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Kinesins are molecular motors that transport intracellular cargos along microtubules (MTs) and influence the organization and dynamics of the MT cytoskeleton. Their force-generating functions arise from conformational changes in their motor domain as ATP is bound and hydrolyzed, and products are released. In the budding yeast Saccharomyces cerevisiae, the Kar3 kinesin forms heterodimers with one of two non-catalytic kinesin-like proteins, Cik1 and Vik1, which lack the ability to bind ATP, and yet they retain the capacity to bind MTs. Cik1 and Vik1 also influence and respond to the MT-binding and nucleotide states of Kar3, and differentially regulate the functions of Kar3 during yeast mating and mitosis. The mechanism by which Kar3/Cik1 and Kar3/Vik1 dimers operate remains unknown, but has important implications for understanding mechanical coordination between subunits of motor complexes that traverse cytoskeletal tracks. In this study, we show that the opportunistic human fungal pathogen Candida albicans (Ca) harbors a single version of this unique form of heterodimeric kinesin and we present the first in vitro characterization of this motor. Like its budding yeast counterpart, the Vik1-like subunit binds directly to MTs and strengthens the MT-binding affinity of the heterodimer. However, in contrast to ScKar3/Cik1 and ScKar3/Vik1, CaKar3/Vik1 exhibits weaker overall MT-binding affinity and lower ATPase activity. Preliminary investigations using a multiple motor motility assay indicate CaKar3/Vik1 may not be motile. Using a maltose binding protein tagging system, we determined the X-ray crystal structure of the CaKar3 motor domain and observed notable differences in its nucleotide-binding pocket relative to ScKar3 that appear to represent a previously unobserved state of the active site. Together, these studies broaden our knowledge of novel kinesin motor assemblies and shed new light on structurally dynamic regions of Kar3/Vik1-like motor complexes that help mediate mechanical coordination of its subunits. / Thesis (Master, Biochemistry) -- Queen's University, 2012-02-29 17:15:03.654

La migration des cellules tumorales à travers la matrice extracellulaire dépend de l'activité d'une métalloprotéase matricielle, MT1-MMP, ancrée à la membrane plasmique. MT1-MMP accumule aux invadopodes, des protrusions membranaires à base d'actine responsables de la dégradation de la matrice. La petite protéine G ARF6 est impliquée dans la régulation du trafic membranaire et dans le remodelage du cytosquelette d'actine. Dans mon travail de thèse, j'ai montré qu'ARF6 et deux de ses protéines effectrices JIP3 et JIP4, sont nécessaires à l'exocytose de MT1-MMP au niveau des invadopodes et, par conséquent, à la capacité des cellules tumorales à remodeler la matrice extracellulaire et migrer à travers un environnement matriciel tridimensionnel. ARF6, à travers son interaction avec JIP3/4, contrôle négativement l'activité du complexe dynactine/dynéine, un moteur moléculaire qui se déplace en direction du bout (-) des microtubules, et donc la clairance des endosomes MT1-MMP à partir de la périphérie cellulaire. En plus dans des échantillons humaines ARF6 est accumulée au niveau de la membrane plasmique, avec MT1-MMP, dans un sous-groupe de carcinomes mammaires agressifs, en confirmant donc l'implication d'un axe ARF6-JIP3/JIP4-MT1-MMP dans le processus invasif du cancer du sein. Dans une deuxième étude, j'ai montré que l'hyperactivation d'ARF6 induit un réarrangement important du cytosquelette d'actine à la surface ventrale des cellules tumorales mammaires et contribue à l'activation et au ciblage de Rac1 au front cellulaire. Mon travail a permis d'identifier de nouveaux mécanismes moléculaires par lesquels ARF6 contribue au programme invasif des cellules tumorales mammaires. / The ability of cancer cells to traffic through the extracellular matrix relies on the action of the membrane-anchored matrix metalloprotease MT1-MMP. MT1-MMP is exocytosed to invadopodia, the actin-based membrane protrusions responsible for matrix degradation. The small GTP-binding protein ARF6 is known to coordinate post-endocytic recycling and actin cytoskeletal organization at the plasma membrane and was shown to be up-regulated in breast cancer cells. In my PhD work I showed that ARF6 and two of its effectors