The GTPase Rab37 Participates in the Control of Insulin Exocytosis.

Rab37 belongs to a subclass of Rab GTPases regulating exocytosis, including also Rab3a and Rab27a. Proteomic studies indicate that Rab37 is associated with insulin-containing large dense core granules of pancreatic β-cells. In agreement with these observations, we detected Rab37 in extracts of β-cell lines and human pancreatic islets and confirmed by confocal microscopy the localization of the GTPase on insulin-containing secretory granules. We found that, as is the case for Rab3a and Rab27a, reduction of Rab37 levels by RNA interference leads to impairment in glucose-induced insulin secretion and to a decrease in the number of granules in close apposition to the plasma membrane. Pull-down experiments revealed that, despite similar functional effects, Rab37 does not interact with known Rab3a or Rab27a effectors and is likely to operate through a different mechanism. Exposure of insulin-secreting cells to proinflammatory cytokines, fatty acids or oxidized low-density lipoproteins, mimicking physiopathological conditions that favor the development of diabetes, resulted in a decrease in Rab37 expression. Our data identify Rab37 as an additional component of the machinery governing exocytosis of β-cells and suggest that impaired expression of this GTPase may contribute to defective insulin release in pre-diabetic and diabetic conditions.

Plasmodium yoelii: identification of a gene encoding a putative ADP-ribosylation factor-1 GTPase-activating Protein, PyAG1

The PyAG1 gene, identified by the screening of a Plasmodium yoelii genomic DNA library with a rhoptry-specific Mab, encodes a protein with a zinc finger structure immediately followed by the consensus sequence of the Arf GAP catalytic site. The serum of mice immunized with the recombinant protein recognized specifically the rhoptries of the late infected erythrocytic stages. Blast analysis using the Genbank database gave the highest scores with four proteins presenting an Arf1 GAP activity. If presenting also this activity, the PyAG1 protein could be involved in the regulation of the secreted protein vesicular transport and, consequently, in the rhoptry biogenesis.

Functional complementation of a yeast knockout strain by Schistosoma mansoni Rho1 GTPase in the presence of caffeine, an agent that affects mutants defective in the protein kinase C signal transduction pathway

In a previous study, the Schistosoma mansoni Rho1 protein was able to complement Rho1 null mutant Saccharomyces cerevisiae cells at restrictive temperatures and under osmotic stress (low calcium concentration) better than the human homologue (RhoA). It is known that under osmotic stress, the S. cerevisiae Rho1 triggers two distinct pathways: activation of the membrane 1,3-beta-glucan synthase enzymatic complex and activation of the protein kinase C1 signal transduction pathway, promoting the transcription of response genes. In the present work the SmRho1 protein and its mutants smrho1E97P, smrho1L101T, and smrho1E97P, L101T were used to try to clarify the basis for the differential complementation of Rho1 knockout yeast strain by the human and S. mansoni genes. Experiments of functional complementation in the presence of caffeine and in the presence of the osmotic regulator sorbitol were conducted. SmRho1 and its mutants showed a differential complementation of the yeast cells in the presence of caffeine, since smrho1E97P and smrho1E97P, L101T mutants showed a delay in the growth when compared to the yeast complemented with the wild type SmRho1. However, in the presence of sorbitol and caffeine the wild type SmRho1 and mutants showed a similar complementation phenotype, as they allowed yeast growth in all caffeine concentrations tested.

Toxoplasma gondii and the Immunity-Related GTPase (IRG) resistance system in mice: a review

The Immunity Related GTPases (IRG proteins) constitute a large family of interferon-inducible proteins that mediate early resistance to Toxoplasma gondii infection in mice. At least six members of this family are required for resistance of mice to virulent T. gondii strains. Recent results have shown that the complexity of the resistance arises from complex regulatory interactions between different family members. The mode of action against T. gondii depends on the ability of IRG proteins to accumulate on the parasitophorous vacuole of invading tachyzoites and to induce local damage to the vacuole resulting in disruption of the vacuolar membrane. Virulent strains of T. gondiiovercome the IRG resistance system, probably by interfering with the loading of IRG proteins onto the parasitophorous vacuole membrane. It may be assumed that T. gondii strains highly virulent for mice will be disadvantaged in the wild due to the rapid extinction of the infected host, while it is self-evident that susceptibility to virulent strains is disadvantageous to the mouse host. We consider the possibility that this double disadvantage is compensated in wild populations by segregating alleles with different resistance and susceptibility properties in the IRG system.

