Auxin response factors ARF6 and ARF8 promote jasmonic acid production and flower maturation.

Pollination in flowering plants requires that anthers release pollen when the gynoecium is competent to support fertilization. We show that in Arabidopsis thaliana, two paralogous auxin response transcription factors, ARF6 and ARF8, regulate both stamen and gynoecium maturation. arf6 arf8 double-null mutant flowers arrested as infertile closed buds with short petals, short stamen filaments, undehisced anthers that did not release pollen and immature gynoecia. Numerous developmentally regulated genes failed to be induced. ARF6 and ARF8 thus coordinate the transition from immature to mature fertile flowers. Jasmonic acid (JA) measurements and JA feeding experiments showed that decreased jasmonate production caused the block in pollen release, but not the gynoecium arrest. The double mutant had altered auxin responsive gene expression. However, whole flower auxin levels did not change during flower maturation, suggesting that auxin might regulate flower maturation only under specific environmental conditions, or in localized organs or tissues of flowers. arf6 and arf8 single mutants and sesquimutants (homozygous for one mutation and heterozygous for the other) had delayed stamen development and decreased fecundity, indicating that ARF6 and ARF8 gene dosage affects timing of flower maturation quantitatively.

Étude des mécanismes moléculaires menant à la migration cellulaire associée à Rac1 et ARF6.

Le facteur de l’ADP-ribosylation 6 (ARF6) et Rac1 sont des petites protéines liant le GTP qui régulent plusieurs voies de signalisation comprenant le trafic de vésicules, la modification des lipides membranaires et la réorganisation du cytosquelette d’actine. Cependant, les mécanismes moléculaires par lesquels ARF6 et Rac1 agissent de concert afin de contrôler ces différents processus cellulaires restent méconnus. Dans cette étude, nous montrons que, dans les cellules HEK293, ARF6 et Rac1 sont retrouvées en complexe suite à la stimulation du récepteur à l’angiotensine. Des expériences réalisées in vitro nous indiquent que ces deux GTPases interagissent ensemble directement, et que ARF6 s’associe préférentiellement avec la forme inactive de Rac1. L’inhibition de l’expression de ARF6 par interférence à l’ARN entraîne une activation marquée en cellule de Rac1 via le facteur PIX, indépendamment de la stimulation d’un récepteur, ce qui provoque la migration non contrôlée des cellules. Les arrestines, protéines de régulation de la désensibilisation des récepteurs couplés aux protéines G, servent de protéines d’échafaudage pour Rac1 et ARF6, en interagissant directement avec les GTPases et en augmentant leur association stimulée par l’angiotensine. De plus, les arrestines permettent l’activation, en s’en dissociant, de la MAP Kinase p38 qui régule l’activité de ARF6 et son interaction précoce avec les arrestines. Mis ensemble, ces résultats montrent que les arrestines contrôlent l’activité de ARF6, en influençant p38. ARF6 joue un rôle inhibiteur sur l’activation basale de Rac1 pour permettre ensuite son recrutement et son activation dépendante de l’angiotensine. Cette étude nous a permis de préciser le mode de régulation mis en jeu dans l’initiation de la migration cellulaire, suite à l’activation d’un récepteur couplé aux protéines G. Par le fait même, nous avons identifié certains des acteurs impliqués dans ce processus, offrant ainsi de nouvelles cibles pour le traitement des déséquilibres pathophysiologiques de la migration cellulaire.

Arf6-independent GPI-anchored protein-enriched early endosomal compartments fuse with sorting endosomes via a Rab5/phosphatidylinositol-3 '-kinase-dependent machinery

In the process of internalization of molecules from the extracellular milieu, a cell uses multiple endocytic pathways, consequently generating different endocytic vesicles. These primary endocytic vesicles are targeted to specific destinations inside the cell. Here, we show that GPI-anchored proteins are internalized by an Arf6-independent mechanism into GPI-anchored protein-enriched early endosomal compartments (GEECs). Internalized GPI-anchored proteins and the fluid phase are first visualized in GEECs that are acidic, primary endocytic structures, negative for early endosomal markers, Rab4, Rab5, and early endosome antigen (EEA)1. They subsequently acquire Rab5 and EEA1 before homotypic fusion with other GEECs, and heterotypic fusion with endosomes containing cargo from the clathrin-dependent endocytic pathway. Although, the formation of GEECs is unaffected by inhibition of Rab5 GTPase and phosphatidylinositol-3'-kinase (PI3K) activity, their fusion with sorting endosomes is dependent on both activities. Overexpression of Rab5 reverts PI3K inhibition of fusion, providing evidence that Rab5 effectors play important roles in heterotypic fusion between the dynamin-independent GEECs and clathrin- and dynamin-dependent sorting endosomes.

