Étude de la sortie du virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) hors du noyau

Le virus herpès simplex de type 1 (HSV 1) affecte la majorité de la population mondiale. HSV 1 cause de multiples symptômes délétères dont les plus communs sont les lésions orofaciales usuellement appelées feux sauvages. Le virus peut aussi causer des effets plus sérieux comme la cécité ou des troubles neurologiques. Le virus réside de façon permanente dans le corps de son hôte. Malgré l’existence de nombreux traitements pour atténuer les symptômes causés par HSV 1, aucun médicament ne peut éliminer le virus. Dans le but d’améliorer les connaissances concernant le cycle viral de HSV 1, ce projet cible l’étude du transport du virus dans la cellule hôte. Ce projet aura permis la collecte d’informations concernant le modus operandi de HSV 1 pour sortir des compartiments cellulaires où il séjourne. Les différentes expérimentations ont permis de publier 3 articles dont un article qui a été choisi parmi les meilleurs papiers par les éditeurs de « Journal of Virology » ainsi qu’un 4e article qui a été soumis. Premièrement, un essai in vitro reproduisant la sortie de HSV 1 du noyau a été mis sur pied, via l’isolation de noyaux issus de cellules infectées. Nous avons démontré que tout comme dans les cellules entières, les capsides s’évadent des noyaux isolés dans l’essai in vitro en bourgeonnant avec la membrane nucléaire interne, puis en s’accumulant sous forme de capsides enveloppées entre les deux membranes nucléaires pour finalement être relâchées dans le cytoplasme exclusivement sous une forme non enveloppée. Ces observations appuient le modèle de transport de dé-enveloppement/ré-enveloppement. Deuxièmement, dans le but d’identifier des joueurs clefs viraux impliqués dans la sortie nucléaire du virus, les protéines virales associées aux capsides relâchées par le noyau ont été examinées. La morphologie multicouche du virus HSV 1 comprend un génome d’ADN, une capside, le tégument et une enveloppe. Le tégument est un ensemble de protéines virales qui sont ajoutées séquentiellement sur la particule virale. La séquence d’ajout des téguments de même que les sites intracellulaires où a lieu la tégumentation sont l’objet d’intenses recherches. L’essai in vitro a été utilisé pour étudier cette tégumentation. Les données recueillies suggèrent un processus séquentiel qui implique l’acquisition des protéines UL36, UL37, ICP0, ICP8, UL41, UL42, US3 et possiblement ICP4 sur les capsides relâchées par le noyau. Troisièmement, pour obtenir davantage d’informations concernant la sortie de HSV 1 des compartiments membranaires de la cellule hôte, la sortie de HSV 1 du réseau trans golgien (TGN) a aussi été étudiée. L’étude a révélé l’implication de la protéine kinase D cellulaire (PKD) dans le transport post-TGN de HSV 1. PKD est connue pour réguler le transport de petits cargos et son implication dans le transport de HSV 1 met en lumière l’utilisation d’une machinerie commune pour le transport des petits et gros cargos en aval du TGN. Le TGN n’est donc pas seulement une station de triage, mais est aussi un point de rencontre pour différentes voies de transport intracellulaire. Tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation du virus HSV 1, ce qui pourrait mener au développement de meilleurs traitements pour combattre le virus. Les données amassées concernant le virus HSV 1 pourraient aussi être appliquées à d’autres virus. En plus de leur pertinence dans le domaine de la virologie, les découvertes issues de ce projet apportent également de nouveaux détails au niveau du transport intracellulaire.

Étude du trafic cellulaire de la convertase de proprotéine PCSK9 responsable de la dégradation du récepteur des lipoprotéines de faible densité (LDLR)

