have shown that similar to centaurin α, recombinant Gcs1p bound phosphoinositide-based affinity resins with high affinity and specificity. A novel GCS1 disruption strain (gcs1Δ) exhibited morphological defects, as well as mislocalization of cortical actin patches. gcs1Δ was hypersensitive to the actin monomer-sequestering drug, latrunculin-B. Synthetic lethality was observed between null alleles of GCS1 and SLA2, the gene encoding a protein involved in stabilization of the actin cytoskeleton. In addition, synthetic growth defects were observed between null alleles of GCS1 and SAC6, the gene encoding the yeast fimbrin homologue. Recombinant Gcs1p bound to actin filaments, stimulated actin polymerization, and inhibited actin depolymerization in vitro. These data provide in vivo and in vitro evidence that Gcs1p interacts directly with the actin cytoskeleton in S. cerevisiae.

ARF Is Required for Maintenance of Yeast Golgi and Endosome Structure and Function

ADP ribosylation factor (ARF) is thought to play a critical role in recruiting coatomer (COPI) to Golgi membranes to drive transport vesicle budding. Yeast strains harboring mutant COPI proteins exhibit defects in retrograde Golgi to endoplasmic reticulum protein transport and striking cargo-selective defects in anterograde endoplasmic reticulum to Golgi protein transport. To determine whether arf mutants exhibit similar phenotypes, the anterograde transport kinetics of multiple cargo proteins were examined in arf mutant cells, and, surprisingly, both COPI-dependent and COPI-independent cargo proteins exhibited comparable defects. Retrograde dilysine-mediated transport also appeared to be inefficient in the arf mutants, and coatomer mutants with no detectable anterograde transport defect exhibited a synthetic growth defect when combined with arf1Δ, supporting a role for ARF in retrograde transport. Remarkably, we found that early and medial Golgi glycosyltransferases localized to abnormally large ring-shaped structures. The endocytic marker FM4–64 also stained similar, but generally larger ring-shaped structures en route from the plasma membrane to the vacuole in arf mutants. Brefeldin A similarly perturbed endosome morphology and also inhibited transport of FM4–64 from endosomal structures to the vacuole. Electron microscopy of arf mutant cells revealed the presence of what appear to be hollow spheres of interconnected membrane tubules which likely correspond to the fluorescent ring structures. Together, these observations indicate that organelle morphology is significantly more affected than transport in the arf mutants, suggesting a fundamental role for ARF in regulating membrane dynamics. Possible mechanisms for producing this dramatic morphological change in intracellular organelles and its relation to the function of ARF in coat assembly are discussed.