Estudi d'un receptor quinasa atípic (Mark) i de les proteïnes que interaccionen amb el seu domini intracel·lular. Transducció del senyal i desenvolupament en blat de moro (Zea mays)

Aquesta tesi doctoral s'engloba dins d'un projecte general d'estudi de gens implicats en l'embriogènesi del blat de moro. L'embriogènesi del blat de moro, i en general la de totes les plantes superiors, es dóna en tres etapes: una primera etapa on es diferencien tots els diversos teixits que formaran l'embrió, una segona etapa on l'embrió acumula productes de reserva i un tercer període, la dormància, que finalitza quan les condicions ambientals són les idònies per a la germinació. En el laboratori estàvem interessats, concretament, en l'estudi de gens implicats en la primera etapa morfogenètica, on els diferents teixits i estructures embrionàries queden definides. Per tal d'estudiar gens que s'expressaven en aquest període, una de les estratègies que es va realitzar fou un crivellat diferencial entre teixit embrionari i teixit de planta adulta. D'entre els diferents clons obtinguts, un corresponia a un clon parcial que presentava similitud amb receptors quinasa i que fou objecte d'estudi. A partir d'aquest clon es va obtenir el clon complet i es va anomenar MARK (per Maize Atypical Receptor Kinase). MARK presenta una estructura típica d'un receptor quinasa amb un domini extracel.lular, que conté 6 còpies imperfectes de LRR (Leucine- Rich Repeats), un únic domini transmembrana i un domini quinasa intracel.lular. El domini quinasa de MARK presenta, però, algunes variacions en els residus aminoacídics que es consideren claus per a la funció catalítica dels dominis quinasa. En concret cinc dels aminoàcids considerats essencials per a la fosforilació es troben substituits en el domini quinasa de MARK (DK-MARK). Els experiments de fosforilació in vitro que es van realitzar al laboratori, van mostrar com MARK era incapaç de fosforilar in vitro. Aquesta característica no és, però, exclusiva de MARK. Una búsqueda en les bases de dades ens van permetre identificar altres seqüències que també presentaven els mateixos o altres canvis en aquestes posicions aminoacídiques. En les bases de dades de plantes es van identificar un conjunt de seqüències genòmiques o ESTs amb aquestes característiques i només una d'elles, la proteïna TMKL1 d'Arabidopsis, ha sigut descrita com un receptor quinasa incapaç de fosforilar in vitro. Respecte a la búsqueda de receptors similars a MARK en les bases de dades d'animals, es van identificar també un conjunt de proteïnes que, en alguns casos, s'ha descrit que no tenen activitat quinasa in vivo. Per exemple, un dels casos més ben estudiats és el del receptor erbB3 que forma part de la família de receptors del EGF (Epidermal Growth Factor). Aquesta família de receptors està formada per 4 receptors: erbB1, erbB2, erbB3 i erbB4, dels quals només l'erbB3 no presenta activitat catalítica. S'ha descrit que erbB3 és capaç, tot i no fosforilar in vivo, de participar activament en la transducció del senyal formant heterodímers amb els altres membres de la família. Així, erbB3 és fosforilat pel seu partner i pot iniciar la cascada de transducció del senyal. La participació d'erbB3 en la transducció del senyal és essencial ja que embrions de ratolí knock-out pel gen erbB3 són inviables. Així doncs, el fet que receptors quinasa catalíticament inactius participin en les cascades de transducció del senyal, suggereix l'existència de nous mecanismes d'acció per a la transducció del senyal. Per tant, l'objectiu d'aquest treball fou l'estudi del mecanisme d'acció de MARK mitjançant la caracterització les proteïnes capaces d'interaccionar amb el seu domini quinasa. Per tal d'assolir aquest objectiu, es va realitzar un crivellat de doble-híbrid amb una llibreria de cDNA d'embrions de blat de moro de 7 DAP. D'aquest crivellat es va obtenir un conjunt de possibles clons positius que foren seqüenciats i entre els quals es van escollir per un estudi més detallat aquells que s'havien obtingut més vegades com a clons independents. Aquests clons codificaven per: una SAMDC (S-Adenosil Descarboxilasa), una eIF5 (Eukaryotic translation initiation), una hypothetical protein, una unknown protein, una gamma-adaptina i una MAP4K. Amb aquests 6 clons es van fer estudis in vitro i in vivo per tal de confirmar al seva interacció amb DK-MARK. Els estudis in vivo es van realitzar amb la soca de llevat AH109, una soca més astringent que la utilitzada en el crivellat, ja que presenta tres gens marcadors: Histidina, Adenina i Lacz. Els resultats obtinguts van mostrar que els clons codificants per SAMDC i eIF5 no van créixer en un medi selectiu per His i Ade i, per tant o es tracta de falsos positius del sistema o la seva interacció amb DK-MARK és dèbil. D'altra banda, la resta dels clons analitzats (proteïna hipotètica, una proteïna de funció desconeguda, la gamma-adaptina i una MAP4K) van créixer en medis en absència de Histidina i Adenina. Els assatjos de b-galactosidasa van