Rac2 GTPase activation by angiotensin II is modulated by Ca2C/calcineurin and mitogen-activated protein kinases in human neutrophils

Angiotensin II (Ang II) highly stimulates superoxide anion production by neutrophils. The G-protein Rac2 modulates the activity of NADPH oxidase in response to various stimuli. Here, we describe that Ang II induced both Rac2 translocation from the cytosol to the plasma membrane and Rac2 GTP-binding activity. Furthermore, Clostridium difficile toxin A, an inhibitor of the Rho-GTPases family Rho, Rac and Cdc42, prevented Ang II-elicited O2-/ROS production, phosphorylation of the mitogen-activated protein kinases (MAPKs) p38, extracellular signal-regulated kinase 1/2 (ERK1/2) and c-Jun N-terminal kinase 1/2, and Rac2 activation. Rac2 GTPase inhibition by C. difficile toxin A was accompanied by a robust reduction of the cytosolic Ca(2)(+) elevation induced by Ang II in human neutrophils. Furthermore, SB203580 and PD098059 act as inhibitors of p38MAPK and ERK1/2 respectively, wortmannin, an inhibitor of phosphatidylinositol-3-kinase, and cyclosporin A, a calcineurin inhibitor, hindered both translocation of Rac2 from the cytosol to the plasma membrane and enhancement of Rac2 GTP-binding elicited by Ang II. These results provide evidence that the activation of Rac2 by Ang II is exerted through multiple signalling pathways, involving Ca(2)(+)/calcineurin and protein kinases, the elucidation of which should be insightful in the design of new therapies aimed at reversing the inflammation of vessel walls found in a number of cardiovascular diseases.

The GTPase RalA regulates different steps of the secretory process in pancreatic beta-cells.

BACKGROUND: RalA and RalB are multifuntional GTPases involved in a variety of cellular processes including proliferation, oncogenic transformation and membrane trafficking. Here we investigated the mechanisms leading to activation of Ral proteins in pancreatic beta-cells and analyzed the impact on different steps of the insulin-secretory process. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: We found that RalA is the predominant isoform expressed in pancreatic islets and insulin-secreting cell lines. Silencing of this GTPase in INS-1E cells by RNA interference led to a decrease in secretagogue-induced insulin release. Real-time measurements by fluorescence resonance energy transfer revealed that RalA activation in response to secretagogues occurs within 3-5 min and reaches a plateau after 10-15 min. The activation of the GTPase is triggered by increases in intracellular Ca2+ and cAMP and is prevented by the L-type voltage-gated Ca2+ channel blocker Nifedipine and by the protein kinase A inhibitor H89. Defective insulin release in cells lacking RalA is associated with a decrease in the secretory granules docked at the plasma membrane detected by Total Internal Reflection Fluorescence microscopy and with a strong impairment in Phospholipase D1 activation in response to secretagogues. RalA was found to be activated by RalGDS and to be severely hampered upon silencing of this GDP/GTP exchange factor. Accordingly, INS-1E cells lacking RalGDS displayed a reduction in hormone secretion induced by secretagogues and in the number of insulin-containing granules docked at the plasma membrane. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: Taken together, our data indicate that RalA activation elicited by the exchange factor RalGDS in response to a rise in intracellular Ca2+ and cAMP controls hormone release from pancreatic beta-cell by coordinating the execution of different events in the secretory pathway.

Small GTPase RhoE/Rnd3 is a critical regulator of Notch1 signaling.

