The unconventional secretion of stress-inducible protein 1 by a heterogeneous population of extracellular vesicles

The co-chaperone stress-inducible protein 1 (STI1) is released by astrocytes, and has important neurotrophic properties upon binding to prion protein (PrPC). However, STI1 lacks a signal peptide and pharmacological approaches pointed that it does not follow a classical secretion mechanism. Ultracentrifugation, size exclusion chromatography, electron microscopy, vesicle labeling, and particle tracking analysis were used to identify three major types of extracellular vesicles (EVs) released from astrocytes with sizes ranging from 20–50, 100–200, and 300–400 nm. These EVs carry STI1 and present many exosomal markers, even though only a subpopulation had the typical exosomal morphology. The only protein, from those evaluated here, present exclusively in vesicles that have exosomal morphology was PrPC. STI1 partially co-localized with Rab5 and Rab7 in endosomal compartments, and a dominant-negative for vacuolar protein sorting 4A (VPS4A), required for formation of multivesicular bodies (MVBs), impaired EV and STI1 release. Flow cytometry and PK digestion demonstrated that STI1 localized to the outer leaflet of EVs, and its association with EVs greatly increased STI1 activity upon PrPC-dependent neuronal signaling. These results indicate that astrocytes secrete a diverse population of EVs derived from MVBs that contain STI1 and suggest that the interaction between EVs and neuronal surface components enhances STI1–PrPC signaling

Funktionsanalyse von Gamma2-Adaptin: ein zellulärer Adaptor der Hepatitis-B-Virus-Morphogenese

