The Role of Actin-Capping Protein and Src signalling in tissue growth and apoptosis during Drosophila wing development

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Developmental Biology

The identification and regulation of a novel interaction occurring between $\beta$-catenin and the actin -bundling protein fascin

Catenins were first characterized as linking the cytoplasmic domains of cadherin cell-cell adhesion molecules to the cortical actin cytoskeleton. In addition to their essential role in modulating cadherin adhesion, catenins have more recently been indicated to participate in cell and developmental signaling pathways. $\beta$-catenin, for example, associates directly with receptor tyrosine kinases and transcription factors such as LEF-1/TCF, and tranduces developmental signals within the Wnt pathway. $\beta$-catenin also appear to a role in regulating cell proliferation via its interaction with the tumor supressor protein APC. I have employed the yeast two-hybrid method to reveal that fascin, a bundler of actin filaments, binds to $\beta$-catenin's central Armadillo-repeat domain. The $\beta$-catenin-fascin interaction exists in cell lines as well as in animal brain tissues as revealed by immunoprecipitation analysis, and substantiated in vitro with purified proteins. Fascin additionally binds to plakoglobin, which contains a more divergent Armadillo-repeat domain. Fascin and E-cadherin utilize a similar binding-site within $\beta$-catenin, such that they form mutually exclusive complexes with $\beta$-catenin. Fascin and $\beta$-catenin co-localize at cell-cell borders and dynamic cell leading edges of epithelial and endothelial cells. Total immunoprecipitable b-catein has several isoforms, only the hyperphosphorylated isoform 1 associated with fascin. An increased $\beta$-catenin-fascin interaction was observed in HGF stimulated cells, and in Xenopus embryos injected with src kinase RNAs. The increased $\beta$-catenin association with fascin is correlated with increased levels of $\beta$-catenin phosphorylation. $\beta$-catenin, but not fascin, can be readily phosphorylated on tyrosine in vivo following src injection of embryos, or in vitro following v-src addition to purified protein components. These observations suggest a role of $\beta$-catenin phosphorylation in regulating its interaction with fascin, and src kinase may be an important regulator of the $\beta$-catenin-fascin association in vivo. The $\beta$-catenin-fascin interaction represents a novel catenin complex, that may conceivably regulate actin cytoskeletal structures, cell adhesion, and cellular motility, perhaps in a coordinate manner with its functions in cadherin and APC complexes. ^

Fascin, an Actin-bundling Protein, Induces Membrane Protrusions and Increases Cell Motility of Epithelial Cells

Fascin is an actin-bundling protein that is found in membrane ruffles, microspikes, and stress fibers. The expression of fascin is greatly increased in many transformed cells, as well as in specialized normal cells including neuronal cells and antigen-presenting dendritic cells. A morphological characteristic common to these cells expressing high levels of fascin is the development of many membrane protrusions in which fascin is predominantly present. To examine whether fascin contributes to the alterations in microfilament organization at the cell periphery, we have expressed fascin in LLC-PK1 epithelial cells to levels as high as those found in transformed cells and in specialized normal cells. Expression of fascin results in large changes in morphology, the actin cytoskeleton, and cell motility: fascin-transfected cells form an increased number of longer and thicker microvilli on apical surfaces, extend lamellipodia-like structures at basolateral surfaces, and show disorganization of cell–cell contacts. Cell migration activity is increased by 8–17 times when assayed by modified Boyden chamber. Microinjection of a fascin protein into LLC-PK1 cells causes similar morphological alterations including the induction of lamellipodia at basolateral surfaces and formation of an increased number of microvilli on apical surfaces. Furthermore, microinjection of fascin into REF-52 cells, normal fibroblasts, induces the formation of many lamellipodia at all regions of cell periphery. These results together suggest that fascin is directly responsible for membrane protrusions through reorganization of the microfilament cytoskeleton at the cell periphery.