Aberrations of Notch signaling have been implicated in a variety of human cancers. Oncogenic mutations in NOTCH1 are common in human T-cell leukemia and lymphomas. However, loss-of-function somatic mutations in NOTCH1 arising in solid tumors imply a tumor suppressor function, which highlights the need to understand Notch signaling more completely. Here, we describe the small GTPase RhoE/Rnd3 as a downstream mediator of Notch signaling in squamous cell carcinomas (SCC) that arise in skin epithelia. RhoE is a transcriptional target of activated Notch1, which is attenuated broadly in SCC cells. RhoE depletion suppresses Notch1-mediated signaling in vitro, rendering primary keratinocytes resistant to Notch1-mediated differentiation and thereby favoring a proliferative cell fate. Mechanistic investigations indicated that RhoE controls a key step in Notch1 signaling by mediating nuclear translocation of the activated portion of Notch1 (N1IC) through interaction with importins. Our results define RhoE as a Notch1 target that is essential for recruitment of N1IC to the promoters of Notch1 target genes, establishing a regulatory feedback loop in Notch1 signaling. This molecular circuitry may inform distinct cell fate decisions to Notch1 in epithelial tissues, where carcinomas such as SCC arise. Cancer Res; 74(7); 2082-93. ©2014 AACR.

Spontaneous cell polarization: Feedback control of Cdc42 GTPase breaks cellular symmetry.

Spontaneous polarization without spatial cues, or symmetry breaking, is a fundamental problem of spatial organization in biological systems. This question has been extensively studied using yeast models, which revealed the central role of the small GTPase switch Cdc42. Active Cdc42-GTP forms a coherent patch at the cell cortex, thought to result from amplification of a small initial stochastic inhomogeneity through positive feedback mechanisms, which induces cell polarization. Here, I review and discuss the mechanisms of Cdc42 activity self-amplification and dynamic turnover. A robust Cdc42 patch is formed through the combined effects of Cdc42 activity promoting its own activation and active Cdc42-GTP displaying reduced membrane detachment and lateral diffusion compared to inactive Cdc42-GDP. I argue the role of the actin cytoskeleton in symmetry breaking is not primarily to transport Cdc42 to the active site. Finally, negative feedback and competition mechanisms serve to control the number of polarization sites.

From Unspecific Quenching to Specific Signaling: Functional GTPase Assays Utilizing Quenching Resonance Energy Transfer (QRET) Technology

The aim of the work presented in this study was to demonstrate the wide applicability of a single-label quenching resonance energy transfer (QRET) assay based on time-resolved lanthanide luminescence. QRET technology is proximity dependent method utilizing weak and unspecific interaction between soluble quencher molecule and lanthanide chelate. The interaction between quencher and chelate is lost when the ligand binds to its target molecule. The properties of QRET technology are especially useful in high throughput screening (HTS) assays. At the beginning of this study, only end-point type QRET technology was available. To enable efficient study of enzymatic reactions, the QRET technology was further developed to enable measurement of reaction kinetics. This was performed using proteindeoxyribonuclei acid (DNA) interaction as a first tool to monitor reaction kinetics. Later, the QRET was used to study nucleotide exchange reaction kinetics and mutation induced effects to the small GTPase activity. Small GTPases act as a molecular switch shifting between active GTP bound and inactive GDP bound conformation. The possibility of monitoring reaction kinetics using the QRET technology was evaluated using two homogeneous assays: a direct growth factor detection assay and a nucleotide exchange monitoring assay with small GTPases. To complete the list, a heterogeneous assay for monitoring GTP hydrolysis using small GTPases, was developed. All these small GTPase assays could be performed using nanomolar protein concentrations without GTPase pretreatment. The results from these studies demonstrated that QRET technology can be used to monitor reaction kinetics and further enable the possibility to use the same method for screening.