Élucidation des mécanismes moléculaires par lesquels ARF6 contrôle la fonction des récepteurs couplés aux protéines G

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Élucidation des mécanismes moléculaires par lesquels ARF6 contrôle la fonction des récepteurs couplés aux protéines G

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Characterization of E-cadherin endocytosis in isolated MCF-7 and Chinese hamster ovary cells - The initial fate of unbound E-cadherin

The endocytosis of E-cadherin has recently emerged as an important determinant of cadherin function with the potential to participate in remodeling adhesive contacts. In this study we focused on the initial fate of E-cadherin when it predominantly exists free on the cell surface prior to adhesive binding or incorporation into junctions. Surface-labeling techniques were used to define the endocytic itinerary of E-cadherin in MCF-7 cells and in Chinese hamster ovary cells stably expressing human E-cadherin. We found that in this experimental system E-cadherin entered a transferrin-negative compartment before transport to the early endosomal compartment, where it merged with classical clathrin-mediated uptake pathways. E-cadherin endocytosis was inhibited by mutant dynamin, but not by an Eps15 mutant that effectively blocked transferrin internalization. Furthermore, sustained signaling by the ARF6 GTPase appeared to trap endocytosed E-cadherin in large peripheral structures. We conclude that in isolated cells unbound E-cadherin on the cell surface is predominantly endocytosed by a clathrin-independent pathway resembling macropinocytotic internalization, which then fuses with the early endosomal system. Taken with earlier reports, this suggests the possibility that multiple pathways exist for E-cadherin entry into cells that are likely to reflect cell context and regulation.

A regulatory network for coordinated flower maturation.

For self-pollinating plants to reproduce, male and female organ development must be coordinated as flowers mature. The Arabidopsis transcription factors AUXIN RESPONSE FACTOR 6 (ARF6) and ARF8 regulate this complex process by promoting petal expansion, stamen filament elongation, anther dehiscence, and gynoecium maturation, thereby ensuring that pollen released from the anthers is deposited on the stigma of a receptive gynoecium. ARF6 and ARF8 induce jasmonate production, which in turn triggers expression of MYB21 and MYB24, encoding R2R3 MYB transcription factors that promote petal and stamen growth. To understand the dynamics of this flower maturation regulatory network, we have characterized morphological, chemical, and global gene expression phenotypes of arf, myb, and jasmonate pathway mutant flowers. We found that MYB21 and MYB24 promoted not only petal and stamen development but also gynoecium growth. As well as regulating reproductive competence, both the ARF and MYB factors promoted nectary development or function and volatile sesquiterpene production, which may attract insect pollinators and/or repel pathogens. Mutants lacking jasmonate synthesis or response had decreased MYB21 expression and stamen and petal growth at the stage when flowers normally open, but had increased MYB21 expression in petals of older flowers, resulting in renewed and persistent petal expansion at later stages. Both auxin response and jasmonate synthesis promoted positive feedbacks that may ensure rapid petal and stamen growth as flowers open. MYB21 also fed back negatively on expression of jasmonate biosynthesis pathway genes to decrease flower jasmonate level, which correlated with termination of growth after flowers have opened. These dynamic feedbacks may promote timely, coordinated, and transient growth of flower organs.

Regulation of insulin secretion by phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate.