Characterization of Mayven, a Novel Actin-binding Protein Predominantly Expressed in Brain

The cytoskeleton plays an important role in neuronal morphogenesis. We have identified and characterized a novel actin-binding protein, termed Mayven, predominantly expressed in brain. Mayven contains a BTB (broad complex, tramtrack, bric-a-brac)/POZ (poxvirus, zinc finger) domain-like structure in the predicted N terminus and “kelch repeats” in the predicted C-terminal domain. Mayven shares 63% identity (77% similarity) with the Drosophila ring canal (“kelch”) protein. Somatic cell-hybrid analysis indicated that the human Mayven gene is located on chromosome 4q21.2, whereas the murine homolog gene is located on chromosome 8. The BTB/POZ domain of Mayven can self-dimerize in vitro, which might be important for its interaction with other BTB/POZ-containing proteins. Confocal microscopic studies of endogenous Mayven protein revealed a highly dynamic localization pattern of the protein. In U373-MG astrocytoma/glioblastoma cells, Mayven colocalized with actin filaments in stress fibers and in patchy cortical actin-rich regions of the cell margins. In primary rat hippocampal neurons, Mayven is highly expressed in the cell body and in neurite processes. Binding assays and far Western blotting analysis demonstrated association of Mayven with actin. This association is mediated through the “kelch repeats” within the C terminus of Mayven. Depolarization of primary hippocampal neurons with KCl enhanced the association of Mayven with actin. This increased association resulted in dynamic changes in Mayven distribution from uniform to punctate localization along neuronal processes. These results suggest that Mayven functions as an actin-binding protein that may be translocated along axonal processes and might be involved in the dynamic organization of the actin cytoskeleton in brain cells.

The Nuclear Actin-related Protein of Saccharomyces cerevisiae, Act3p/Arp4, Interacts with Core Histones

Act3p/Arp4, an essential actin-related protein of Saccharomyces cerevisiae located within the nucleus, is, according to genetic data, involved in transcriptional regulation. In addition to the basal core structure of the actin family members, which is responsible for ATPase activity, Act3p possesses two insertions, insertions I and II, the latter of which is predicted to form a loop-like structure protruding from beyond the surface of the molecule. Because Act3p is a constituent of chromatin but itself does not bind to DNA, we hypothesized that insertion II might be responsible for an Act3p-specific function through its interaction with some other chromatin protein. Far Western blot and two-hybrid analyses revealed the ability of insertion II to bind to each of the core histones, although with somewhat different affinities. Together with our finding of coimmunoprecipitation of Act3p with histone H2A, this suggests the in vivo existence of a protein complex required for correct expression of particular genes. We also show that a conditional act3 mutation affects chromatin structure of an episomal DNA molecule, indicating that the putative Act3p complex may be involved in the establishment, remodeling, or maintenance of chromatin structures.

Espin Contains an Additional Actin-binding Site in Its N Terminus and Is a Major Actin-bundling Protein of the Sertoli Cell–Spermatid Ectoplasmic Specialization Junctional Plaque

The espins are actin-binding and -bundling proteins localized to parallel actin bundles. The 837-amino-acid “espin” of Sertoli cell–spermatid junctions (ectoplasmic specializations) and the 253-amino-acid “small espin” of brush border microvilli are splice isoforms that share a C-terminal 116-amino-acid actin-bundling module but contain different N termini. To investigate the roles of espin and its extended N terminus, we examined the actin-binding and -bundling properties of espin constructs and the stoichiometry and developmental accumulation of espin within the ectoplasmic specialization. An espin construct bound to F-actin with an approximately threefold higher affinity (Kd = ∼70 nM) than small espin and was ∼2.5 times more efficient at forming bundles. The increased affinity appeared to be due to an additional actin-binding site in the N terminus of espin. This additional actin-binding site bound to F-actin with a Kd of ∼1 μM, decorated actin stress fiber-like structures in transfected cells, and was mapped to a peptide between the two proline-rich peptides in the N terminus of espin. Espin was detected at ∼4–5 × 106 copies per ectoplasmic specialization, or ∼1 espin per 20 actin monomers and accumulated there coincident with the formation of parallel actin bundles during spermiogenesis. These results suggest that espin is a major actin-bundling protein of the Sertoli cell–spermatid ectoplasmic specialization.