JIP3 and JIP4 are required for MT1-MMP endosomes intracellular positioning and exocytosis at invadopodia and consequently for tumor cells ability to remodel the matrix and invade through a three-dimensional matrix environment. ARF6, through the interaction with JIP3/4, negatively controls the activity of the minus-end-directed microtubule motor dynactin/dynein, thus negatively regulating the clearance and inward movement of MT1-MMP endosomes from the cell periphery. In human samples ARF6 is accumulated at the plasma membrane, together with MT1-MMP, in a subset of highly aggressive breast carcinomas, thus corroborating the ARF6-JIP3/JIP4-MT1-MMP axis in breast cancer invasion. In a second study I addressed the contribution of ARF6 activation on actin cytoskeleton remodeling in breast cancer cells. ARF6 links epidermal growth factor receptor signaling to Rac1 activation and targeting to the leading edge where it activates the SCAR/WAVE complex and regulates ventral actin polymerization during lamellipodia extension. Collectively my work identifies novel molecular mechanisms through which ARF6 contributes to the invasive program of breast tumor cells

A major challenge in nanotechnology is the spatially controlled transport of cargo on the nanometer scale. The use of a nanoscale transport system based on molecular motors and filaments of the cytoskeleton proved as a promising approach to this problem. Therefore, the objective of this work was to pattern planar surfaces with motor proteins in a way that allows controlled and guided movement of microtubule-shuttles. The first part of the work was in particular focused on generating nanometer–sized tracks of motor proteins on unstructured surfaces. Specifically, microtubules themselves were used as biological templates for the stamping and alignment of motor proteins. Compared to other soft lithography techniques like microcontact printing this approach circumvented protein denaturation due to drying and conformational changes caused by mechanical stress. Given the large persistence length of microtubules their encounters with the boundaries of the nanotracks are limited to shallow approach angles. This way, the generated structures proved very efficient for the guiding of microtubules without topographical barriers. Topography-free guiding, as demonstrated in this work, is expected to significantly ease the design and fabrication of microtubule-transport systems and opens up the possibility to transport cargo of unlimited size, i.e. without any constraints by the dimensions of topographic guiding channels. Moreover, the biotemplated patterning is a promising tool for in vitro studies on the individual and cooperative action of motor proteins. In particular it might be helpful for the reconstitution of complex subcellular machineries in synthetic environments. As an example, microtubule-microtubule sliding by the biomolecular motor ncd has been shown to induce directional sliding between antiparallel microtubules and static cross-linking between parallel ones. The second part of the work explored an in-situ patterning technique for motor proteins to enable user-defined pattern designs, and investigated the achievable resolution. Photothermal patterning, based on localized light-to-heat conversion combined with a thermoresponsive polymer layer, was presented as a novel method. Specifically, the conformation of poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) molecules in aqueous solution was switched between the swollen state at T < 30°C (protein-repelling conformation) to the collapsed state at T > 33°C (protein-binding conformation) by optical signals of visible light to generate heat in a highly-localized manner. Upon heating of a light-absorbing layer on the substrate, the surface-grafted PNIPAM molecules collapsed locally and allowed motor proteins in solution to bind in the illuminated areas. To confirm the successful patterning of kinesin-1 molecules and their functionality microtubule-based gliding motility assays were performed. It was shown that the microtubules bind to the patterned kinesin-1 molecules and are transported exclusively in the patterned areas. While the achieved pattern sizes were currently in the range of ten micrometers, finite element modeling (implemented in COMSOL) showed that increased optical intensities possibly combined with