Interaction de Tau avec la petite GTPase Rab5

La protéine Tau joue un rôle essentiel dans les neurones, notamment par ses interactions avec les éléments du cytosquelette. Des études récentes ont également montré que Tau était impliquée dans la motilité des organelles le long des microtubules axonaux. Dans ce mémoire de Maîtrise, nous avons démontré par recouvrement sur gel une nouvelle interaction in vitro pour Tau avec la petite GTPase Rab5, qui est impliquée dans l’endocytose précoce. De plus, nous avons montré que Tau et Rab5 immuno-précipitaient sur une même population de vésicules in vivo. La sur-expression de Tau dans des neurones primaires de l’hippocampe nous a permis de montrer que Tau et Rab5 avaient une distribution similaire dans l’axone des neurones, suggérant un rôle de Tau dans l’ancrage des endosomes précoces sur les microtubules. Par contre, à la différence de ce qui a pu être observé dans certaines études, la sur-expression de Tau n’a pas inhibé le transport axonal des endosomes précoces. Enfin, nous avons montré que Tau interagissait préférentiellement avec la Rab5 active liée au GTP et des résultats préliminaires nous laissent penser que Tau serait un effecteur ou une GAP pour Rab5. Dans les tauopathies, la Tau devient hyperphosphorylée, décroche des microtubules axonaux et forme des agrégats dans le corps cellulaire du neurone. Ces modifications biochimiques et de localisation de la protéine Tau pourraient être la source d’une perte d’interaction de la Tau avec Rab5 et être responsable de certaines atteintes neurologiques observées dans les tauopathies.

Étude des voies de signalisation en amont et en aval de la petite GTPase Rac1

Les évènements moléculaires en amont et en aval de la petite GTPase Rac1 menant à la migration cellulaire sont encore mal compris. La première partie du projet consiste à utiliser une approche protéomique non-biaisée pour tenter d’identifier les partenaires de Rac. Pour ce faire, nous avons développé une méthode de purification efficace et rapide de manière à maintenir les complexes protéiques transitoires intacts. Dans un deuxième temps, nous avons identifié des sites de phosphorylation sur la RacGEF atypique Dock5 en aval des intégrines. Afin de mieux comprendre le rôle de la phosphorylation de cette protéine, nous avons criblé une banque de kinases ce qui nous a permis d’identifier 14 kinases pouvant phosphoryler la région PXXP de Dock5. D’après nos résultats, ceci aurait comme effet de diminuer l’interaction entre Dock5 et ses partenaires contenant des domaines SH3. Ainsi, la phosphorylation de Dock5 régulerait la formation de complexes et le recrutement de Dock5 par des protéines adaptatrices.

Caractérisation fonctionnelle de la GTPase Ran dans le cancer épithélial de l'ovaire

Le cancer épithélial de l’ovaire est le plus létal des cancers gynécologiques. Les tumeurs de l’ovaire se divisent en différentes classes reflétant l’étendue de la maladie. Les tumeurs à faible potentiel de malignité présentent une survie relative à 5 ans de 90%, alors que pour les tumeurs invasives, la survie à 5 ans chute drastiquement à 35-40%. Au laboratoire, nous avons précédemment identifié la protéine Ran, un membre de la superfamille des GTPases Ras, comme marqueur fortement exprimé dans les cancers épithéliaux de l’ovaire de haut grade et de haut stade dont la surexpression est associée à un mauvais pronostic. Ran est déjà connue pour contribuer au transport nucléocytoplasmique et à la progression du cycle cellulaire, mais son rôle dans le cancer ovarien n’est pas bien défini. En utilisant une approche de shRNA inductibles à la tétracycline basée sur les lentivirus, nous avons montré que la diminution de l’expression de Ran dans des lignées cellulaires agressives du cancer de l’ovaire affecte drastiquement la prolifération cellulaire par l’induction d’une apoptose caspase-3 dépendante. Par un essai de tumeurs en xénogreffes, nous avons démontré que la déplétion de Ran résulte en une diminution de la tumorigenèse et que la formation éventuelle de tumeurs est associée à une sélection des cellules tumorales ayant la capacité de ré-exprimer la protéine Ran. Ces résultats suggèrent un rôle critique pour Ran dans la survie et la tumorigénicité des cellules du cancer ovarien, indiquant que Ran pourrait être une cible thérapeutique intéressante.