Actin-Bundling Protein Isolated from Pollen Tubes of Lily : Biochemical and Immunocytochemical Characterization

A 135-kD actin-bundling protein was purified from pollen tubes of lily (Lilium longiflorum) using its affinity to F-actin. From a crude extract of the pollen tubes, this protein was coprecipitated with exogenously added F-actin and then dissociated from F-actin by treating it with high-ionic-strength solution. The protein was further purified sequentially by chromatography on a hydroxylapatite column, a gel-filtration column, and a diethylaminoethyl-cellulose ion-exchange column. In the present study, this protein is tentatively referred to as P-135-ABP (Plant 135-kD Actin-Bundling Protein). By the elution position from a gel-filtration column, we estimated the native molecular mass of purified P-135-ABP to be 260 kD, indicating that it existed in a dimeric form under physiological conditions. This protein bound to and bundled F-actin prepared from chicken breast muscle in a Ca2+-independent manner. The binding of 135-P-ABP to actin was saturated at an approximate stoichiometry of 26 actin monomers to 1 dimer of P-135-ABP. By transmission electron microscopy of thin sections, we observed cross-bridges between F-actins with a longitudinal periodicity of 31 nm. Immunofluorescence microscopy using rhodamine-phalloidin and antibodies against the 135-kD polypeptide showed that P-135-ABP was colocalized with bundles of actin filaments in lily pollen tubes, leading us to conclude that it is the factor responsible for bundling the filaments.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Caractérisation des structures de septines hautement organisées chez la drosophile et leur interaction avec le cytosquelette d’actine

Les septines sont des GTPases conservées dérégulées dans le cancer et les maladies neurodégénératives. Elles servent de protéines d’échafaudage et forment une barrière de diffusion à la membrane plasmique et au corps central lors de la cytokinèse. Elles interagissent avec l’actine et s’organisent en complexes qui polymérisent et forment des structures hautement organisées (anneaux et filaments). Leur dynamique d’assemblage et leur rôle dans la cellule restent à être élucidés. La Drosophile est un modèle simple pour l’étude des septines puisqu’on n’y retrouve que 5 gènes (sep1, sep2, sep4, sep5, peanut) comparativement aux 13 gènes chez l’humain. À l’aide d’un anticorps contre Pnut, nous avons identifié des structures tubulaires dans 30% des cellules S2 de Drosophile. Mon projet a comme but de caractériser ces tubes en élucidant leurs constituants, leur comportement et leurs propriétés pour mieux clarifier le mécanisme par lequel les septines forment des structures hautement organisées et interagissent avec le cytosquelette d’actine. Par immunofluorescence, j’ai pu démontrer que ces tubes sont cytoplasmiques, en mitose ou interphase, ce qui suggère qu’ils ne sont pas régulés par le cycle cellulaire. Pour investiguer la composition et les propriétés dynamiques de ces tubes, j’ai généré une lignée cellulaire exprimant Sep2-GFP qui se localise aux tubes et des ARNi contre les cinq septines. Trois septines sont importantes pour la formation de ces tubes et anneaux notamment Sep1, Sep2 et Pnut. La déplétion de Sep1 cause la dispersion du signal GFP en flocons, tandis que la déplétion de Sep2 ou de Pnut mène à la dispersion du signal GFP uniformément dans la cellule. Des expériences de FRAP sur la lignée Sep2-GFP révèlent un signal de retour très lent, ce qui indique que ces structures sont très stables. J’ai aussi démontré une relation entre l’actine et les septines. Le traitement avec la Latrunculin A (un inhibiteur de la polymérisation de l’actine) ou la Jasplakinolide (un stabilisateur des filaments d’actine) mène à la dépolymérisation rapide (< 30 min) des tubes en anneaux flottants dans le cytoplasme, même si ces tubes ne sont pas reconnus suite à un marquage de la F-actine. L’Actin05C-mCherry se localise aux tubes, tandis que le mutant déficient de la polymérisation, Actin05C-R62D-mCherry perd cette localisation. On observe aussi que la déplétion de la Cofiline et de l’AIP1 (ce qui déstabilise l’actine) mène au même phénotype que le traitement avec la Latrunculine A ou la Jasplakinolide. Alors on peut conclure qu’un cytosquelette d’actine dynamique est nécessaire pour la formation et le maintien des tubes de septines. Les futures études auront comme but de mieux comprendre l’organisation des septines en structures hautement organisées et leur relation avec l’actine. Ceci sera utile pour l’élaboration du réseau d’interactions des septines qui pourra servir à expliquer leur dérégulation dans le cancer et les maladies neurodégénératives.

