An endophilin-dynamin complex promotes budding of clathrin-coated vesicles during synaptic vesicle recycling

Clathrin-mediated vesicle recycling in synapses is maintained by a unique set of endocytic proteins and interactions. We show that endophilin localizes in the vesicle pool at rest and in spirals at the necks of clathrin-coated pits (CCPs) during activity in lamprey synapses. Endophilin and dynamin colocalize at the base of the clathrin coat. Protein spirals composed of these proteins on lipid tubes in vitro have a pitch similar to the one observed at necks of CCPs in living synapses, and lipid tubules are thinner than those formed by dynamin alone. Tubulation efficiency and the amount of dynamin recruited to lipid tubes are dramatically increased in the presence of endophilin. Blocking the interactions of the endophilin SH3 domain in situ reduces dynamin accumulation at the neck and prevents the formation of elongated necks observed in the presence of GTPγS. Therefore, endophilin recruits dynamin to a restricted part of the CCP neck, forming a complex, which promotes budding of new synaptic vesicles.

Identification of the endophilins (SH3p4/p8/p13) as novel binding partners for the beta1-adrenergic receptor.

Several G-protein coupled receptors, such as the beta1-adrenergic receptor (beta1-AR), contain polyproline motifs within their intracellular domains. Such motifs in other proteins are known to mediate protein-protein interactions such as with Src homology (SH)3 domains. Accordingly, we used the proline-rich third intracellular loop of the beta1-AR either as a glutathione S-transferase fusion protein in biochemical "pull-down" assays or as bait in the yeast two-hybrid system to search for interacting proteins. Both approaches identified SH3p4/p8/p13 (also referred to as endophilin 1/2/3), a SH3 domain-containing protein family, as binding partners for the beta1-AR. In vitro and in human embryonic kidney (HEK) 293 cells, SH3p4 specifically binds to the third intracellular loop of the beta1-AR but not to that of the beta2-AR. Moreover, this interaction is mediated by the C-terminal SH3 domain of SH3p4. Functionally, overexpression of SH3p4 promotes agonist-induced internalization and modestly decreases the Gs coupling efficacy of beta1-ARs in HEK293 cells while having no effect on beta2-ARs. Thus, our studies demonstrate a role of the SH3p4/p8/p13 protein family in beta1-AR signaling and suggest that interaction between proline-rich motifs and SH3-containing proteins may represent a previously underappreciated aspect of G-protein coupled receptor signaling.

Membrane fission is promoted by insertion of amphipathic helices and is restricted by crescent BAR domains

Shallow hydrophobic insertions and crescent-shaped BAR scaffolds promote membrane curvature. Here, we investigate membrane fission by shallow hydrophobic insertions quantitatively and mechanistically. We provide evidence that membrane insertion of the ENTH domain of epsin leads to liposome vesiculation, and that epsin is required for clathrin-coated vesicle budding in cells. We also show that BAR-domain scaffolds from endophilin, amphiphysin, GRAF, and β2-centaurin limit membrane fission driven by hydrophobic insertions. A quantitative assay for vesiculation reveals an antagonistic relationship between amphipathic helices and scaffolds of N-BAR domains in fission. The extent of vesiculation by these proteins and vesicle size depend on the number and length of amphipathic helices per BAR domain, in accord with theoretical considerations. This fission mechanism gives a new framework for understanding membrane scission in the absence of mechanoenzymes such as dynamin and suggests how Arf and Sar proteins work in vesicle scission.

Comparaison de l’ubiquitylation de différentes protéines à domaine SH3 impliquées dans l’endocytose suite à leur interaction avec la ligase de l’ubiquitine Itch

Itch est la seule ligase de l'ubiquitine de type C2-WW-HECT capable d'interagir avec les protéines à domaine SH3. Ce domaine est particulièrement représenté parmi les protéines régulatrices de l'endocytose. Les travaux présentés ici visaient à examiner la capacité d'Itch à interagir avec plusieurs protéines endocytiques. Nous avons utilisé la technique du BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfer) pour examiner quelques protéines candidates. Nous avons ensuite confirmé les résultats obtenus par BRET avec des tests d'interaction in vitro, puis déterminé la capacité d'Itch à ubiquityler les protéines liées via leurs domaines SH3. Nous avons ainsi découvert deux nouveaux partenaires d'interaction et substrats d'Itch parmi les protéines endocytiques, amphyphisine et pacsine. De plus, Itch interagit avec les domaines SH3 isolés d'intersectine, mais pas avec la protéine complète, suggérant que cette dernière n'est pas un substrat d'Itch. Itch est donc bien positionnée pour exercer un rôle régulateur de l'endocytose en ubiquitylant ses substrats.