Im Replikationszyklus umhüllter Viren entstehen neue Viruspartikel durch die Knospung an Membranen der Wirtszelle. An diesem Prozess sind verschiedene zelluläre Faktoren und Mechanismen beteiligt, speziell die ESCRT-Proteinkomplexe, welche die Vesikelbildung an den MVBs steuern. Auch bei HBV ist davon auszugehen, dass Komponenten der Wirtszelle an der Umhüllung und Freisetzung der Virionen beteiligt sind, allerdings sind diese noch weitgehend unbekannt. Ziel dieser Arbeit war es daher, die zellulären Faktoren genauer zu charakterisieren und ihre Funktion bei der Virusumhüllung aufzuklären. Den Ausgangspunkt für die hier durchgeführten Untersuchungen bildeten vorangegangene Arbeiten, in denen die spezifische Interaktion des L-Hüllproteins von HBV mit g2-Adaptin nachgewiesen werden konnte. Diese ist für die Morphogenese von HBV essentiell, allerdings ist die zelluläre ebenso wie die virusspezifische Funktion von g2-Adaptin bislang unbekannt. Im Rahmen dieser Arbeit sollte daher untersucht werden, wo und wie g2-Adaptin in der Zelle funktionell ist, um daraus Rückschlüsse auf die Vorgänge bei der Morphogenese von HBV ziehen zu können. Die Grundlage für die Charakterisierung von g2-Adaptin bildete seine Ähnlichkeit zu zellulären Clathrin-Adaptorproteinen. So konnte hier gezeigt werden, dass auch g2-Adaptin ein Clathrin-Bindungsmotiv besitzt, welches eine Interaktion mit Clathrin ermöglicht. Außerdem konnte ein Ubiquitin-Interaktions-Motiv (UIM) identifiziert werden, das die Bindung an ubiquitinierte Proteine vermittelt. Diese Beobachtung deutet darauf hin, dass g2-Adaptin zu einer Gruppe monomerer Adaptorproteine zählen könnte, welche als Ubiquitin-Rezeptoren in der Zelle funktionell sind. Die folgenden Analysen zeigten eine weitere Gemeinsamkeit, da auch g2-Adaptin selbst durch Ubiquitin modifiziert wird, wobei die Ubiquitinierung von einem intakten UIM abhängt. Dieser als Coupled Monoubiquitination bezeichnete Prozess wird hierbei durch die Ubiquitin-Ligase Nedd4 vermittelt, die direkt mit g2-Adaptin interagiert. Dabei konnte nachgewiesen werden, dass die C2-Domäne von Nedd4 ebenfalls mit Ubiquitin modifiziert ist, wodurch der Kontakt zum UIM von g2-Adaptin erfolgt. Die meisten der bislang bekannten Ubiquitin-bindenden Adaptorproteine, spielen bei der Vesikelentstehung an verschiedenen zellulären Membranen eine Rolle, wo sie an der Sortierung der vorwiegend ubiquitinierten Membranproteine beteiligt sind und zelluläre Komponenten rekrutieren, welche die Vesikelabschnürung vermitteln. Die Adaptorproteine sind dabei meist mit der jeweiligen Membran assoziiert, was auch für g2-Adaptin nachgewiesen werden konnte. Diese Membranbindung wird durch den N-terminalen Proteinbereich von g2-Adaptin vermittelt und erfolgt unabhängig von den Ubiquitin-bindenden Eigenschaften und von Nedd4. Allerdings scheint die Ubiquitin-Modifikation von g2-Adaptin ausschließlich in membrangebundener Form zu erfolgen. An welchen Membranen g2-Adaptin lokalisiert ist, wurde in Immunfluoreszenzstudien untersucht, wobei eine enge Assoziation von g2-Adaptin mit späten Endosomen bzw. MVBs zu beobachten war. Bei weiteren Analysen konnte auch ein funktioneller Einfluss auf die Vesikelentstehung an den MVBs nachgewiesen werden, da durch die Depletion von g2-Adaptin stark vergrößerte, defekte MVBs induziert wurden. Dies deutet darauf hin, dass g2-Adaptin als Ubiquitin-Rezeptor an diesen Prozessen beteiligt sein könnte. Ebenso wie andere Adaptorproteine könnte es hier an die Cargo-Proteine binden, diese durch den Kontakt zu Clathrin lokal konzentrieren und die Vesikelabschnürung durch die Rekrutierung der MVB-Maschinerie vermitteln. Möglicherweise stellt g2-Adaptin hierbei den bislang nicht identifizierten Adaptor dar, der die Verbindung zwischen Nedd4 und der MVB-Kaskade herstellt. Eine ähnliche Funktion für g2-Adaptin ist auch bei der Morphogenese von HBV denkbar. Aufgrund der durchgeführten Lokalisationsstudien ist anzunehmen, dass die Umhüllung der HBV-Partikel direkt an den MVBs erfolgt. Vermutlich bindet g2-Adaptin hier an das L-Hüllprotein, wobei es durch die Rekrutierung von Clathrin zu einer lokalen Anreicherung der Hüllproteine kommt. g2-Adaptin interagiert zudem in UIM-abhängiger Weise mit dem Nukleokapsid, wobei der Kontakt direkt erfolgen könnte oder durch die Ubiquitin-Ligase Nedd4 vermittelt wird, welche über eine Late-Domäne ebenfalls mit dem Nukleokapsid verbunden ist. Anscheinend gelangt das Nukleokapsid durch den Einfluss von g2-Adaptin und Nedd4 zum Ort der Virusmorphogenese, wo die eigentliche Umhüllung und die Abschnürung der Viruspartikel erfolgen. Vermutlich sind auch hier Komponenten der MVB-Maschinerie beteiligt, die womöglich durch g2-Adaptin rekrutiert werden.

Die Rolle von gamma2-Adaptin im endo-lysosomalen Proteintransport von Säuger-Zellen