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont la principale cause de mortalité dans les pays industrialisés. L'hypercholestérolémie constitue un facteur de risque majeur pour les MCV. Elle est caractérisée par des niveaux élevés de lipoprotéines de faible densité (LDL, aussi appelé “mauvais cholestérol”). La présence prolongée de haut niveaux de LDL dans la circulation augmente le risque de formation de plaques athérosclérotiques, ce qui peut conduire à l'obstruction des artères et l'infarctus du myocarde. Le LDL est normalement extrait du sang par sa liaison au récepteur du LDL (LDLR) qui est responsable de son endocytose dans les hépatocytes. Des études génétiques humaines ont identifié PCSK9 (proprotein convertase subtilisin/kexin type 9) comme le troisième locus responsable de l'hypercholestérolémie autosomique dominante après le LDLR et son ligand l’apolipoprotéine B-100. PCSK9 interagit avec le LDLR et induit sa dégradation, augmentant ainsi les niveaux plasmatiques de LDL. Les mutations gain de fonction (GF) de PCSK9 sont associées à des niveaux plasmatiques élevés de LDL et à l'apparition précoce des MCV, alors que les mutations perte de fonction (PF) de PCSK9 diminuent le risque de MCV jusqu’à ~ 88% grâce à une réduction du LDL circulant. De ce fait, PCSK9 constitue une cible pharmacologique importante pour réduire le risque de MCV. PCSK9 lie le LDLR à la surface cellulaire et/ou dans l'appareil de Golgi des hépatocytes et provoque sa dégradation dans les lysosomes par un mécanisme encore mal compris. Le but de cette étude est de déterminer pourquoi certaines mutations humaines de PCSK9 sont incapables de dégrader le LDLR tandis que d'autres augmentent sa dégradation dans les lysosomes. Plusieurs mutations GF et PF de PCSK9 ont été fusionnées à la protéine fluorecente mCherry dans le but d'étudier leur mobilité moléculaire dans les cellules hépatiques vivantes. Nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) ont montré que les mutations GF (S127R et D129G) avaient une mobilité protéique plus élevée (> 35% par rapport au WT) dans le réseau trans- Golgien. En outre, nos analyses quantitatives de recouvrement de fluorescence inverse après photoblanchiment (iFRAP) ont montré que les mutations PF de PCSK9 (R46L) avaient une mobilité protéique plus lente (<22% par rapport au WT) et une fraction mobile beaucoup plus petite (<40% par rapport au WT). Par ailleurs, nos analyses de microscopie confocale et électronique démontrent pour la toute première fois que PCSK9 est localisée et concentrée dans le TGN des hépatocytes humains via son domaine Cterminal (CHRD) qui est essentiel à la dégradation du LDLR. De plus, nos analyses sur des cellules vivantes démontrent pour la première fois que le CHRD n'est pas nécessaire à l'internalisation de PCSK9. Ces résultats apportent de nouveaux éléments importants sur le mécanisme d'action de PCSK9 et pourront contribuer ultimement au développement d'inhibiteurs de la dégradation du LDLR induite par PCSK9.

Dégradation des membres de la famille du LDLR par la convertase PCSK9 : troisième locus de l'hypercholestérolémie familiale

Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont les principales causes de mortalité et de morbidité à travers le monde. En Amérique du Nord, on estime à 90 millions le nombre d’individus ayant une ou plusieurs MCV, à près de 1 million le nombre de décès reliés par année et à 525 milliards de dollars les coûts directs et indirects en 2010. En collaboration avec l’équipe du Dre. Boileau, notre laboratoire a récemment identifié, le troisième locus impliqué dans l’hypercholestérolémie familiale. Une étude publiée dans le New Engl J Med a révélé que l’absence de la convertase PCSK9 réduit de 88% le risque de MCV, corrélé à une forte réduction du taux de cholestérol plasmatique (LDL-C). Il fut démontré que PCSK9 lie directement le récepteur aux lipoprotéines de faible densité (LDLR) et, par un mécanisme méconnu, favorise sa dégradation dans les endosomes/lysosomes provoquant ainsi une accumulation des particules LDL-C dans le plasma. Dans cet ouvrage, nous nous sommes intéressés à trois aspects bien distincts : [1] Quels sont les cibles de PCSK9 ? [2] Quelle voie du trafic cellulaire est impliquée dans la dégradation du LDLR par PCSK9 ? [3] Comment peut-on inhiber la fonction de PCSK9 ? [1] Nous avons démontré que PCSK9 induit la dégradation du LDLR de même que les récepteurs ApoER2 et VLDLR. Ces deux membres de la famille du LDLR (fortes homologies) sont impliqués notamment dans le métabolisme des lipides et de la mise en place de structures neuronales. De plus, nous avons remarqué que la présence de ces récepteurs favorise l’attachement cellulaire de PCSK9 et ce, indépendamment de la présence du LDLR. Cette étude a ouvert pour la première fois le spectre d’action de PCSK9 sur d’autres protéines membranaires. [2] PCSK9 étant une protéine de la voie sécrétoire, nous avons ensuite évalué l’apport des différentes voies du trafic cellulaire, soit extra- ou intracellulaire, impliquées dans la dégradation du LDLR. À l’aide de milieux conditionnées dérivés d’hépatocytes primaires, nous avons d’abord démontré que le niveau extracellulaire de PCSK9 endogène n’a pas une grande influence sur la dégradation intracellulaire du LDLR, lorsqu’incubés sur des hépatocytes provenant de souris déficientes en PCSK9 (Pcsk9-/-). Par analyses de tri cellulaire (FACS), nous avons ensuite remarqué que la surexpression de PCSK9 diminue localement les niveaux de LDLR avec peu d’effet sur les cellules voisines. Lorsque nous avons bloqué l’endocytose du LDLR dans les cellules HepG2 (lignée de cellules hépatiques pour l’étude endogène de PCSK9), nous n’avons dénoté aucun changement des niveaux protéiques du récepteur. Par contre, nous avons pu démontrer que PCSK9 favorise la dégradation du LDLR par l’intermédiaire d’une voie intracellulaire. En effet l’interruption du trafic vésiculaire entre le réseau trans-Golgien (RTG) et les endosomes (interférence à l’ARN contre les chaînes légères de clathrine ; siCLCs) prévient la dégradation du LDLR de manière PCSK9-dépendante. [3] Par immunobuvardage d’affinité, nous avons identifié que la protéine Annexine A2 (AnxA2) interagit spécifiquement avec le domaine C-terminal de PCSK9, important pour son action sur le LDLR. Plus spécifiquement, nous avons cartographié le domaine R1 (acides aminés 34 à 108) comme étant responsable de l’interaction PCSK9AnxA2 qui, jusqu’à présent, n’avait aucune fonction propre. Finalement, nous avons démontré que l’ajout d’AnxA2 prévient la dégradation du LDLR induite par PCSK9. En somme, nos travaux ont pu identifier que d’autres membres de la famille du LDLR, soit ApoER2 et VLDLR, sont sensibles à la présence de PCSK9. De plus, nous avons mis en évidence que l’intégrité du trafic intracellulaire est critique à l’action de PCSK9 sur le LDLR et ce, de manière endogène. Finalement, nous avons identifié l’Annexine A2 comme unique inhibiteur naturel pouvant interférer avec la dégradation du LDLR par PCSK9. Il est indéniable que PCSK9 soit une cible de premier choix pour contrer l’hypercholestérolémie afin de prévenir le développement de MCV. Cet ouvrage apporte donc des apports considérables dans notre compréhension des voies cellulaires impliquées, des cibles affectées et ouvre directement la porte à une approche thérapeutique à fort potentiel.