ser tots positius a excepció de la proteïna hipotètica suggerint que potser aquesta interacció sigui més feble. D'altra banda també es van realitzar estudis in vitro amb la tècnica del pull-down. Els resultats obtinguts amb aquesta tècnica van recolzar els obtinguts en cèl.lules de llevat, ja que tots els clons analitzats a excepció dels codificants per SAMDC i eIF5 van donar un resultat d'interacció amb KD-MARK in vitro positiu. Davant aquests resultats ens vam centrar en l'estudi de la proteïna similar a MAP4K, doncs algunes proteïnes de la seva família s'han relacionat amb receptors de membrana. Els clons que es va obtenir del crivellat codificaven per una proteïna similar amb el domini C-terminal a les proteïnes BnMAP4Ka1 i a2 de Brassica napus. Aquestes proteïnes presenten una forta similitud de seqüència amb proteïnes de la família GCK/SPS1 que formen part d'un grup particular de MAPK relacionades amb la proteïna Ste20 (sterile 20 protein) de llevat. Ste20p activa la MAP3K de llevat Ste11 directament per fosforilació, transduint d'aquesta manera el senyal del receptor de feromones de creuament de les cèl.lules de llevat i es pot, doncs, considerar com una proteïna del tipus MAP4K (mitogen-activated protein kinase kinase kinase kinase). En els darrers anys, s'han identificat un gran nombre de proteïnes similars a Ste20: fins a una trentena en mamífers, en Drosophila, en Caenorhabditis elegans i en altres organismes. Segons la seva estructura aminoacídica, la família Ste20 s'ha classificat en dues subfamílies: les proteïnes STE20/PAK (p21-activated kinases) i la subfamília GCK/SPS1 (germinal center kinases). Les dues subfamílies estan formades per proteïnes que contenen un domini quinasa i un domini regulador, però, mentre que les proteïnes PAK presenten el domini quinasa en la part C-terminal, les GCKs el presenten en la regió N terminal. Les proteïnes GCK presenten una elevada diversitat estructural en el domini regulador permetent la seva classificació en 6 subfamílies. Mitjançant la tècnica del RACE es va obtenir el clon de cDNA complet que es va anomenar MIK (MARK Interacting Kinase). Amb la tècnica del Southern blot es va poder determinar que el gen MIK és un gen de còpia única en el genoma de blat de moro. Per tal d'analitzar la possible interacció entre DK-MARK i MIK, es va estudiar tant el patró d'expressió d'ambdós gens com el seu patró d'acumulació d'ambdues proteïnes durant l'embriogènesi del blat de moro. El patró d'expressió, analitzat per Northen blot va mostrar uns patrons coincidents al llarg de l'embriogènesi des del seu inici fins als 20 DAP amb una acumulació màxima de mRNA en embrions de 15 DAP. D'altra banda per tal d'estudiar el patró d'acumulació de la proteïna MIK així com per comparar-lo amb el de MARK, es van realitzar estudis de Westerns blot. Els resultats també van mostrar una coincidència en el temps de l'acumulació de les proteïnes MARK i MIK durant l'embriogènesi de blat de moro amb una major acumulació en embrions de 15 i 20 DAP. Es van dur a terme també estudis d'immunolocalitzacions sobre embrions de blat de moro de 15 DAP per tal d'estudiar en quins teixits s'acumulaven ambdues proteïnes. Les immunolocalitzacions van mostrar una major acumulació tant de MARK com de MIK en les zones meristemàtiques i en el teixit vascular sobretot del coleòptil on s'aprecia una forta co-localització de MARK i MIK. Totes aquestes dades són compatibles, doncs, amb una possible interacció de les proteïnes MARK i MIK, tot i que no la demostren. Per tal de demostrar la interacció es van realitzar experiments d'immunoprecipitació in vivo a partir d'extractes d'embrions. Malauradament, els resultats no són clars i en aquests moments en el laboratori s'estan posant a punt aquests experiments. També es van realitzar estudis comparatius de seqüència amb diferents proteïnes de la família GCK, mostrant una major similitud amb les proteïnes de la subfamília GCK-III. La subfamília GCK-III ha estat molt poc estudiada i en formen part un conjunt de proteïnes amb funcions molt diverses des de l'apoptosi, la citoquinesi o l'anòxia cel.lular. Per tant, la similitud de seqüència possiblement fa referència a una conservació en el mecanisme d'acció més que no pas a una conservació funcional. La possible interacció de MARK amb el domini C-terminal de MIK (el domini regulador) podria activar aquesta última iniciant una cascada de transducció del senyal en un model en el que una proteïna del tipus GCK-III faria de lligam directa entre un receptor de membrana i una cascada de senyalització intracel.lular. Aquest tipus de lligam entre un recepctor de membrana i mòduls intracel.lulars de senyalització s'ha descrit per a altres proteïnes GCK, si bé no directament sinó a través de proteïnes adaptadores. D'altra banda, la interacció directa de MARK, un receptor quinasa atípic que no té activitat catalítica, amb MIK suggereix un mecanisme on receptors atípics podrien interaccionar en la transducció del senyal activant la via de les MAPK.