cooling of the sample allow to significantly scale down the pattern dimensions. The produced patterns can be reversibly activated and deactivated at high and low temperature, respectively. Moreover, sequential patterning of multiple kinds of proteins on the same surface will be possible in a similar way without the need for specific linker molecules or elaborate surface preparation. Another advantage of the method is the use of visible light, which is versatile as any wavelength can be applied. In addition visible light is in comparison to other UV-based photopatterning techniques non-damaging to proteins. / Der räumlich kontrollierte Transport von nanoskaligen Objekten ist eine große Herausforderung auf dem Gebiet der Nanotechnologie. Ein auf molekularen Motoren und Filamenten des Zellskeletts basierendes Nanotransportsystem hat sich dabei als ein viel versprechender Ansatz erwiesen. Das Ziel der vorgelegten Arbeit war es daher, ebene Oberflächen so mit Motorproteinen zu strukturieren, dass eine kontrollierte und geführte Bewegung von Mikrotubuli-Transportern ermöglicht wird. Der erste Teil der Arbeit war insbesondere darauf fokussiert, Motorprotein-Spuren im Nanometerbereich zu erzeugen. Im zweiten Teil der Arbeit wurde eine Strukturierungsmethode zur Realisierung von benutzerdefinierten Musterdesigns untersucht und die erreichbare Auflösung bestimmt. Für die Nanometerstrukturierung von Oberflächen mit funktionalen Motorproteinen wurde ein neuer Ansatz demonstriert. Mit der Anwendung von Biotemplaten, wie hier der Mikrotubuli, konnte ein hoch-lokalisiertes und orientiertes Anbinden von Proteinen an Oberflächen sowie gleichzeitig geringer Proteindenaturierung erreicht werden. Durch spezifisches Stempeln beziehungsweise Binden von Motoren wurden Muster aus funktionellen Proteinen mit hoher Oberflächendichte hergestellt. Die erzeugten Motor-Spuren haben gezeigt, dass Nanometerstrukturierungen möglich sind und ohne topographische Barrieren zu zuverlässiger Führung von Mikrotubuli führen können. Bisher konnte die nicht-topographische Strukturierung von Oberflächen mit Kinesin-1-Motoren nur im Mikrometerbereich demonstriert werden. Wegen der hohen Steifigkeit der Mikrotubuli war die thermische Energie des Systems in diesen Fällen nicht ausreichend, um die führende Spitze der Mikrotubuli zurück auf das Gebiet mit den strukturierten Motoren zu biegen. Dieses Problem wird durch die kleine Breite der hier demonstrierten Motor-Nanospuren verhindert, da das Auftreffen der Mikrotubuli mit den Grenzlinien auf extrem flache Winkel begrenzt ist. Interessanterweise haben sich Spuren des nicht-prozessiven Motors Kinesin-14 für das Führen und den Transport im Nanometerbereich als noch zuverlässiger herausgestellt als Kinesin-1-Spuren. Es ist zu erwarten, dass nicht-topographisches Führen, wie es in dieser Arbeit gezeigt wurde, das Design und die Herstellung von Mikrotubuli-Transportsystemen deutlich vereinfacht und die Möglichkeit eröffnet, Cargo mit unlimitierter Größe, d.h. ohne Einschränkungen durch die Abmessungen der topographischen Führungskanäle, zu transportieren. Zusätzlich ist die biotemplierte Strukturierung ein viel versprechendes Werkzeug um das individuelle und das kooperative Arbeiten von Motorproteinen in vitro untersuchen und komplexe subzelluläre Maschinerien in synthetischer Umgebung rekonstituieren zu können. Dies wurde am Beispiel des gerichteten Gleitens des biomolekularen Motors Kinesin-14 gezeigt, der ein gerichtetes Gleiten zwischen antiparallelen Mikrotubuli und statisches Vernetzen zwischen parallelen Mikrotubuli hervorruft. Mit dem Ansatz des biotemplierten Strukturierens ist es jedoch nicht einfach möglich, benutzerdefinierte Spuren zu erzeugen. Daher wurde die photothermische Proteinstrukturierung als eine neue Methode für die frei programmierbare, hochauflösende und schnelle Herstellung von strukturierten Proteinoberflächen eingeführt. Auf diese Weise wurden Kinesin-1-Muster durch licht-induziertes Heizen einer licht-absorbierenden Substratschicht erzeugt. Die thermisch schaltbaren poly(N-isopropylacrylamid) (PNIPAM) Moleküle auf der Oberfläche kollabierten lokal und erlaubten es den Motorproteinen, in den beleuchteten Gebieten aus der Lösung an die Oberfläche zu binden. Die Bewegung gleitender Mikrotubuli bestätigte anschließend die erfolgreiche Strukturierung der Kinesin-1-Motoren und deren