Contribution de la Glycoprotéine M dans la Sortie de HSV-1

Le Virus Herpès Simplex de type 1 (HSV-1) est un agent infectieux qui cause l’herpès chez une grande proportion de la population mondiale. L’herpès est généralement considéré comme une maladie bénigne dont la forme la plus commune est l'herpès labial (communément appelé « bouton de fièvre »), mais elle peut se révéler très sérieuse et causer la cécité et l’encéphalite, voir létale dans certain cas. Le virus persiste toute la vie dans le corps de son hôte. Jusqu'à présent, aucun traitement ne peut éliminer le virus et aucun vaccin n’a été prouvé efficace pour contrôler l’infection herpétique. HSV-1 est un virus avec un génome d’ADN bicaténaire contenu dans une capside icosaèdrale entourée d’une enveloppe lipidique. Treize glycoprotéines virales se trouvent dans cette enveloppe et sont connues ou supposées jouer des rôles distincts dans différentes étapes du cycle de réplication viral, incluant l'attachement, l'entrée, l’assemblage, et la propagation des virus. La glycoprotéine M (gM) qui figure parmi ces glycoprotéines d’enveloppe, est la seule glycoprotéine non essentielle mais est conservée dans toute la famille herpesviridae. Récemment, l’homologue de gM dans le Pseudorabies virus (PRV), un autre herpesvirus, a été impliqué dans la phase finale de l’assemblage (i.e. l’enveloppement cytoplasmique) au niveau du réseau trans-Golgi (TGN) en reconnaissant spécifiquement des protéines tégumentaires et d’autres glycoprotéines d’enveloppe ([1]). Toutefois, il a été proposé que cette hypothèse ne s’applique pas pour le HSV-1 ([2]). De plus, contrairement à la localisation au TGN dans les cellules transfectées, HSV-1 gM se localise dans la membrane nucléaire et sur les virions périnucléaires durant une infection. L’objectif du projet présenté ici était d’éclaircir la relation de la localisation et la fonction de HSV-1 gM dans le contexte d’une infection. Dans les résultats rapportés ici, nous décrivons tout abord un mécanisme spécifique de ciblage nucléaire de HSV-1 gM. En phase précoce d’une infection, gM est ciblée à la membrane nucléaire d'une manière virus ii dépendante. Cela se produit avant la réorganisation du TGN normalement induite par l’infection et avant que gM n’entre dans la voie de sécrétion. Ce ciblage nucléaire actif et spécifique de gM ne semble pas dépendre des plusieurs des partenaires d’interaction proposés dans la littérature. Ces données suggèrent que la forme nucléaire de gM pourrait avoir un nouveau rôle indépendant de l’enveloppement final dans le cytoplasme. Dans la deuxième partie du travail présenté ici, nous avons concentré nos efforts sur le rôle de gM dans l’assemblage du virus en phase tardive de l’infection et en identifiant un domaine critique de gM. Nos résultats mettent en valeur l’importance du domaine carboxyl-terminal cytoplasmique de gM dans le transport de gM du réticulum endoplasmique (RE) à l’appareil de Golgi, dans l’enveloppement cytoplasmique et la propagation intercellulaire du virus. Ainsi, l’export du RE de gM a été complètement compromis dans les cellules transfectées exprimant un mutant de gM dépourvu de sa région C-terminale. La délétion la queue cytoplasmique de gM cause une réduction légère du titre viral et de la taille des plaques. L'analyse de ces mutants par microscopie électronique a démontré une accumulation des nucléocapsides sans enveloppe dans le cytoplasme par rapport aux virus de type sauvage. Étrangement, ce phénotype était apparent dans les cellules BHK mais absent dans les cellules 143B, suggérant que la fonction de gM dépende du type cellulaire. Finalement, le criblage de partenaires d’interaction du domaine C-terminal de gM identifiés par le système de double-hybride nous a permis de proposer plusieurs candidats susceptibles de réguler la fonction de gM dans la morphogénèse et la propagation de virus.

Caractérisation de la migration du virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1) par protéomique

Le virus Herpès simplex de type 1 (HSV-1), agent étiologique des feux sauvages, possède une structure multicouche comprenant une capside icosaédrale qui protège le génome viral d’ADN, une couche protéique très structurée appelée tégument et une enveloppe lipidique dérivant de la cellule hôte et parsemée de glycoprotéines virales. Tous ces constituants sont acquis séquentiellement à partir du noyau, du cytoplasme et du réseau trans-golgien. Cette structure multicouche confère à HSV-1 un potentiel considérable pour incorporer des protéines virales et cellulaires. Toutefois, l’ensemble des protéines qui composent ce virus n’a pas encore été élucidé. De plus, malgré son rôle critique à différentes étapes de l’infection, le tégument demeure encore mal défini et ce, tant dans sa composition que dans la séquence d’addition des protéines qui le composent. Toutes ces incertitudes quant aux mécanismes impliqués dans la morphogenèse du virus nous amènent à l’objectif de ce projet, soit la caractérisation du processus de maturation d’HSV-1. Le premier article présenté dans cette thèse et publié dans Journal of Virology s’attarde à la caractérisation protéique des virus extracellulaires matures. Grâce à l’élaboration d’un protocole d’isolation et de purification de ces virions, une étude protéomique a pu être effectuée. Celle-ci nous a permis de réaliser une cartographie de la composition globale en protéines virales des virus matures (8 protéines de la capside, 23 protéines du tégument et 13 glycoprotéines) qui a fait la page couverture de Journal of Virology. De plus, l’incorporation potentielle de 49 protéines cellulaires différentes a été révélée. Lors de cette étude protéomique, nous avons aussi relevé la présence de nouveaux composants du virion dont UL7, UL23, ICP0 et ICP4. Le deuxième article publié dans Journal of General Virology focalise sur ces protéines via une analyse biochimique afin de mieux comprendre les interactions et la dynamique du tégument. Ces résultats nous révèlent que, contrairement aux protéines ICP0 et ICP4, UL7 et UL23 peuvent être relâchées de la capside en présence de sels et que les cystéines libres jouent un rôle dans cette relâche. De plus, cet article met en évidence la présence d’ICP0 et d’ICP4 sur les capsides nucléaires suggérant une acquisition possible du tégument au noyau. La complexité du processus de morphogenèse du virus ainsi que la mise en évidence d’acquisition de protéines du tégument au noyau nous ont incités à poursuivre nos recherches sur la composition du virus à un stade précoce de son cycle viral. Les capsides C matures, prémisses des virus extracellulaires, ont donc été isolées et purifiées grâce à un protocole innovateur basé sur le tri par cytométrie en flux. L’analyse préliminaire de ces capsides par protéomique a permis d’identifier 28 protéines virales et 39 protéines cellulaires. Les données recueilles, comparées à celles obtenues avec les virus extracellulaires, suggèrent clairement un processus séquentiel d’acquisition des protéines du tégument débutant dans le noyau, site d’assemblage des capsides. Finalement, tous ces résultats contribuent à une meilleure compréhension du processus complexe de maturation d’HSV-1 via l’utilisation de techniques variées et innovatrices, telles que la protéomique et la cytométrie en flux, pouvant être appliquées à d’autres virus mais aussi permettre le développement de meilleurs traitements pour vaincre l’HSV-1.