Calmodulin Regulates Intracellular Trafficking of Epidermal Growth Factor Receptor and the MAPK Signaling Pathway

The epidermal growth factor receptor (EGFR) is a member of the tyrosine kinase receptor family involved in signal transduction and the regulation of cellular proliferation and differentiation. It is also a calmodulin-binding protein. To examine the role of calmodulin in the regulation of EGFR, the effect of calmodulin antagonist, W-13, on the intracellular trafficking of EGFR and the MAPK signaling pathway was analyzed. W-13 did not alter the internalization of EGFR but inhibited its recycling and degradation, thus causing the accumulation of EGF and EGFR in enlarged early endosomal structures. In addition, we demonstrated that W-13 stimulated the tyrosine phosphorylation of EGFR and consequent recruitment of Shc adaptor protein with EGFR, presumably through inhibition of the calmodulin-dependent protein kinase II (CaM kinase II). W-13¿mediated EGFR phosphorylation was blocked by metalloprotease inhibitor, BB94, indicating a possible involvement of shedding in this process. However, MAPK activity was decreased by W-13; dissection of this signaling pathway showed that W-13 specifically interferes with Raf-1 activity. These data are consistent with the regulation of EGFR by calmodulin at several steps of the receptor signaling and trafficking pathways.

A clathrin-dependent pathway leads to KRas signaling on late endosomes en route to lysosomes

Ras proteins are small guanosine triphosphatases involved in the regulation of important cellular functions such as proliferation, differentiation, and apoptosis. Understanding the intracellular trafficking of Ras proteins is crucial to identify novel Ras signaling platforms. In this study, we report that epidermal growth factor triggers Kirsten Ras (KRas) translocation onto endosomal membranes (independently of calmodulin and protein kinase C phosphorylation) through a clathrin-dependent pathway. From early endosomes, KRas but not Harvey Ras or neuroblastoma Ras is sorted and transported to late endosomes (LEs) and lysosomes. Using yellow fluorescent protein¿Raf1 and the Raichu-KRas probe, we identified for the first time in vivo¿active KRas on Rab7 LEs, eliciting a signal output through Raf1. On these LEs, we also identified the p14¿MP1 scaffolding complex and activated extracellular signal-regulated kinase 1/2. Abrogation of lysosomal function leads to a sustained late endosomal mitogen-activated protein kinase signal output. Altogether, this study reveals novel aspects about KRas intracellular trafficking and signaling, shedding new light on the mechanisms controlling Ras regulation in the cell.