Ziel der Arbeit war es, die physiologische Funktion von 2-Adaptin zu charakterisieren. 2 Adaptin wurde 1998 erstmals von Takatsu et al. und Lewin et al. als mögliches Mitglied der Clathrin-Adapter-Proteinfamilie beschrieben. Seine genaue physiologische Funktion ist aber bis heute noch unklar. Bisherige Ergebnisse deuten darauf hin, das 2-Adaptin unabhängig von den AP-Komplexen wirkt. rnIn der HBV-Morphogenese ist eine spezielle Funktion von 2-Adaptin bekannt, da es dort nach seiner Ubiquitinierung durch Nedd4 als Adapter zwischen dem HBV L- und Core-Protein fungiert und Änderungen in der 2 Konzentration die HBV-Freisetzung blockieren.rn2-Adaptin besitzt neben den für die Clathrin-Adapter Proteine typischen Clathrin-bindenden Eigenschaften auch die Fähigkeit, Ubiquitin über sein UIM zu binden. Darüberhinaus wird 2-Adaptin durch seine Interaktion mit der Ubiquitin-Ligase Nedd4 selbst ubiquitiniert. Damit besitzt 2-Adaptin typische Eigenschaften eines Ubiquitin-Adapters. 2-Adaptin ist an MVBs lokalisiert und Abweichungen in der 2 Konzentration verändern die MVB-Morphologie. Zudem führt die Überexpression von 2-Adaptin zur Blockade der Freisetzung retroviraler VLPs und die 2 Depletion blockiert den lysosomalen Abbau von EGF, einem Substrat des endo-lysosomalen Proteintransports. Dies alles deutet auf eine mögliche Funktion von 2-Adaptin in diesem Transportsystem hin, welche in dieser Arbeit näher untersucht wurde.rnEs konnte gezeigt werden, dass die Depletion von 2-Adaptin den Abbau von endogenen (z.B. EGF, ubiquitinierte Proteine) und exogenen (z.B. das retrovirale MLV.gag-Polyprotein) Substraten des endo-lysosomalen Weges inhibiert, während sie bei 2 Überexpression verstärkt abgebaut werden. Alle bisher identifizierten „Substrate“ von 2 Adaptin, also Proteine, die durch überschüssiges 2-Adaptin abgebaut werden, besitzen eine Verbindung zum endo-lysosomalen System und / oder zur Ubiquitin-Maschinerie der Zelle. Weitere Hinweise auf eine Rolle von 2 Adaptin im MVB-Weg lieferte die Identifikation von Vps28 und Chmp2A als spezifische Interaktionspartner von 2-Adaptin. Über Vps28 erhält -Adaptin direkten Zugang zum ESCRT-I- und über Chmp2A zum ESCRT-III-Komplex. rnZudem konnte neben dem UIM eine PH-Domäne in 2-Adaptin als wichtige funktionelle Domäne identifiziert werden. Sie stellt das Modul für die Interaktion mit Rab7 dar, welche erstmals gezeigt werden konnte. Auch die Interaktion mit Rab7 deutet auf eine Rolle von 2 Adaptin im endo-lysosomalen Transportsystem hin, da Rab7 an späten Endosomen lokalisiert ist und u.a. die Fusion der MVBs mit den Lysosomen vermittelt. Da die Auswirkungen der Rab7-Überexpression und Depletion auf MLV.gag denen der 2 Überexpression bzw. Depletion entsprechen, liegt die Vermutung nahe, dass 2-Adaptin an einem ähnlich späten Schritt im endo-lysosomalen Transportsystem wirkt wie Rab7. Jedoch blockiert überschüssiges 2 Adaptin die ESCRT-abhängige VLP-Ausschleusung an der Plasmamembran und fungiert daher möglicherweise als negativer Regulator der ESCRT-Kaskade. Da die Überexpression von -Adaptin aber gleichzeitig zum vermehrten lysosomalen Abbau führt, ist eine Funktion von 2-Adaptin bei der MVB-Lysosomen-Fusion wenig wahrscheinlich. Einer solchen Funktion widerspricht auch, dass die intrazelluläre Konzentration von Rab7 und Vps28 durch überschüssiges 2-Adaptin reduziert werden. rnAls dritte funktionell wichtige Domäne in 2-Adaptin konnte ein LIR-Motiv identifiziert werden, über welches -Adaptin mit dem Autophagie-Markerprotein LC3 interagieren kann. Die Interaktion mit LC3, und damit die Verbindung zur Autophagie-Machinerie, liefert eine mögliche Erklärung für den vermehrten Abbau bei 2-Überexpression und den Abbau von Proteinen auf der MVB-Oberfläche. Dabei induziert 2-Adaptin nicht die Autophagie per se, sondern scheint als Autophagie-Adapter zu wirken, der seine Substrate, z.B. MVBs, selektiv dem Abbau durch Autophagie zuführt. rnrnEine mögliche Rolle von 2-Adaptin im zum Lysosom hin gerichteten zellulären Transport konnte bestätigt werden, wobei 2-Adaptin dabei verschiedene Funktionen übernimmt: rn als Ubiquitin-Adapter im endo-lysosomalen System, rn als negativer Regulator der ESCRT-Kaskadern und / oder als Autophagie-Adapter.rn