Régulation et rôle de la ligase de l'ubiquitine Itch dans la signalisation cellulaire

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Importance de la phosphorylation de la ligase Itch dans la reconnaissance et l'ubiquitylation des protéines à domaine SH3

Itch est une ligase de l’ubiquitine impliquée dans la reconnaissance et la dégradation des protéines par le protéasome. Itch contient trois sites phosphorylés par JNK et il a été démontré que la phosphorylation de ces résidus est nécessaire pour que Itch puisse reconnaître et ubiquityler les protéines c-Jun et JunB. Ces sites de phosphorylation se retrouvent dans le domaine PRD responsable des interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3. Si la phosphorylation de Itch par JNK est importante pour réguler son activité avec c-Jun et JunB, on connaît peu de choses sur les interactions de Itch avec les protéines à domaine SH3 ainsi que l’implication de la phosphorylation dans leur régulation. Nous avons donc créé des mutants de Itch par mutagenèse dirigée où les sites de phosphorylation étaient remplacés par des alanines (mutant non phosphorylable) et où l’un des trois sites était remplacé par un acide aspartique (mutant constitutivement phosphorylé). Ces mutants sont utilisés dans des tests d’interaction et d’ubiquitylation, dans le but de déterminer l’impact de la phosphorylation de Itch dans la reconnaissance et l’ubiquitylation des protéines SH3. Nos résultats montrent que, contrairement au modèle proposé, la phosphorylation de Itch n’est pas essentielle à l’interaction de Itch avec l’endophiline, mais la phosphorylation de Itch module l’ubiquitylation ainsi que la dégradation de l’endophiline. La régulation de l’interaction de Itch avec ses substrats est donc différente selon le substrat.

Genetische und funktionelle Analyse von Vesikelmembranprotein-Mutanten in Maus und Caenorhabditis elegans

Tetraspan vesicle membrane proteins (TVPs) sind konservierte, ubiquitär vorkommende Membranproteine synaptischer Vesikel und zytoplasmatischer Transportvesikel. Bei Säugetieren lassen sie sich in die Physine, Gyrine und SCAMPs (secretory carrier-associated membrane proteins) unterteilen, die im Nematoden C. elegans jeweils nur durch ein einzelnes Polypeptid vertreten sind (Synaptophysin-1 [SPH-1], Synaptogyrin-1 [SNG-1] und SCAMP-1 [SCM-1]). Obwohl den TVPs eine Beteiligung bei der Regulation des Vesikelzyklus zugesprochen wurde, sind Synaptophysin-1-Knockout-Mäuse und vollständig TVP-defiziente Würmer gesund und weisen nur geringgradige Veränderungen auf. In dieser Arbeit sollten daher zum einen genomweite komparative Transkriptomanalysen durchgeführt werden, um mögliche Kompensationsmechanismen in der Maus und C. elegans zu finden, zum anderen sollten mit Hilfe pharmakologischer Stressassays und genetischer Verfahren Schwachstellen und Redundanzen identifiziert werden. Erstaunlicherweise konnten durch Affymetrix GeneChip-Analysen der RNA in der Retina von Synaptophysin-1-/--Mäusen keine differenziell exprimierten Gene gefunden werden. Bei der Untersuchung der C. elegans-TVP-Dreifachmutante wurden hingegen 17 Gene mit erhöhter und 3 mit erniedrigter Transkription identifiziert. Die Befunde für 12 hochregulierte Gene wurden durch quantitative Real-Time RT-PCR bestätigt. Das am stärksten hochregulierte Gen arf-1.1 kodiert für eine GTPase, die vermutlich an der Regulation der Vesikelbildung beteiligt ist. Von den ebenso identifizierten Genen cdr-2, cdr-4 und pgp-9 ist bekannt, dass sie in Stresssituationen, z. B. in Gegenwart von Cadmium, verstärkt transkribiert werden. ugt-62 und ugt-19 kodieren für Glucuronosyltransferasen. Für arf-1.1, cdr-2, ugt-62 sowie für das Gen T16G1.6, das für eine coiled-coil-Domäne kodiert, wurden im Folgenden fluoreszierende Promoterkonstrukte hergestellt, um Koexpressionsmuster mit TVPs zu bestimmen. Es stellte sich heraus, dass alle vier Promoterkonstrukte im Darm zusammen mit SPH-1 und SCM-1 im Darm transkribiert werden. Mit fluoreszierenden Translationschimären konnte weiterhin gezeigt werden, dass ARF-1.1 und CDR-2 mit den Darm-spezifischen TVPs im apikalen Bereich der Darmzellen kolokalisieren. Um mehr über die Funktion von TVPs im Vesikelzyklus zu erfahren, wurden pharmakologische und genetische Analysen von Würmern durchgeführt, in denen die Expression des Neuronen-spezifischen SNG-1 verändert ist. Deletion oder Überexpression führte zu einer Resistenz gegenüber dem Acetylcholinesterase-Inhibitor Aldicarb und zu erhöhter Empfindlichkeit gegenüber dem GABA-Rezeptor-Antagonisten Pentylentetrazol. Auf genetischer Ebene zeigte sich, dass sng-1 synthetisch mit den Genen für Synaptotagmin-1, Endophilin A sowie Synaptojanin wirkt. Die beobachteten Effekte weisen auf alternative Funktionen in der synaptischen Übertragung hin und unterstützen zugleich die Hypothese, dass SNG-1 im synaptischen Vesikelzyklus eine wichtige Funktion erfüllt, die möglicherweise einem noch unbekannten redundanten Kompartiment-spezifischen Signalweg der synaptischen Transmission zuzuordnen ist.