Funktionalität, da die Mikrotubuli an die strukturierten Motoren banden und ausschließlich in den strukturierten Gebieten transportiert wurden. Neben der Proteinstrukturierung wurde die lokalisierte Licht-zu-Wärme-Umwandlung kombiniert mit einer thermisch schaltbaren Polymerschicht auch für die lokale Aktivierung von Kinesin-1-Motoren auf der Oberfläche genutzt. Ein Vorteil der photothermischen Proteinstrukturierung ist die Möglichkeit, sichtbares Licht zu verwenden, da jede beliebige Wellenlänge angewendet werden kann und sichtbares Licht, im Vergleich zu anderen UV-basierten Photostrukturierungsmethoden, Proteine nicht schädigt. Modellierungen mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (implementiert in der Software COMSOL) haben gezeigt, dass die Lichtintensität und die Oberflächentemperatur speziell eingestellt werden müssen, um definierte Strukturgrößen zu erzielen. Während die derzeitig erzeugten Muster Größen im Bereich von zehn Mikrometern hatten, könnten durch höhere optische Intensitäten kombiniert mit Kühlung der Probe die Größenordnungen signifikant reduziert werden. Die reale experimentelle Auflösung wird jedoch auch von der Schaltcharakteristik des Polymers und der Proteinbindungsdynamik abhängen. Die hergestellten Muster können reversibel bei hohen beziehungsweise niedrigen Temperaturen aktiviert und deaktiviert werden. Zusätzlich können auf die gleiche Weise verschiedene Proteinsorten sequentiell auf einer Oberfläche strukturiert werden, ohne dass spezifische Bindungsmoleküle oder aufwändige Oberflächenpräparationen notwendig wären. Die Möglichkeit, Proteine reversibel an die Oberfläche zu binden, um geschriebene Muster wieder löschen zu können, wäre eine Weiterentwicklung und würde die Anwendungsmöglichkeiten der photothermischen Strukturierungsmethode erweitern. Außerdem würden optisch schaltbare Polymere das direkte Strukturieren von Motoren mit Licht ermöglichen und daher die Methode vereinfachen.

Many active processes in cells are driven by highly specialised motor proteins, which interact with the cytoskeleton: a network of filamentous structures, e.~g.~ actin filaments and microtubules, which organises intracellular transport and largely determines the cell shape. These motor proteins are able to transduce the chemical energy, stored in ATP molecules, to do mechanical work while interacting with a filament. Certain motor proteins, e.~g.~members of the KIN-13 kinesin subfamily, are able to interact specifically with filament ends and induce depolymerisation of the filament ends. One important role for KIN-13 family members is in the mitotic spindle, a microtubule structure that is formed in the process of cell division and is responsible for separation and distribution of the duplicated genetic material to the forming daughter cells. The aim of this work is to develop a theoretical framework capable of describing experimentally observed behaviour and shed light on underlying principles of motor induced filament depolymerisation. We use two different theoretical approaches to describe motor dynamics in this non- equilibrium situation: On the one hand we use phenomenological continuum equations which themselves are to a large extent independent of the underlying molecular details of the system. Molecular details of the system are incorporated in the equations through the specific values of macroscopic parameters which are determined by the underlying details. On the other hand, we use one- and two-dimensional discrete stochastic descriptions of motors on a filament. These kind of descriptions enable us to investigate the effects of different microscopic mechanisms of filament depolymerisation, and to investigate the role of fluctuations on the dynamic behaviour of motor proteins. We additionally discuss filament depolymerisation in the case where motors are not free to move but are fixed to a common anchoring point and depolymerise filaments under the influence of applied forces, mimicking the situation in the mitotic spindle. Our results can be related to recent experiments on members of the KIN-13 subfamily and predictions made in our theory can be tested by further experiments. Although motivated by experiments involving members of the KIN-13 subfamily, our theory is not restricted to these motors but applies in general to associated proteins which regulate dynamics of filament ends.