Understanding the role of CAP proteins in the polarization process of C. elegans

La division cellulaire asymétrique est un processus crucial dans le développement des organismes multicellulaires puisqu’elle permet la génération de la diversité cellulaire. Les cellules qui se divisent de façon asymétrique doivent tout d’abord se polariser et correctement orienter leur fuseau mitotique pour ségréger des déterminants cellulaires en deux entités distinctes. L’embryon du nématode C. elegans est un modèle robuste et largement utilisé pour étudier la division cellulaire asymétrique. Dans cet embryon, le point d'entrée du spermatozoïde détermine l'axe de polarité antéro-postérieur. Suite à la fécondation, le cortex embryonnaire est uniformément contractile et un complexe conservé formé des protéines PAR-3, PAR-6 et PKC-3 (nommé complexe PAR-3 ci-dessous) est localisé sur l'ensemble du cortex. La complétion de la méiose maternelle induit une relaxation corticale au postétieur et un flux cortical vers l’antérieur de l’embryon. Ces contractions corticales asymétriques mènent à la formation d'un domaine antérieur contenant le complexe PAR-3, tandis que le cortex postérieur, dont le complexe PAR-3 s’est délocalisé, est enrichi avec les protéines PAR-2 et PAR-1. Par conséquent, les domaines formés par les protéines PAR définissent un pôle antérieur et un pôle postérieur dans l'embryon suite au remodelage du cytosquelette. Les protéines PAR-4 et PAR-5 restent localisées de façon uniforme dans l'embryon. Curieusement, les protéines PAR exercent une régulation par rétroaction sur la contractilité corticale. Il a été montré qu’une des protéines PAR récemment identifiée, PAR-5, est orthologue à la protéine adaptatrice 14-3-3 et joue un rôle important dans la contractilité corticale. En dépit de son rôle central dans la contractilité corticale et le processus de polarisation cellulaire, le mécanisme par lequel PAR-5 régule la contractilité corticale n’est pas bien compris. Le but de ce projet est de mieux comprendre comment PAR-5 et ses interacteurs contrôlent la régulation des contractions corticales et, de ce fait, la polarité cellulaire. Dans un essai de capture de la protéine GST (GST pull-down), nous avons identifié plusieurs nouveaux interacteurs de PAR-5. Parmi ceux-ci, nous avons trouvé CAP-2 (protéine de coiffage de l'actine), qui a été identifiée dans des éxpériences de capture de 14-3-3 dans trois systèmes modèles différents. CAP-2 est un hétérodimère des protéines CAP, qui sont impliquées dans la régulation de l'actine. Nous avons trouvé que la déplétion des protéines CAP par interférence à l’ARN dans des vers de type sauvage mène à une augmentation létalité embryonnaire, ce qui suggère que ces protéines jouent un rôle important dans le développement embryonnaire. L'imagerie en temps réel d'embryons déplétés pour les protéines CAP montre qu’ils ont une diminution des contractions corticales avec un sillon de pseudoclivage mois stable, suggérant un défaut dans la régulation du cytosquelette d'actine-myosine. Ceci a également été confirmé par la diminution de la vitesse et du nombre de foci de NMY-2::GFP. En outre, ces embryons montrent une légère diminution de la taille du croissant cortical de PAR-2 lors de la phase d’établissement de la polarité. Les embryons déplétés en CAP-2 montrent également un retard dans la progression du cycle cellulaire, mais le lien entre ce phénotype et la régulation des contractions corticales reste à être précisé. La caractérisation des protéines CAP, des régulateurs du remodelage du cytosquelette, permettra d'améliorer notre compréhension des mécanismes qui sous-tendent l'établissement et le maintien de la polarité cellulaire, et donc la division cellulaire asymétrique.

Caractérisation des structures de septines hautement organisées chez la drosophile et leur interaction avec le cytosquelette d’actine