Identification of the endophilins (SH3p4/p8/p13) as novel binding partners for the β1-adrenergic receptor

Several G-protein coupled receptors, such as the β1-adrenergic receptor (β1-AR), contain polyproline motifs within their intracellular domains. Such motifs in other proteins are known to mediate protein–protein interactions such as with Src homology (SH)3 domains. Accordingly, we used the proline-rich third intracellular loop of the β1-AR either as a glutathione S-transferase fusion protein in biochemical “pull-down” assays or as bait in the yeast two-hybrid system to search for interacting proteins. Both approaches identified SH3p4/p8/p13 (also referred to as endophilin 1/2/3), a SH3 domain-containing protein family, as binding partners for the β1-AR. In vitro and in human embryonic kidney (HEK) 293 cells, SH3p4 specifically binds to the third intracellular loop of the β1-AR but not to that of the β2-AR. Moreover, this interaction is mediated by the C-terminal SH3 domain of SH3p4. Functionally, overexpression of SH3p4 promotes agonist-induced internalization and modestly decreases the Gs coupling efficacy of β1-ARs in HEK293 cells while having no effect on β2-ARs. Thus, our studies demonstrate a role of the SH3p4/p8/p13 protein family in β1-AR signaling and suggest that interaction between proline-rich motifs and SH3-containing proteins may represent a previously underappreciated aspect of G-protein coupled receptor signaling.

Caractérisation des interactions établies par la région riche en prolines de la ligase de l’ubiquitine Itch.