Exploring Rac GTPase regulation : the molecular mechanisms governing the DOCK180 and ELMO interaction and the role of this complex in Rac-mediated cell migration

Les protéines DOCK180 et ELMO coopèrent ensemble biochimiquement et génétiquement afin d’activer la GTPase Rac1 lors de plusieurs évènements biologiques. Toutefois, le rôle que jouent ces protéines dans la signalisation par Rac est encore mal compris. Nous émettons l’hypothèse que Dock180 agit comme activateur de Rac, alors que ELMO est requis pour l’intégration de la signalisation de Rac plutôt que son activation per se. Nous postulons que ELMO agit comme signal de localisation intracellulaire afin de restreindre de façon spatio-temporelle la signalisation de Rac en aval de Dock180, et/ou que ELMO agit comme protéine d’échafaudage entre Rac et ses effecteurs pour amplifier la migration cellulaire. Dans l’objectif nº 1, nous démontrons que le domaine PH atypique de ELMO1 est le site d’interaction principal entre cette protéine et DOCK180. De plus, nous démontrons que la liaison entre ELMO et DOCK180 n’est pas nécessaire pour l’activation de Rac, mais est plutôt essentielle pour faciliter la réorganisation du cytosquelette induite par l’activation de Rac en aval de Dock180. Ces résultats impliquent que ELMO pourrait jouer des rôles additionnels dans la signalisation par Rac. Dans l’objectif nº 2, nous avons découvert l’existence d’une homologie structurelle entre ELMO et un module d’autorégulation de la formine Dia1, et avons identifié trois nouveaux domaines dans la protéine ELMO : les domaines RBD, EID et EAD. De façon analogue à Dia1, nous avons découvert que ELMO à l’état basal est autoinhibé grâce à des intéractions intramoléculaires. Nous proposons que l’état d’activation des protéines ELMO est régulé de façon similaire aux formines de la famille Dia, c’est-à-dire grâce à des interactions avec d’autres protéines. Dans l’objectif nº 3, nous identifions un domaine RBD polyvalent chez ELMO. Ce domaine possède une double spécificité pour les GTPases de la famille Rho et Arf. Nous avons découvert que Arl4A agit comme signal de recrutement membranaire pour le module ELMO/DOCK180/Rac. Nos résultats nous permettent de supposer que d’autres GTPases pourraient être impliquées dans l’activation et la localisation de cette voie de signalisation. Nous concluons qu’à l’état basal, ELMO et DOCK180 forment un complexe dans lequel ELMO est dans sa conformation autoinhibée. Bien que le mécanisme d’activation de ELMO ne soit pas encore bien compris, nous avons découvert que, lorsqu’il y a stimulation cellulaire, certaines GTPases liées au GTP peuvent intéragir avec le domaine RBD de ELMO pour relâcher les contacts intramoléculaires et/ou localiser le complexe à la membrane. Ainsi, les GTPases peuvent servir d’ancrage au complexe ELMO/DOCK180 pour assurer une regulation spatiotemporelle adequate de l’activation et de la signalisation de Rac.

Clustering algorithms and shape factor methods to discriminate among small GTPase phenotypes using DIC image analysis.