Déterminants du mécanisme de ciblage de la proprotéine convertase PC5-A vers la voie de sécrétion régulée

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

Déterminants du mécanisme de ciblage de la proprotéine convertase PC5-A vers la voie de sécrétion régulée

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

Scattered Golgi Elements during Microtubule Disruption Are Initially Enriched in Trans-Golgi Proteins

We have addressed the question of whether or not Golgi fragmentation, as exemplified by that occurring during drug-induced microtubule depolymerization, is accompanied by the separation of Golgi subcompartments one from another. Scattering kinetics of Golgi subcompartments during microtubule disassembly and reassembly following reversible nocodazole exposure was inferred from multimarker analysis of protein distribution. Stably expressed α-2,6-sialyltransferase and N-acetylglucosaminyltransferase-I (NAGT-I), both C-terminally tagged with the myc epitope, provided markers for the trans-Golgi/trans-Golgi network (TGN) and medial-Golgi, respectively, in Vero cells. Using immunogold labeling, the chimeric proteins were polarized within the Golgi stack. Total cellular distributions of recombinant proteins were assessed by immunofluorescence (anti-myc monoclonal antibody) with respect to the endogenous protein, β-1,4-galactosyltransferase (GalT, trans-Golgi/TGN, polyclonal antibody). ERGIC-53 served as a marker for the intermediate compartment). In HeLa cells, distribution of endogenous GalT was compared with transfected rat α-mannosidase II (medial-Golgi, polyclonal antibody). After a 1-h nocodazole treatment, Vero α-2,6-sialyltransferase and GalT were found in scattered cytoplasmic patches that increased in number over time. Initially these structures were often negative for NAGT-I, but over a two- to threefold slower time course, NAGT-I colocalized with α-2,6-sialyltransferase and GalT. Scattered Golgi elements were located in proximity to ERGIC-53-positive structures. Similar trans-first scattering kinetics was seen with the HeLa GalT/α-mannosidase II pairing. Following nocodazole removal, all cisternal markers accumulated at the same rate in a juxtanuclear Golgi. Accumulation of cisternal proteins in scattered Golgi elements was not blocked by microinjected GTPγS at a concentration sufficient to inhibit secretory processes. Redistribution of Golgi proteins from endoplasmic reticulum to scattered structures following brefeldin A removal in the presence of nocodazole was not blocked by GTPγS. We conclude that Golgi subcompartments can separate one from the other. We discuss how direct trafficking of Golgi proteins from the TGN/trans-Golgi to endoplasmic reticulum may explain the observed trans-first scattering of Golgi transferases in response to microtubule depolymerization.