THE UBIQUITIN LIGASE UBE4B IS REQUIRED FOR EFFICIENT EPIDERMAL GROWTH FACTOR RECEPTOR DEGRADATION

The length of time that integral membrane proteins reside on the plasma membrane is regulated by endocytosis, a process that can inactivate these proteins by removing them from the membrane and may ultimately result in their degradation. Proteins are internalized and pass through multiple distinct intracellular compartments where targeting decisions determine their fate. Membrane proteins initially enter early endosomes, and subsequently late endosomes/multivesicular bodies (MVBs), before being degraded in the lysosome. The MVB is a subset of late endosomes characterized by the appearance of small vesicles in its luminal compartment. These vesicles contain cargo proteins sorted from the limiting membrane of the MVB. Proteins not sorted into luminal vesicles remain on the MVB membrane, from where they may be recycled back to the plasma membrane. In the case of receptor tyrosine kinases (RTKs), such as epidermal growth factor (EGF) receptor, this important sorting step determines whether a protein returns to the surface to participate in signaling, or whether its signaling properties are inactivated through its degradation in the lysosome. Hrs is a protein that resides on endosomes and is known to recruit sorting complexes that are vital to this sorting step. These sorting complexes are believed to recognize ubiquitin as sorting signals. However, the link between MVB sorting machinery and the ubiquitination machinery is not known. Recently, Hrs was shown to recruit and bind an E3 ubiquitin ligase, UBE4B, to endosomes. In an assay that is able to measure cargo movement, the disruption of the Hrs-UBE4B interaction showed impaired sorting of EGF receptor into MVBs. My hypothesis is that UBE4B may be the connection between MVB sorting and ubiquitination. This study addresses the role of UBE4B in the trafficking and ubiquitination of EGF receptor. I created stable cell lines that either overexpresses UBE4B or expresses a UBE4B with no ligase activity. Levels of EGF receptor were analyzed after certain periods of ligand-induced receptor internalization. I observed that higher expression levels of UBE4B correspond to increased degradation of EGF receptor. In an in vitro ubiquitination assay, I also determined that UBE4B mediates the ubiquitination of EGF receptor. These data suggest that UBE4B is required for EGFR degradation specifically because it ubiquitinates the receptor allowing it to be sorted into the internal vesicles of MVBs and subsequently degraded in lysosomes.

Genetic Dissection of Endocytic Trafficking in Drosophila Using a Horseradish Peroxidase-Bride of Sevenless Chimera: hook Is Required for Normal Maturation of Multivesicular Endosomes

Mutations in the hook gene alter intracellular trafficking of internalized ligands in Drosophila. To dissect this defect in more detail, we developed a new approach to visualize the pathway taken by the Bride of Sevenless (Boss) ligand after its internalization into R7 cells. A chimeric protein consisting of HRP fused to Boss (HRP-Boss) was expressed in R8 cells. This chimera was fully functional: it rescued the boss mutant phenotype, and its trafficking was indistinguishable from that of the wild-type Boss protein. The HRP activity of the chimera was used to follow HRP-Boss trafficking on the ultrastructural level through early and late endosomes in R7 cells. In both wild-type and hook mutant eye disks, HRP-Boss was internalized into R7 cells. In wild-type tissue, Boss accumulated in mature multivesicular bodies (MVBs) within R7 cells; such accumulation was not observed in hook eye disks, however. Quantitative electron microscopy revealed a loss of mature MVBs in hook mutant tissue compared with wild type, whereas more than twice as many multilammelar late endosomes were detected. Our genetic analysis indicates that Hook is required late in endocytic trafficking to negatively regulate delivery from mature MVBs to multilammelar late endosomes and lysosomes.