Mastoparan, a novel mitogen for Swiss 3T3 cells, stimulates pertussis toxin-sensitive arachidonic acid release without inositol phosphate accumulation

Mastoparan, a basic tetradecapeptide isolated from wasp venom, is a novel mitogen for Swiss 3T3 cells. This peptide induced DNA synthesis in synergy with insulin in a concentration-dependent manner; half-maximum and maximum responses were achieved at 14 and 17 microM, respectively. Mastoparan also stimulated DNA synthesis in the presence of other growth promoting factors including bombesin, insulin-like growth factor-1, and platelet-derived growth factor. The synergistic mitogenic stimulation by mastoparan can be dissociated from activation of phospholipase C. Mastoparan did not stimulate phosphoinositide breakdown, Ca2+ mobilization or protein kinase C-mediated phosphorylation of a major cellular substrate or transmodulation of the epidermal growth factor receptor. In contrast, mastoparan stimulated arachidonic acid release, prostaglandin E2 production, and enhanced cAMP accumulation in the presence of forskolin. These responses were inhibited by prior treatment with pertussis toxin. Hence, mastoparan stimulates arachidonic acid release via a pertussis toxin-sensitive G protein in Swiss 3T3 cells. Arachidonic acid, like mastoparan, stimulated DNA synthesis in the presence of insulin. The ability of mastoparan to stimulate mitogenesis was reduced by pertussis toxin treatment. These results demonstrate, for the first time, that mastoparan stimulates reinitiation of DNA synthesis in Swiss 3T3 cells and indicate that this peptide may be a useful probe to elucidate signal transduction mechanisms in mitogenesis.

Mapping cell-matrix stresses during stretch reveals inelastic reorganization of the cytoskeleton.

The mechanical properties of the living cell are intimately related to cell signaling biology through cytoskeletal tension. The tension borne by the cytoskeleton (CSK) is in part generated internally by the actomyosin machinery and externally by stretch. Here we studied how cytoskeletal tension is modified during stretch and the tensional changes undergone by the sites of cell-matrix interaction. To this end we developed a novel technique to map cell-matrix stresses during application of stretch. We found that cell-matrix stresses increased with imposition of stretch but dropped below baseline levels on stretch release. Inhibition of the actomyosin machinery resulted in a larger relative increase in CSK tension with stretch and in a smaller drop in tension after stretch release. Cell-matrix stress maps showed that the loci of cell adhesion initially bearing greater stress also exhibited larger drops in traction forces after stretch removal. Our results suggest that stretch partially disrupts the actin-myosin apparatus and the cytoskeletal structures that support the largest CSK tension. These findings indicate that cells use the mechanical energy injected by stretch to rapidly reorganize their structure and redistribute tension.

Comparative genomics of the vertebrate insulin/TOR signal transduction pathway: A network-level analysis of selective pressures

Complexity of biological function relies on large networks of interacting molecules. However, the evolutionary properties of these networks are not fully understood. It has been shown that selective pressures depend on the position of genes in the network. We have previously shown that in the Drosophila insulin/target of rapamycin (TOR) signal transduction pathway there is a correlation between the pathway position and the strength of purifying selection, with the downstream genes being most constrained. In this study, we investigated the evolutionary dynamics of this well-characterized pathway in vertebrates. More specifically, we determined the impact of natural selection on the evolution of 72 genes of this pathway. We found that in vertebrates there is a similar gradient of selective constraint in the insulin/TOR pathway to that found in Drosophila. This feature is neither the result of a polarity in the impact of positive selection nor of a series of factors affecting selective constraint levels (gene expression level and breadth, codon bias, protein length, and connectivity). We also found that pathway genes encoding physically interacting proteins tend to evolve under similar selective constraints. The results indicate that the architecture of the vertebrate insulin/TOR pathway constrains the molecular evolution of its components. Therefore, the polarity detected in Drosophila is neither specific nor incidental of this genus. Hence, although the underlying biological mechanisms remain unclear, these may be similar in both vertebrates and Drosophila.