Itch est un membre de la famille des ligases de l’ubiquitine de type CWH (C2-WW- HECT) impliqué dans le contrôle de la signalisation inflammatoire, des facteurs de transcription et le tri des récepteurs membranaires. La fonction d’Itch implique généralement sa capacité à induire la dégradation de ses substrats. Pour accomplir cette fonction, Itch doit d’abord interagir avec ses cibles. Itch possède quatre domaines WW lui permettant d’accomplir la majorité de ses fonctions. En plus de ces domaines, Itch possède une PRR (région riche en prolines) unique parmi les ligases CWH. Cette région est bien conservée chez les vertébrés, ce qui suggère son importance. Cette région permet à Itch d’interagir avec des protéines contenant un domaine SH3 (Src homology 3). Plusieurs partenaires SH3 furent identifiés, cependant l’on connait peu de choses concernant la fonction et l’établissement de ces complexes. Dans ce projet, nous avons analysé les propriétés de liaison d’un sous-groupe de protéines à domaine SH3 impliquées dans l’endocytose et la signalisation cellulaire. Nos travaux ont permis d’identifier de nouveaux partenaires et aussi de déterminer que différents domaines SH3 ciblent la même région riche en prolines, mais impliquent des résidus distincts. Ces résultats démontrent la variété des propriétés de liaison démontrées par la PRR d’Itch et sa préférence marquée pour l’Endophiline. Parmi les partenaires identifiés, Grb2 (Growth factor receptor-bound protein 2) est particulièrement intéressant en raison de son rôle crucial dans la signalisation cellulaire. Nous avons démontré ici qu’Itch ubiquityle Grb2, mais ne cause pas sa dégradation, contrairement à l’Endophiline. Nos travaux démontrent que la PRR d’Itch est versatile quant à ses interactions et leurs conséquences.

How curvature-generating proteins build scaffolds on membrane nanotubes

Bin/Amphiphysin/Rvs (BAR) domain proteins control the curvature of lipid membranes in endocytosis, trafficking, cell motility, the formation of complex sub-cellular structures, and many other cellular phenomena. They form three-dimensional assemblies, which act as molecular scaffolds to reshape the membrane and alter its mechanical properties. It is unknown, however, how a protein scaffold forms and how BAR domains interact in these assemblies at protein densities relevant for a cell. In this work, we employ various experimental, theoretical and simulation approaches to explore how BAR proteins organize to form a scaffold on a membrane nanotube. By combining quantitative microscopy with analytical modeling, we demonstrate that a highly curving BAR protein endophilin nucleates its scaffolds at the ends of a membrane tube, contrary to a weaker curving protein centaurin, which binds evenly along the tube’s length. Our work implies that the nature of local protein-membrane interactions can affect the specific localization of proteins on membrane-remodeling sites. Furthermore, we show that amphipathic helices are dispensable in forming protein scaffolds. Finally, we explore a possible molecular structure of a BAR-domain scaffold using coarse-grained molecular dynamics simulations. Together with fluorescence microscopy, the simulations show that proteins need only to cover 30–40% of a tube’s surface to form a rigid assembly. Our work provides mechanical and structural insights into the way BAR proteins may sculpt the membrane as a high-order cooperative assembly in important biological processes. 

Caractérisation des interactions établies par la région riche en prolines de la ligase de l’ubiquitine Itch

Itch est un membre de la famille des ligases de l’ubiquitine de type CWH (C2-WW- HECT) impliqué dans le contrôle de la signalisation inflammatoire, des facteurs de transcription et le tri des récepteurs membranaires. La fonction d’Itch implique généralement sa capacité à induire la dégradation de ses substrats. Pour accomplir cette fonction, Itch doit d’abord interagir avec ses cibles. Itch possède quatre domaines WW lui permettant d’accomplir la majorité de ses fonctions. En plus de ces domaines, Itch possède une PRR (région riche en prolines) unique parmi les ligases CWH. Cette région est bien conservée chez les vertébrés, ce qui suggère son importance. Cette région permet à Itch d’interagir avec des protéines contenant un domaine SH3 (Src homology 3). Plusieurs partenaires SH3 furent identifiés, cependant l’on connait peu de choses concernant la fonction et l’établissement de ces complexes. Dans ce projet, nous avons analysé les propriétés de liaison d’un sous-groupe de protéines à domaine SH3 impliquées dans l’endocytose et la signalisation cellulaire. Nos travaux ont permis d’identifier de nouveaux partenaires et aussi de déterminer que différents domaines SH3 ciblent la même région riche en prolines, mais impliquent des résidus distincts. Ces résultats démontrent la variété des propriétés de liaison démontrées par la PRR d’Itch et sa préférence marquée pour l’Endophiline. Parmi les partenaires identifiés, Grb2 (Growth factor receptor-bound protein 2) est particulièrement intéressant en raison de son rôle crucial dans la signalisation cellulaire. Nous avons démontré ici qu’Itch ubiquityle Grb2, mais ne cause pas sa dégradation, contrairement à l’Endophiline. Nos travaux démontrent que la PRR d’Itch est versatile quant à ses interactions et leurs conséquences.