The Kinetics of Mannose 6-Phosphate Receptor Trafficking in the Endocytic Pathway in HEp-2 Cells: The Receptor Enters and Rapidly Leaves Multivesicular Endosomes without Accumulating in a Prelysosomal Compartment

We have previously shown that in HEp-2 cells, multivesicular bodies (MVBs) processing internalized epidermal growth factor–epidermal growth factor receptor complexes mature and fuse directly with lysosomes in which the complexes are degraded. The MVBs do not fuse with a prelysosomal compartment enriched in mannose 6-phosphate receptor (M6PR) as has been described in other cell types. Here we show that the cation-independent M6PR does not become enriched in the endocytic pathway en route to the lysosome, but if a pulse of M6PR or an M6PR ligand, cathepsin D, is followed, a significant fraction of these proteins are routed from the trans-Golgi to MVBs. Accumulation of M6PR does not occur because when the ligand dissociates, the receptor rapidly leaves the MVB. At steady state, most M6PR are distributed within the trans-Golgi and trans-Golgi network and in vacuolar structures distributed in the peripheral cytoplasm. We suggest that these M6PR-rich vacuoles are on the return route from MVBs to the trans-Golgi network and that a separate stable M6PR-rich compartment equivalent to the late endosome/prelysosome stage does not exist on the endosome–lysosome pathway in these cells.

Raw data of SCADCP (self-contained Acoustic Doppler Current Profiler) from three moorings in the Eastern Weddell Sea, 2005-2008

The success of any efforts to determine the effects of climate change on marine ecosystems depends on understanding in the first instance the natural variations, which contemporarily occur on the interannual and shorter time scales. Here we present results on the environmental controls of zooplankton distribution patterns and behaviour in the eastern Weddell Sea, Southern Ocean. Zooplankton abundance and vertical migration are derived from the mean volume backscattering strength (MVBS) and the vertical velocity measured by moored acoustic Doppler current profilers (ADCPs), which were deployed simultaneously at 64°S, 66.5°S and 69°S along the Greenwich Meridian from February, 2005, until March, 2008. While these time series span a period of full three years they resolve hourly changes. A highly persistent behavioural pattern found at all three mooring locations is the synchronous diel vertical migration (DVM) of two distinct groups of zooplankton that migrate between a deep residence depth during daytime and a shallow depth during nighttime. The DVM was closely coupled to the astronomical daylight cycles. However, while the DVM was symmetric around local noon, the annual modulation of the DVM was clearly asymmetric around winter solstice or summer solstice, respectively, at all three mooring sites. DVM at our observation sites persisted throughout winter, even at the highest latitude exposed to the polar night. Since the magnitude as well as the relative rate of change of illumination is minimal at this time, we propose that the ultimate causes of DVM separated from the light-mediated proximal cue that coordinates it. In all three years, a marked change in the migration behaviour occurred in late spring (late October/early November), when DVM ceased. The complete suspension of DVM after early November is possibly caused by the combination of two factors: (1) increased availability of food in the surface mixed layer provided by the phytoplankton spring bloom, and (2) vanishing diurnal enhancement of the threat from visually oriented predators when the illumination is quasi-continuous during the polar and subpolar summer. Zooplankton abundance in the water column, estimated as the mean MVBS in the depth range 50-300 m, was highest end of summer and lowest mid to end winter on the average annual cycle. However, zooplankton abundance varied several-fold between years and between locations. Based on satellite and in situ data of chlorophyll and sea ice as well as on hydrographic measurements, the interannual and spatial variations of zooplankton mean abundance can be explained by differences in the magnitude of the phytoplankton spring bloom, which develops during the seasonal sea ice retreat. Whereas the vernal ice melt appears necessary to stimulate the blooming of phytoplankton, it is not the determinator of the blooms magnitude, its areal extent and duration. A possible explanation for the limitation of the phytoplankton bloom in some years is top-down control. We hypothesise that the phytoplankton spring development can be curbed by grazing when the zooplankton had attained high abundance by growth during the preceding summer.