Les septines sont des GTPases conservées dérégulées dans le cancer et les maladies neurodégénératives. Elles servent de protéines d’échafaudage et forment une barrière de diffusion à la membrane plasmique et au corps central lors de la cytokinèse. Elles interagissent avec l’actine et s’organisent en complexes qui polymérisent et forment des structures hautement organisées (anneaux et filaments). Leur dynamique d’assemblage et leur rôle dans la cellule restent à être élucidés. La Drosophile est un modèle simple pour l’étude des septines puisqu’on n’y retrouve que 5 gènes (sep1, sep2, sep4, sep5, peanut) comparativement aux 13 gènes chez l’humain. À l’aide d’un anticorps contre Pnut, nous avons identifié des structures tubulaires dans 30% des cellules S2 de Drosophile. Mon projet a comme but de caractériser ces tubes en élucidant leurs constituants, leur comportement et leurs propriétés pour mieux clarifier le mécanisme par lequel les septines forment des structures hautement organisées et interagissent avec le cytosquelette d’actine. Par immunofluorescence, j’ai pu démontrer que ces tubes sont cytoplasmiques, en mitose ou interphase, ce qui suggère qu’ils ne sont pas régulés par le cycle cellulaire. Pour investiguer la composition et les propriétés dynamiques de ces tubes, j’ai généré une lignée cellulaire exprimant Sep2-GFP qui se localise aux tubes et des ARNi contre les cinq septines. Trois septines sont importantes pour la formation de ces tubes et anneaux notamment Sep1, Sep2 et Pnut. La déplétion de Sep1 cause la dispersion du signal GFP en flocons, tandis que la déplétion de Sep2 ou de Pnut mène à la dispersion du signal GFP uniformément dans la cellule. Des expériences de FRAP sur la lignée Sep2-GFP révèlent un signal de retour très lent, ce qui indique que ces structures sont très stables. J’ai aussi démontré une relation entre l’actine et les septines. Le traitement avec la Latrunculin A (un inhibiteur de la polymérisation de l’actine) ou la Jasplakinolide (un stabilisateur des filaments d’actine) mène à la dépolymérisation rapide (< 30 min) des tubes en anneaux flottants dans le cytoplasme, même si ces tubes ne sont pas reconnus suite à un marquage de la F-actine. L’Actin05C-mCherry se localise aux tubes, tandis que le mutant déficient de la polymérisation, Actin05C-R62D-mCherry perd cette localisation. On observe aussi que la déplétion de la Cofiline et de l’AIP1 (ce qui déstabilise l’actine) mène au même phénotype que le traitement avec la Latrunculine A ou la Jasplakinolide. Alors on peut conclure qu’un cytosquelette d’actine dynamique est nécessaire pour la formation et le maintien des tubes de septines. Les futures études auront comme but de mieux comprendre l’organisation des septines en structures hautement organisées et leur relation avec l’actine. Ceci sera utile pour l’élaboration du réseau d’interactions des septines qui pourra servir à expliquer leur dérégulation dans le cancer et les maladies neurodégénératives.

Sla1p Is a Functionally Modular Component of the Yeast Cortical Actin Cytoskeleton Required for Correct Localization of Both Rho1p-GTPase and Sla2p, a Protein with Talin Homology

SLA1 was identified previously in budding yeast in a genetic screen for mutations that caused a requirement for the actin-binding protein Abp1p and was shown to be required for normal cortical actin patch structure and organization. Here, we show that Sla1p, like Abp1p, localizes to cortical actin patches. Furthermore, Sla1p is required for the correct localization of Sla2p, an actin-binding protein with homology to talin implicated in endocytosis, and the Rho1p-GTPase, which is associated with the cell wall biosynthesis enzyme β-1,3-glucan synthase. Mislocalization of Rho1p in sla1 null cells is consistent with our observation that these cells possess aberrantly thick cell walls.  Expression of mutant forms of Sla1p in which specific domains were deleted showed that the phenotypes associated with the full deletion are functionally separable. In particular, a region of Sla1p encompassing the third SH3 domain is important for growth at high temperatures, for the organization of cortical actin patches, and for nucleated actin assembly in a permeabilized yeast cell assay. The apparent redundancy between Sla1p and Abp1p resides in the C-terminal repeat region of Sla1p. A homologue of SLA1 was identified in Schizosaccharomyces pombe. Despite relatively low overall sequence homology, this gene was able to rescue the temperature sensitivity associated with a deletion of SLA1 in Saccharomyces cerevisiae.

Highly dynamic host actin reorganization around developing Plasmodium inside hepatocytes

Plasmodium sporozoites are transmitted by Anopheles mosquitoes and infect hepatocytes, where a single sporozoite replicates into thousands of merozoites inside a parasitophorous vacuole. The nature of the Plasmodium-host cell interface, as well as the interactions occurring between these two organisms, remains largely unknown. Here we show that highly dynamic hepatocyte actin reorganization events occur around developing Plasmodium berghei parasites inside human hepatoma cells. Actin reorganization is most prominent between 10 to 16 hours post infection and depends on the actin severing and capping protein, gelsolin. Live cell imaging studies also suggest that the hepatocyte cytoskeleton may contribute to parasite elimination during Plasmodium development in the liver.