Naïvement perçu, le processus d’évolution est une succession d’événements de duplication et de mutations graduelles dans le génome qui mènent à des changements dans les fonctions et les interactions du protéome. La famille des hydrolases de guanosine triphosphate (GTPases) similaire à Ras constitue un bon modèle de travail afin de comprendre ce phénomène fondamental, car cette famille de protéines contient un nombre limité d’éléments qui diffèrent en fonctionnalité et en interactions. Globalement, nous désirons comprendre comment les mutations singulières au niveau des GTPases affectent la morphologie des cellules ainsi que leur degré d’impact sur les populations asynchrones. Mon travail de maîtrise vise à classifier de manière significative différents phénotypes de la levure Saccaromyces cerevisiae via l’analyse de plusieurs critères morphologiques de souches exprimant des GTPases mutées et natives. Notre approche à base de microscopie et d’analyses bioinformatique des images DIC (microscopie d’interférence différentielle de contraste) permet de distinguer les phénotypes propres aux cellules natives et aux mutants. L’emploi de cette méthode a permis une détection automatisée et une caractérisation des phénotypes mutants associés à la sur-expression de GTPases constitutivement actives. Les mutants de GTPases constitutivement actifs Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V ont été analysés avec succès. En effet, l’implémentation de différents algorithmes de partitionnement, permet d’analyser des données qui combinent les mesures morphologiques de population native et mutantes. Nos résultats démontrent que l’algorithme Fuzzy C-Means performe un partitionnement efficace des cellules natives ou mutantes, où les différents types de cellules sont classifiés en fonction de plusieurs facteurs de formes cellulaires obtenus à partir des images DIC. Cette analyse démontre que les mutations Cdc42 Q61L, Rho5 Q91H, Ras1 Q68L et Rsr1 G12V induisent respectivement des phénotypes amorphe, allongé, rond et large qui sont représentés par des vecteurs de facteurs de forme distincts. Ces distinctions sont observées avec différentes proportions (morphologie mutante / morphologie native) dans les populations de mutants. Le développement de nouvelles méthodes automatisées d’analyse morphologique des cellules natives et mutantes s’avère extrêmement utile pour l’étude de la famille des GTPases ainsi que des résidus spécifiques qui dictent leurs fonctions et réseau d’interaction. Nous pouvons maintenant envisager de produire des mutants de GTPases qui inversent leur fonction en ciblant des résidus divergents. La substitution fonctionnelle est ensuite détectée au niveau morphologique grâce à notre nouvelle stratégie quantitative. Ce type d’analyse peut également être transposé à d’autres familles de protéines et contribuer de manière significative au domaine de la biologie évolutive.

La petite GTPase Rab11 et ses interacteurs orchestrent la migration cellulaire collective et la cytocinèse chez la Drosophile

Le trafic vésiculaire permet un échange coordonné de molécules entre les différents organites de la cellule et dépend largement des petites GTPases de la famille des Rabs dont le nombre varie entre 27 chez la Drosophile et 70 chez l’Homme. Un des prochains défis consiste donc à élucider les mécanismes cellulaires qui coordonnent l’activité de ces Rabs, laquelle garantit un transport vésiculaire ordonné au sein de la cellule. Les Rabs agissent comme des interrupteurs moléculaires grâce à leur capacité à cycler entre un état actif et inactif. L’activité des Rabs est contrôlée par des protéines régulatrices puis des effecteurs en aval coordonnent leurs différentes fonctions. La petite GTPase Rab11 est essentielle au développement de plusieurs organismes incluant la Drosophile, C. elegans et la souris puisqu’elle se retrouve au cœur de différentes voies de transport. D’ailleurs, le trafic de molécules dépendant de Rab11 est perturbé dans plusieurs pathologies. Malgré son rôle central dans le trafic vésiculaire, la régulation de Rab11 reste peu comprise in vivo. Cette thèse se penche sur les mécanismes moléculaires contrôlant les fonctions de Rab11 et de ses effecteurs lors de la migration cellulaire collective et lors de la cytocinèse. Nous avons identifié Evi5 comme un nouvel acteur clé de la migration cellulaire collective, et nous montrons qu’elle possède une activité Rab11-GAP essentielle pour maintenir les récepteurs de guidance actifs de façon polarisée au front de migration. Nous avons ensuite déterminé que Rab11 régule la communication cellulaire lors de la migration collective par l’entremise de son interaction avec la Moésine. Une question reste toutefois en suspens : sachant que Rab11 compte plus de 13 effecteurs, quels sont les mécanismes assurant la spécificité de l’interaction entre cette GTPase et un effecteur particulier? Une partie de la réponse provient peut-être de nos observations que les membres des Rab11-FIPs de classe I, une famille d’effecteurs de Rab11, interagissent avec les protéines d’échafaudage 14-3-3. Chez la Drosophile, Rip11 est le seul représentant des Rab11-FIPs de classe I et nous montrons que Rip11 aurait des fonctions inattendues durant la cytocinèse qui seraient coordonnées par 14-3-3. Nos recherches permettent de dresser un portrait plus authentique des mécanismes moléculaires régulant les différentes fonctions de Rab11 et de ses effecteurs in vivo.