Septin6 and Septin7 GTP binding proteins regulate AP-3- and ESCRT-dependent multivesicular body biogenesis

Septins (SEPTs) form a family of GTP-binding proteins implicated in cytoskeleton and membrane organization, cell division and host/pathogen interactions. The precise function of many family members remains elusive. We show that SEPT6 and SEPT7 complexes bound to F-actin regulate protein sorting during multivesicular body (MVB) biogenesis. These complexes bind AP-3, an adapter complex sorting cargos destined to remain in outer membranes of maturing endosomes, modulate AP-3 membrane interactions and the motility of AP-3-positive endosomes. These SEPT-AP interactions also influence the membrane interaction of ESCRT (endosomal-sorting complex required for transport)-I, which selects ubiquitinated cargos for degradation inside MVBs. Whereas our findings demonstrate that SEPT6 and SEPT7 function in the spatial, temporal organization of AP-3- and ESCRT-coated membrane domains, they uncover an unsuspected coordination of these sorting machineries during MVB biogenesis. This requires the E3 ubiquitin ligase LRSAM1, an AP-3 interactor regulating ESCRT-I sorting activity and whose mutations are linked with Charcot-Marie-Tooth neuropathies.

Ubiquitination et ciblage des molécules du complexe majeur d'histocompatibilité de classe-II aux exosomes

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

Ubiquitination et ciblage des molécules du complexe majeur d'histocompatibilité de classe-II aux exosomes

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

Raw data of SCADCP (self-contained Acoustic Doppler Current Profiler) from three moorings in the Eastern Weddell Sea in 2005

Ten-month time series of mean volume backscattering strength (MVBS) and vertical velocity obtained from three moored acoustic Doppler current profilers (ADCPs) deployed from February until December 2005 at 64°S, 66.5°S and 69°S along the Greenwich Meridian were used to analyse the diel vertical zooplankton migration (DVM) and its seasonality and regional variability in the Lazarev Sea. The estimated MVBS exhibited distinct patterns of DVM at all three mooring sites. Between February and October, the timing of the DVM and the residence time of zooplankton at depth were clearly governed by the day-night rhythm. Mean daily cycles of the ADCP-derived vertical velocity were calculated for successive months and showed maximum ascent and descent velocities of 16 and -15 mm/s. However, a change of the MVBS pattern occurred in late spring/early austral summer (October/November), when the zooplankton communities ceased their synchronous vertical migration at all three mooring sites. Elevated MVBS values were then concentrated in the uppermost layers (<50 m) at 66.5°S. This period coincided with the decay of sea ice coverage at 64°S and 66.5°S between early November and mid-December. Elevated chlorophyll concentrations, which were measured at the end of the deployment, extended from 67°S to 65°S and indicated a phytoplankton bloom in the upper 50 m. Thus, we propose that the increased food supply associated with an ice edge bloom caused the zooplankton communities to cease their DVM in favour of feeding.

Functional analysis of Arabidopsis thaliana lesion mimic mutant cfs1 in ESCRT complex-related protein trafficking

The Endosomal Sorting Complex Required for Transport (ESCRT)-complex is composed of four complexes, ESCRT-0-III. They sequentially act on a late endosome to sort mono-ubiquitinated transmembrane proteins into the intralumenal vesicle, forming of a multivesicular body(MVB) that is delivered to vacuole for degradation. In Arabidopsis thaliana, the loss of an ESCRT-I component, elch displays a cytokinesis defect; while a dominant negative expression of an ESCRT-III component results in cell death due to vacuolar loss. In this work, the function of a plant-specific ELCH-interactor, CELL DEATH RELATED FYVE/SYLF DOMAIN CONTAINING 1 (CFS1) and its influences on the ESCRT-complex function are investigated. CFS1 is a phosphatidylinositol-3-phosphate- and actin-binding protein. The cfs1 mutants mimic lesions in the first eldest leaf that propagate to the next eldest one. Genetic analyses have demonstrated that cell death in cfs1 does not require a functional ESCRT-I component; nevertheless, the loss of CFS1 alleviates elchcytokinesis defect, suggesting its influence on the ESCRT-I function. Further analyses reveal that cfs1 accumulates autophagosomes throughout its lifespan due to a decrease in autophagosome degradation, suggesting that as the plant ages, the cumulated autophagosomes falsely trigger effectors-triggered immunity that executes cell death in cfs1. As the ESCRT-complex has been demonstrated to be involved in the delivery of autophagosomes to vacuole and CFS1 homolog, CFS2 reportedly interacts with ATG8, it can be postulated from the results of this work that CFS1 alone or together with CFS2 function in sequestering mature autophagosomes onto MVBs. At the MVBs, the ESCRT-complex then mediates the fusion of autophagosome and MVB for subsequent delivery to vacuole.