TrkB signaling is required for postnatal survival of CNS neurons and protects hippocampal and motor neurons from axotomy-induced cell death

Newborn mice carrying targeted mutations in genes encoding neurotrophins or their signaling Trk receptors display severe neuronal deficits in the peripheral nervous system but not in the CNS. In this study, we show that trkB (¿/¿) mice have a significant increase in apoptotic cell death in different regions of the brain during early postnatal life. The most affected region in the brain is the dentate gyrus of the hippocampus, although elevated levels of pyknotic nuclei were also detected in cortical layers II and III and V and VI, the striatum, and the thalamus. Furthermore, axotomized hippocampal and motor neurons of trkB (¿/¿) mice have significantly lower survival rates than those of wild-type littermates. These results suggest that neurotrophin signaling through TrkB receptors plays a role in the survival of CNS neurons during postnatal development. Moreover, they indicate that TrkB receptor signaling protects subpopulations of CNS neurons from injury- and axotomy-induced cell death.

Pathway databases and tools for their exploitation: benefits, current limitations and challenges

In past years, comprehensive representations of cell signalling pathways have been developed by manual curation from literature, which requires huge effort and would benefit from information stored in databases and from automatic retrieval and integration methods. Once a reconstruction of the network of interactions is achieved, analysis of its structural features and its dynamic behaviour can take place. Mathematical modelling techniques are used to simulate the complex behaviour of cell signalling networks, which ultimately sheds light on the mechanisms leading to complex diseases or helps in the identification of drug targets. A variety of databases containing information on cell signalling pathways have been developed in conjunction with methodologies to access and analyse the data. In principle, the scenario is prepared to make the most of this information for the analysis of the dynamics of signalling pathways. However, are the knowledge repositories of signalling pathways ready to realize the systems biology promise? In this article we aim to initiate this discussion and to provide some insights on this issue.

Comment on 'The Molecular Evolutionary Patterns of the Insulin/FOXO Signaling Pathway'

Letter to the Editor on Wang M, Wang Q, Wang Z, Zhang X, Pan Y. The molecular evolutionary patterns of the insulin/FOXO signaling pathway

Two component systems: physiological effect of a third component

Signal transduction systems mediate the response and adaptation of organisms to environmental changes. In prokaryotes, this signal transduction is often done through Two Component Systems (TCS). These TCS are phosphotransfer protein cascades, and in their prototypical form they are composed by a kinase that senses the environmental signals (SK) and by a response regulator (RR) that regulates the cellular response. This basic motif can be modified by the addition of a third protein that interacts either with the SK or the RR in a way that could change the dynamic response of the TCS module. In this work we aim at understanding the effect of such an additional protein (which we call ‘‘third component’’) on the functional properties of a prototypical TCS. To do so we build mathematical models of TCS with alternative designs for their interaction with that third component. These mathematical models are analyzed in order to identify the differences in dynamic behavior inherent to each design, with respect to functionally relevant properties such as sensitivity to changes in either the parameter values or the molecular concentrations, temporal responsiveness, possibility of multiple steady states, or stochastic fluctuations in the system. The differences are then correlated to the physiological requirements that impinge on the functioning of the TCS. This analysis sheds light on both, the dynamic behavior of synthetically designed TCS, and the conditions under which natural selection might favor each of the designs. We find that a third component that modulates SK activity increases the parameter space where a bistable response of the TCS module to signals is possible, if SK is monofunctional, but decreases it when the SK is bifunctional. The presence of a third component that modulates RR activity decreases the parameter space where a bistable response of the TCS module to signals is possible.

