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.

Rab8 and Rab8-interacting proteins as players in cell polarization

Rab8 and its interacting proteins as regulators of cell polarization During the development of a multi-cellular organism, progenitor cells have to divide and migrate appropriately as well as organize their differentiation with one another, in order to produce a viable embryo. To divide, differentiate and migrate cells have to undergo polarization, a process where internal and external components such as actin, microtubules and adhesion receptors are reorganized to produce a cell that is asymmetric, with functionally different surfaces. Also in the adult organism there is a continuous need for these processes, as cells need to migrate in response to tissue damage and to fight infection. Improper regulation of cell proliferation and migration can conversely lead to disease such as cancer. GTP-binding proteins function as molecular switches by cycling between a GTP-bound (active) conformation and a GDP-bound (inactive) conformation. The Ras super-family of small GTPases are found in all eukaryotic cells. They can be functionally divided into five subfamilies. The Ras family members mainly regulate gene expression, controlling cell proliferation and differentiation. Ras was in fact the first human oncogene to be characterized, and as much as 30% of all human tumors may be directly or indirectly caused by mutations of Ras molecules The Rho family members mainly regulate cytoskeletal reorganization. Arf proteins are known to regulate vesicle budding and Rab proteins regulate vesicular transport. Ran regulates nuclear transport as well as microtubule organization during mitosis. The focus of the thesis of Katarina Hattula, is on Rab8, a small GTPase of the Rab family. Activated Rab8 has previously been shown to induce the formation of new surface extensions, reorganizing both actin and microtubules, and to have a role in directed membrane transport to cell surfaces. However, the exact membrane route it regulates has remained elusive. In the thesis three novel interactors of Rab8 are presented. Rabin8 is a Rab8-specific GEF that localizes to vesicles where it presumably recruits and activates its target Rab8. Its expression in cells leads to remodelling of actin and the formation of polarized cell surface domains. Optineurin, known to be associated with a leading cause of blindness in humans (open-angle glaucoma), is shown to interact specifically with GTP-bound Rab8. Rab8 binds to an amino-terminal region and interestingly, the Huntingtin protein binds a carboxy-terminal region of optineurin. (Aberrant Huntingtin protein is known to be the cause Huntington s disease in humans.) Co-expression of Huntingtin and optineurin enhanced the recruitment of Huntingtin to Rab8-positive vesicular structures. Furthermore, optineurin promoted cell polarization in a similar way to Rab8. A third novel interactor of Rab8 presented in this thesis is JFC1, a member of the synaptogamin-like protein (Slp) family. JFC1 interacts with Rab8 specifically in its GTP-bound form, co-localizes with endogenous Rab8 on tubular and vesicular structures, and is probably involved in controlling Rab8 membrane dynamics. Rab8 is in this thesis work clearly shown to have a strong effect on cell shape. Blocking Rab8 activity by expression of Rab8 RNAi, or by expressing the dominant negative Rab8 (T22N) mutant leads to loss of cell polarity. Conversely, cells expressing the constitutively active Rab8 (Q67L) mutant exhibit a strongly polarized phenotype. Experiments in live cells show that Rab8 is associated with macropinosomes generated at ruffling areas of the membrane. These macropinosomes fuse with or transform into tubules that move toward the cell centre, from where they are recycled back to the leading edge to participate in protrusion formation. The biogenesis of these tubules is shown to be dependent on both actin and microtubule dynamics. The Rab8-specific membrane route studied contained several markers known to be internalized and recycled (1 integrin, transferrin, transferrin receptor, cholera toxin B subunit (CTxB), and major histocompatibility complex class I protein (MHCI)). Co-expression studies revealed that Rab8 localization overlaps with that of Rab11 and Arf6. Rab8 is furthermore clearly functionally linked to Arf6. The data presented in this thesis strongly suggests a role for Rab8 as a regulator for a recycling compartment, which is involved in providing structural and regulatory components to the leading edge to participate in protrusion formation.

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.

Étude de la régulation de la protéine G monomérique Rac1 par le facteur de l'ADP-ribosylation 6, lors de la formation d'ondulations de membrane et l'induction de la migration cellulaire

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

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.

Étude de la régulation de la protéine G monomérique Rac1 par le facteur de l'ADP-ribosylation 6, lors de la formation d'ondulations de membrane et l'induction de la migration cellulaire

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