Étude du mécanisme d’augmentation de la relâche virale par la protéine Vpu du VIH-1

Les différentes protéines accessoires du VIH-1, l’agent étiologique du SIDA, optimisent la réplication et la propagation du virus in vivo. Parmi ces dernières figure Vpu, l’antagoniste du facteur de restriction nommé Tetherin qui prévient la relâche des particules virales à partir de la surface de cellules infectées. En diminuant son expression de surface, Vpu prévient l’incorporation de ce facteur de restriction dans la particule virale en formation et conséquemment, empêche la formation d’une ancre protéique reliant le virus mature à la membrane plasmique de la cellule infectée. La mécanistique sous-jacente n’était cependant pas connue. Cette présente thèse relate nos travaux exécutés afin d’élucider la dynamique des mécanismes cellulaires responsables de cet antagonisme. Une approche de mutagénèse dirigée a d’abord permis d’identifier deux régions contenant des déterminants de la localisation de Vpu dans le réseau trans-Golgi (RTG), puis de démontrer la relation existante entre cette distribution et l’augmentation de la relâche des particules virales. Des expériences subséquentes de marquage métabolique suivi d’une chasse exécutées dans des systèmes cellulaires où Tetherin est exprimée de façon endogène ont suggéré le caractère dispensable de l’induction par Vpu de la dégradation du facteur de restriction lors de son antagonisme. En revanche, une approche de réexpression de Tetherin conduite en cytométrie en flux, confirmée en microscopie confocale, a mis en évidence une séquestration de Tetherin dans le RTG en présence de Vpu, phénomène qui s’est avéré nécessiter l’interaction entre les deux protéines. L’usage d’un système d’expression de Vpu inductible conjugué à des techniques de cytométrie en flux nous a permis d’apprécier l’effet majeur de Vpu sur la Tetherin néo-synthétisée et plus mineur sur la Tetherin de surface. En présence de Vpu, la séquestration intracellulaire de la Tetherin néo-synthétisée et la légère accélération de l’internalisation naturelle de celle en surface se sont avérées suffisantes à la réduction de son expression globale à la membrane plasmique et ce, à temps pour l’initiation du processus de relâche virale. À la lumière de nos résultats, nous proposons un modèle où la séquestration de la Tetherin néo-synthétisée dans le RTG préviendrait le réapprovisionnement de Tetherin en surface qui, combinée avec l’internalisation naturelle de Tetherin à partir de la membrane plasmique, imposerait l’établissement d’un nouvel équilibre de Tetherin incompatible avec une restriction de la relâche des particules virales. Cette thèse nous a donc permis d’identifier un processus par lequel Vpu augmente la sécrétion de virus matures et établit une base mécanistique nécessaire à la compréhension de la contribution de Vpu à la propagation et à la pathogénèse du virus, ce qui pourrait mener à l’élaboration d’une stratégie visant à contrer l’effet de cette protéine virale.

Characterization of the Golgi Complex Cleared of Proteins in Transit and Examination of Calcium Uptake Activities

To characterize endogenous molecules and activities of the Golgi complex, proteins in transit were >99% cleared from rat hepatocytes by using cycloheximide (CHX) treatment. The loss of proteins in transit resulted in condensation of the Golgi cisternae and stacks. Isolation of a stacked Golgi fraction is equally efficient with or without proteins in transit [control (CTL SGF1) and cycloheximide (CHX SGF1)]. Electron microscopy and morphometric analysis showed that >90% of the elements could be positively identified as Golgi stacks or cisternae. Biochemical analysis showed that the cis-, medial-, trans-, and TGN Golgi markers were enriched over the postnuclear supernatant 200- to 400-fold with and 400- to 700-fold without proteins in transit. To provide information on a mechanism for import of calcium required at the later stages of the secretory pathway, calcium uptake into CTL SGF1 and CHX SGF1 was examined. All calcium uptake into CTL SGF1 was dependent on a thapsigargin-resistant pump not resident to the Golgi complex and a thapsigargin-sensitive pump resident to the Golgi. Experiments using CHX SGF1 showed that the thapsigargin-resistant activity was a plasma membrane calcium ATPase isoform in transit to the plasma membrane and the thapsigargin-sensitive pump was a sarcoplasmic/endoplasmic reticulum calcium ATPase isoform. In vivo both of these calcium ATPases function to maintain millimolar levels of calcium within the Golgi lumen.