The role of PIP(2) in pancreatic beta cell function was examined here using the beta cell line MIN6B1. Blocking PIP(2) with PH-PLC-GFP or PIP5KIgamma RNAi did not impact on glucose-stimulated secretion although susceptibility to apoptosis was increased. Over-expression of PIP5KIgamma improved cell survival and inhibited secretion with accumulation of endocytic vacuoles containing F-actin, PIP(2), transferrin receptor, caveolin 1, Arf6 and the insulin granule membrane protein phogrin but not insulin. Expression of constitutively active Arf6 Q67L also resulted in vacuole formation and inhibition of secretion, which was reversed by PH-PLC-GFP co-expression. PIP(2) co-localized with gelsolin and F-actin, and gelsolin co-expression partially reversed the secretory defect of PIP5KIgamma-over-expressing cells. RhoA/ROCK inhibition increased actin depolymerization and secretion, which was prevented by over-expressing PIP5KIgamma, while blocking PIP(2) reduced constitutively active RhoA V14-induced F-actin polymerization. In conclusion, although PIP(2) plays a pro-survival role in MIN6B1 cells, excessive PIP(2) production because of PIP5KIgamma over-expression inhibits secretion because of both a defective Arf6/PIP5KIgamma-dependent endocytic recycling of secretory membrane and secretory membrane components such as phogrin and the RhoA/ROCK/PIP5KIgamma-dependent perturbation of F-actin cytoskeleton remodelling.

Receptors and endocytosis of coxsackievirus A9

Coxsackievirus A9 (CV-A9) belongs to human enteroviruses within family Picornaviridae, which are the main cause of aseptic meningitis. In addition, CV-A9 causes a wide range of other clinical manifestations of acute disease including respiratory infections, myocarditis, encephalitis and severe generalized infections in newborns. In this study, the functions of integrins αVβ6 and αVβ3 in the attachment and cellular entry of CV-A9 were analyzed. Further, virus and cell surface interactions and endocytosis of CV-A9 were studied in specific cell lines. Also, a method for production of GFP-expressing CV-A9 particles by long PCR-mediated mutagenesis and in vivo transcription was developed. The results indicated that RGD-motif (arginine-glycine-asparagine) that resides in the viral capsid is important for CV-A9 infection particularly in cell lines expressing integrin αVβ6 and that this integrin serves as a high affinity attachment receptor for the virus. CV-A9 is also capable of infecting certain cell lines independently of αV-integrins by binding to the cell surface HSPA5 protein. Regardless of the attachment stage, the internalization of the virus occurs via the same entry pathway and is dependent on β2M, dynamin, and Arf6 but independent of clathrin and caveolin-1. Furthermore, the virus internalization occurs within Arf6-containing vesicles suggesting that Arf6 is central mediator of CV-A9 endocytosis. While in this study the results of CV-A9 endocytosis were based on microscopical visualization within individual fixed cells, a rapid method for generation of a virus for real-time imaging was also described.

Modulation allostérique de la fonction des récepteurs FP et PAF

Les récepteurs couplés aux protéines-G (RCPGs) constituent la première étape d’une série de cascades signalétiques menant à la régulation d’une multitude de processus physiologiques. Dans le modèle classique connu, la liaison du ligand induit un changement de conformation du récepteur qui mène à sa forme active. Une fois activés, les RCPGs vont réguler l’activité d’une protéine membranaire cible qui peut être tant une enzyme qu’un canal ionique. L’interaction entre le récepteur et la cible nécessite l’intermédiaire d’une protéine hétérotrimérique appelée « protéine G », qui est activée pour favoriser l’échange du GDP (guanosine diphosphate) pour un GTP (guanosine triphosphate) et assurer la transduction du signal du récepteur à l’effecteur. Les mécanismes moléculaires menant à l’activation des effecteurs spécifiques via l’activation des RCPGs par les protéines G hétérotrimériques sont encore plutôt méconnus. Dans notre étude nous nous sommes intéressés aux récepteurs FP et PAF, à leurs ligands naturels, la PGF2α et le Carbamyl-PAF respectivement, et à des ligands à action antagoniste sur ces récepteurs. Des ligands considérés comme agonistes, sont des molécules qui interagissent avec le récepteur et induisent les mêmes effets que le ligand naturel. Les antagonistes, par contre, sont des molécules qui interagissent avec le récepteur et bloquent l’action du ligand naturel en prévenant le changement conformationnel du complexe, et ils peuvent avoir une action compétitive ou non-compétitive. Nous avons étudié aussi des ligands orthostériques et allostériques du récepteur FP des prostaglandines et du récepteur PAF. Un ligand orthostérique peut se comporter comme agoniste ou antagoniste en se fixant au site de liaison du ligand (agoniste) naturel. Un ligand allostérique est un agoniste ou antagoniste se fixant à un site autre que celui du ligand naturel entraînant un changement de conformation ayant pour conséquence soit une augmentation (effecteur positif), soit une diminution (effecteur négatif) de l'activité du ligand naturel.