Dyrk1A is dynamically expressed on subsets of motor neurons and in the neuromuscular junction: possible role in Down syndrome

Individuals with Down syndrome (DS) present important motor deficits that derive from altered motor development of infants and young children. DYRK1A, a candidate gene for DS abnormalities has been implicated in motor function due to its expression in motor nuclei in the adult brain, and its overexpression in DS mouse models leads to hyperactivity and altered motor learning. However, its precise role in the adult motor system, or its possible involvement in postnatal locomotor development has not yet been clarified. During the postnatal period we observed time-specific expression of Dyrk1A in discrete subsets of brainstem nuclei and spinal cord motor neurons. Interestingly, we describe for the first time the presence of Dyrk1A in the presynaptic terminal of the neuromuscular junctions and its axonal transport from the facial nucleus, suggesting a function for Dyrk1A in these structures. Relevant to DS, Dyrk1A overexpression in transgenic mice (TgDyrk1A) produces motor developmental alterations possibly contributing to DS motor phenotypes and modifies the numbers of motor cholinergic neurons, suggesting that the kinase may have a role in the development of the brainstem and spinal cord motor system.

Competition between SOCS36E and Drk modulates Sevenless receptor tyrosine kinase activity

Modulation of signalling pathways can trigger different cellular responses, including differences in cell fate. This modulation can be achieved by controlling the pathway activity with great precision to ensure robustness and reproducibility of the specification of cell fate. The development of the photoreceptor R7 in the Drosophila melanogasterretina has become a model in which to investigate the control of cell signalling. During R7 specification, a burst of Ras small GTPase (Ras) and mitogen-activated protein kinase (MAPK) controlled by Sevenless receptor tyrosine kinase (Sev) is required. Several cells in each ommatidium express sev. However, the spatiotemporal expression of the boss ligand and the action of negative regulators of the Sev pathway will restrict the R7 fate to a single cell. The Drosophila suppressor of cytokine signalling 36E (SOCS36E) protein contains an SH2 domain and acts as a Sev signalling attenuator. By contrast, downstream of receptor kinase (Drk), the fly homolog of the mammalian Grb2 adaptor protein, which also contains an SH2 domain, acts as a positive activator of the pathway. Here, we apply the Förster resonance energy transfer (FRET) assay to transfected Drosophila S2 cells and demonstrate that Sev binds directly to either the suppressor protein SOCS36E or the adaptor protein Drk. We propose a mechanistic model in which the competition between these two proteins for binding to the same docking site results in either attenuation of the Sev transduction in cells that should not develop R7 photoreceptors or amplification of the Ras-MAPK signal only in the R7 precursor.

Patterns of nucleotide diversity at the regions encompassing the Drosophila insulin-like peptide (dilp) genes: demography vs positive selection in Drosophila melanogaster.

In Drosophila, the insulin-signaling pathway controls some life history traits, such as fertility and lifespan, and it is considered to be the main metabolic pathway involved in establishing adult body size. Several observations concerning variation in body size in the Drosophila genus are suggestive of its adaptive character. Genes encoding proteins in this pathway are, therefore, good candidates to have experienced adaptive changes and to reveal the footprint of positive selection. The Drosophila insulin-like peptides (DILPs) are the ligands that trigger the insulin-signaling cascade. In Drosophila melanogaster, there are several peptides that are structurally similar to the single mammalian insulin peptide. The footprint of recent adaptive changes on nucleotide variation can be unveiled through the analysis of polymorphism and divergence. With this aim, we have surveyed nucleotide sequence variation at the dilp1-7 genes in a natural population of D. melanogaster. The comparison of polymorphism in D. melanogaster and divergence from D. simulans at different functional classes of the dilp genes provided no evidence of adaptive protein evolution after the split of the D. melanogaster and D. simulans lineages. However, our survey of polymorphism at the dilp gene regions of D. melanogaster has provided some evidence for the action of positive selection at or near these genes. The regions encompassing the dilp1-4 genes and the dilp6 gene stand out as likely affected by recent adaptive events.

Comment on 'The Molecular Evolutionary Patterns of the Insulin/FOXO Signaling Pathway'

Letter to the Editor on Wang M, Wang Q, Wang Z, Zhang X, Pan Y. The molecular evolutionary patterns of the insulin/FOXO signaling pathway