Distinct Molecular Events during Secretory Granule Biogenesis Revealed by Sensitivities to Brefeldin A

The biogenesis of peptide hormone secretory granules involves a series of sorting, modification, and trafficking steps that initiate in the trans-Golgi and trans-Golgi network (TGN). To investigate their temporal order and interrelationships, we have developed a pulse–chase protocol that follows the synthesis and packaging of a sulfated hormone, pro-opiomelanocortin (POMC). In AtT-20 cells, sulfate is incorporated into POMC predominantly on N-linked endoglycosidase H-resistant oligosaccharides. Subcellular fractionation and pharmacological studies confirm that this sulfation occurs at the trans-Golgi/TGN. Subsequent to sulfation, POMC undergoes a number of molecular events before final storage in dense-core granules. The first step involves the transfer of POMC from the sulfation compartment to a processing compartment (immature secretory granules, ISGs): Inhibiting export of pulse-labeled POMC by brefeldin A (BFA) or a 20°C block prevents its proteolytic conversion to mature adrenocorticotropic hormone. Proteolytic cleavage products were found in vesicular fractions corresponding to ISGs, suggesting that the processing machinery is not appreciably activated until POMC exits the sulfation compartment. A large portion of the labeled hormone is secreted from ISGs as incompletely processed intermediates. This unregulated secretory process occurs only during a limited time window: Granules that have matured for 2 to 3 h exhibit very little unregulated release, as evidenced by the efficient storage of the 15-kDa N-terminal fragment that is generated by a relatively late cleavage event within the maturing granule. The second step of granule biogenesis thus involves two maturation events: proteolytic activation of POMC in ISGs and a transition of the organelle from a state of high unregulated release to one that favors intracellular storage. By using BFA, we show that the two processes occurring in ISGs may be uncoupled: although the unregulated secretion from ISGs is impaired by BFA, proteolytic processing of POMC within this organelle proceeds unaffected. The finding that BFA impairs constitutive secretion from both the TGN and ISGs also suggests that these secretory processes may be related in mechanism. Finally, our data indicate that the unusually high levels of unregulated secretion often associated with endocrine tumors may result, at least in part, from inefficient storage of secretory products at the level of ISGs.

GLUT4 recycles via a trans-Golgi network (TGN) subdomain enriched in Syntaxins 6 and 16 but not TGN38: Involvement of an acidic targeting motif

Insulin stimulates glucose transport in fat and muscle cells by triggering exocytosis of the glucose transporter GLUT4. To define the intracellular trafficking of GLUT4, we have studied the internalization of an epitope-tagged version of GLUT4 from the cell surface. GLUT4 rapidly traversed the endosomal system en route to a perinuclear location. This perinuclear GLUT4 compartment did not colocalize with endosomal markers (endosomal antigen I protein, transferrin) or TGN38, but showed significant overlap with the TGN target (t)-soluble N-ethylmaleimide-sensitive factor attachment protein receptors (SNAREs) Syntaxins 6 and 16. These results were confirmed by vesicle immunoisolation. Consistent with a role for Syntaxins 6 and 16 in GLUT4 trafficking we found that their expression was up-regulated significantly during adipocyte differentiation and insulin stimulated their movement to the cell surface. GLUT4 trafficking between endosomes and trans-Golgi network was regulated via an acidic targeting motif in the carboxy terminus of GLUT4, because a mutant lacking this motif was retained in endosomes. We conclude that GLUT4 is rapidly transported from the cell surface to a subdomain of the trans-Golgi network that is enriched in the t-SNAREs Syntaxins 6 and 16 and that an acidic targeting motif in the C-terminal tail of GLUT4 plays an important role in this process.