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.

Remodeling of the Actin Cytoskeleton Is Coordinately Regulated by Protein Kinase C and the ADP-Ribosylation Factor Nucleotide Exchange Factor ARNO

ARNO is a member of a family of guanine-nucleotide exchange factors with specificity for the ADP-ribosylation factor (ARF) GTPases. ARNO possesses a central catalytic domain with homology to yeast Sec7p and an adjacent C-terminal pleckstrin homology (PH) domain. We have previously shown that ARNO localizes to the plasma membrane in vivo and efficiently catalyzes ARF6 nucleotide exchange in vitro. In addition to a role in endocytosis, ARF6 has also been shown to regulate assembly of the actin cytoskeleton. To determine whether ARNO is an upstream regulator of ARF6 in vivo, we examined the distribution of actin in HeLa cells overexpressing ARNO. We found that, while expression of ARNO leads to disassembly of actin stress fibers, it does not result in obvious changes in cell morphology. However, treatment of ARNO transfectants with the PKC agonist phorbol 12-myristate 13-acetate results in the dramatic redistribution of ARNO, ARF6, and actin into membrane protrusions resembling lamellipodia. This process requires ARF activation, as actin rearrangement does not occur in cells expressing a catalytically inactive ARNO mutant. PKC phosphorylates ARNO at a site immediately C-terminal to its PH domain. However, mutation of this site had no effect on the ability of ARNO to regulate actin rearrangement, suggesting that phosphorylation of ARNO by PKC does not positively regulate its activity. Finally, we demonstrate that an ARNO mutant lacking the C-terminal PH domain no longer mediates cytoskeletal reorganization, indicating a role for this domain in appropriate membrane localization. Taken together, these data suggest that ARNO represents an important link between cell surface receptors, ARF6, and the actin cytoskeleton.

ARF-GEP100, a guanine nucleotide-exchange protein for ADP-ribosylation factor 6

A human cDNA encoding an 841-aa guanine nucleotide-exchange protein (GEP) for ADP-ribosylation factors (ARFs), named ARF-GEP100, which contains a Sec7 domain, a pleckstrin homology (PH)-like domain, and an incomplete IQ-motif, was identified. On Northern blot analysis of human tissues, a ≈8-kb mRNA that hybridized with an ARF-GEP100 cDNA was abundant in peripheral blood leukocytes, brain, and spleen. ARF-GEP100 accelerated [35S]GTPγS binding to ARF1 (class I) and ARF5 (class II) 2- to 3-fold, and to ARF6 (class III) ca. 12-fold. The ARF-GEP100 Sec7 domain contains Asp543 and Met555, corresponding to residues associated with sensitivity to the inhibitory effect of the fungal metabolite brefeldin A (BFA) in yeast Sec7, but also Phe535 and Ala536, associated with BFA-insensitivity. The PH-like domain differs greatly from those of other ARF GEPs in regions involved in phospholipid binding. Consistent with its structure, ARF-GEP100 activity was not affected by BFA or phospholipids. After subcellular fractionation of cultured T98G human glioblastoma cells, ARF6 was almost entirely in the crude membrane fraction, whereas ARF-GEP100, a 100-kDa protein detected with antipeptide antibodies, was cytosolic. On immunofluorescence microscopy, both proteins had a punctate pattern of distribution throughout the cells, with apparent colocalization only in peripheral areas. The coarse punctate distribution of EEA-1 in regions nearer the nucleus appeared to coincide with that of ARF-GEP100 in those areas. No similar coincidence of ARF-GEP100 with AP-1, AP-2, catenin, LAMP-1, or 58K was observed. The new human BFA-insensitive GEP may function with ARF6 in specific endocytic processes.

Étude du rôle du facteur d'ADP-ribosylation 6 dans la régulation du processus d'internalisation des récepteurs couplés aux protéines G

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.