The GRIP domain is a specific targeting sequence for a population of trans-Golgi network derived tubulo-vesicular carriers

Vesicular carriers for intracellular transport associate with unique sets of accessory molecules that dictate budding and docking on specific membrane domains. Although many of these accessory molecules are peripheral membrane proteins, in most cases the targeting sequences responsible for their membrane recruitment have yet to be identified. We have previously defined a novel Golgi targeting domain (GRIP) shared by a family of coiled-coil peripheral membrane Golgi proteins implicated in membrane trafficking. We show here that the docking site for the GRIP motif of p230 is a specific domain of Golgi. membranes. By immunoelectron microscopy of HeLa cells stably expressing a green fluorescent protein (GFP)-p230(GRIP) fusion protein, we show binding specifically to a subset of membranes of the trans-Golgi network (TGN). Real-time imaging of live HeLa cells revealed that the GFP-p230(GRIP) was associated with highly dynamic tubular extensions of the TGN, which have the appearance and behaviour of transport carriers. To further define the nature of the GRIP membrane binding site, in vitro budding assays were performed using purified rat liver Golgi membranes and cytosol from GFP-p230(GRIP) transfected cells. Analysis of Golgi-derived vesicles by sucrose gradient fractionation demonstrated that GFP-p230(GRIP) binds to a specific population of vesicles distinct from those labelled for beta -COP or gamma -adaptin. The GFP-p230(GRIP) fusion protein is recruited to the same vesicle population as full-length p230, demonstrating that the GRIP domain is solely proficient as a targeting signal for membrane binding of the native molecule. Therefore, p230 GRIP is a targeting signal for recruitment to a highly selective membrane attachment site on a specific population of trans-Golgi network tubulovesicular carriers.

GRIP domain-mediated targeting of two new coiled-coil proteins, GCC88 and GCC185, to subcompartments of the trans-Golgi network

The GRIP domain is a targeting sequence found in a family of coiled-coil peripheral Golgi proteins. Previously we demonstrated that the GRIP domain of p230/golgin245 is specifically recruited to tubulovesicular structures of the traps-Golgi network (TGN). Here we have characterized two novel Golgi proteins with functional GRIP domains, designated GCC88 and GCC185. GCC88 cDNA encodes a protein of 88 kDa, and GCC185 cDNA encodes a protein of 185 kDa. Both molecules are brefeldin A-sensitive peripheral membrane proteins and are predicted to have extensive coiled-coil regions with the GRIP domain at the C terminus. By immunofluorescence and immunoelectron microscopy GCC88 and GCC185, and the GRIP protein golgin97, are all localized to the TGN of Hela cells. Overexpression of full-length GCC88 leads to the formation of large electron dense structures that extend from the traps-Golgi. These de novo structures contain GCC88 and co-stain for the TGN markers syntaxin 6 and TGN38 but not for alpha2,6-sialyltransferase, beta-COP, or cis-Golgi GM130. The formation of these abnormal structures requires the N-terminal domain of GCC88. TGN38, which recycles between the TGN and plasma membrane, was transported into and out of the GCC88 decorated structures. These data introduce two new GRIP domain proteins and implicate a role for GCC88 in the organization of a specific TGN subcompartment involved with membrane transport.

GLUT2 surface expression and intracellular transport via the constitutive pathway in pancreatic beta cells and insulinoma: evidence for a block in trans-Golgi network exit by brefeldin A.

The biosynthesis, intracellular transport, and surface expression of the beta cell glucose transporter GLUT2 was investigated in isolated islets and insulinoma cells. Using a trypsin sensitivity assay to measure cell surface expression, we determined that: (a) greater than 95% of GLUT2 was expressed on the plasma membrane; (b) GLUT2 did not recycle in intracellular vesicles; and (c) after trypsin treatment, reexpression of the intact transporter occurred with a t1/2 of approximately 7 h. Kinetics of intracellular transport of GLUT2 was investigated in pulse-labeling experiments combined with glycosidase treatment and the trypsin sensitivity assay. We determined that transport from the endoplasmic reticulum to the trans-Golgi network (TGN) occurred with a t1/2 of 15 min and that transport from the TGN to the plasma membrane required a similar half-time. When added at the start of a pulse-labeling experiment, brefeldin A prevented exit of GLUT2 from the endoplasmic reticulum. When the transporter was first accumulated in the TGN during a 15-min period of chase, but not following a low temperature (22 degrees C) incubation, addition of brefeldin A (BFA) prevented subsequent surface expression of the transporter. This indicated that brefeldin A prevented GLUT2 exit from the TGN by acting at a site proximal to the 22 degrees C block. Together, these data demonstrate that GLUT2 surface expression in beta cells is via the constitutive pathway, that transport can be blocked by BFA at two distinct steps and that once on the surface, GLUT2 does not recycle in intracellular vesicles.