Les protéines RGS (Regulator of G-protein Signaling) sont des inhibiteurs des voies de signalisation des protéines G. RGS4 atténue l’activité de protéines G dans plusieurs tissus tel que la diminution de son activité peut accroître la sévérité de la bradycardie, cardiomyopathies liées au diabète, l’invasion de cellule cancéreuse du sein, résistance à l’insuline et intolérance au glucose. RGS4 a été localisé à la membrane plasmique ainsi que dans des compartiments intracellulaires, cependant, son mode de trafique intracellulaire reste méconnu. En utilisant des outils de microscopie confocale sur cellules vivantes et méthode de détection d’activité des voies de signalisation conditionnée par les protéines G, nous avons caractérisé l’importance de deux sites de palmitoylation, ces deux sites : Cys2 et Cys12 montrent des intérêts complémentaires dans le trafic de RGS4 vers la membrane cellulaire. Dans un axe linéaire, nous avons identifié DHHC3 et 7, deux enzymes de palmitoylation participant au trafique intracellulaire de RGS4 et donc à la maximalisation de son activité inhibitrice des voies de signalisation contrôlées par Galphaq. Enfin des marqueurs de membranes endosomales, les protéines rab ont permis de caractériser les voies de trafic intracellulaire empruntée par RGS4, par exemple RGS4 est internalisé de la membrane plasmique par Rab5 et recyclé à la membrane cellulaire par Rab11. L’activation ou inhibition de Rab5 et 11 ont permis d’observer des changements d’activité de RGS4. Ces travaux confèrent une base de données pour des études ultérieures visant à développer des stratégies thérapeutiques à accroître les fonctionnalités de RGS4. / RGS proteins (Regulator of G-protein Signaling) are potent inhibitors of heterotrimeric G-protein signaling. RGS4 attenuates G-protein activity in several tissues such that loss of its function may lead to bradycardia, diabetic cardiomyopathy, breast cancer cell invasion, insulin resistance and glucose intolerance. RGS4 has been localized to both plasma membrane and intracellular pools, however, the nature of its intracellular trafficking remains to be elucidated. G-protein inhibition requires the presence of RGS4 at the plasma membrane. In this work, we characterized the complementary roles of two putative palmitoylation sites on RGS4 to target intracellular compartments and plasma membrane. We identified palmitoylation on Cys2 and 12 respectively important for RGS4 endosomal targeting and plasma membrane localization, when mutations were introduced to the palmitoylation sites, RGS4 capability of inhibiting Gq-mediated signaling was impaired. As a continuum we identified two palmitoylating enzymes, DHHC3 and 7 as modulator of RGS4 localization and function. Knock downs of DHHC3 and 7 impaired RGS4 endosomal and plasma membrane targeting and capability of inhibiting M1-muscarinic receptor signaling. Finally we used live cell confocal microscopy to define RGS4 intracellular trafficking routes. Specifically Rab5 mediated RGS4 trafficking from the plasma membrane to intracellular compartments while Rab11 mediated RGS4 trafficking to the plasma membrane. Activation and inhibition of Rab5 and 11 routes impaired RGS4 capability of inhibiting M1-muscarinic receptor signaling pathway. These novel findings provide a strong rationale for future studies aimed at developing new strategies to increase the function of RGS4.

Chez la levure Saccharomyces cerevisiae, la croissance est orientée et nécessite l’apport de membranes et d’enzymes pour la synthèse de la paroi cellulaire. La régulation du transport des vésicules permettant cet apport est assuré par les GTPases de la famille Ypt/Rab. Sec4p, une Ypt/Rab GTPase, est impliquée dans l’exocytose en assurant la spécificité de l’ancrage des vésicules post-golgiennes envoyées aux sites de croissance. La régulation de son activité GTPase est essentielle pour sa fonction.Nous nous intéressons aux protéines Gyp5p et Gyl1p, deux membres de la famille des protéines activatrices des GTPases Ypt/Rab chez S. cerevisiae. Le laboratoire a montré l’implication du complexe Gyp5p-Gyl1p dans l’exocytose polarisée vraisemblablement par la régulation de Sec4p. Notre étude a montré une interaction directe in vitro de ces deux protéines, ainsi qu’une interdépendance pour une bonne localisation du complexe aux sites de croissance polarisée, c'est-à-dire au sommet du bourgeon durant la croissance apicale et au cou du bourgeon durant la cytocinèse. Cette localisation dépend de deux formines, d’éléments du polarisome et des câbles d’actine. De plus, nous avons montré par des expériences d’immunofluorescence et de microscopie électronique en collaboration avec J.-M. Verbavatz (iBiTec-S, CEA), que ces protéines sont transportées sur des vésicules de sécrétion jusqu’aux sites de croissance polarisée.Notre étude de l’interaction du complexe Gyp5p-Gyl1p avec Rvs167p, une protéine à domaine BAR (Bin1-Amphiphysin-Rvs167p) a montré que Gyp5p et Gyl1p sont nécessaires pour la bonne localisation de Rvs167p au sommet du petit bourgeon et que ces complexes se forment principalement dans des fractions enrichies en membrane plasmique. Pour mieux caractériser ces interactions, nous avons réalisé une mutation de la proline 473 dans le domaine SH3 de Rvs167p et des délétions des séquences riches en proline de Gyp5p et Gyl1p. Ces mutations entraînent un défaut d’interaction de Rvs167p avec Gyp5p et Gyl1p et la perte de la localisation de Rvs167p au sommet du petit bourgeon. Afin de comprendre la fonction de ces interactions, nous avons réalisé des expériences de microscopie électronique et des tests de sécrétion de l’endo-β-1,3-glucanase, Bgl2p dans une souche Δrvs167. Nous avons mis en évidence une accumulation de vésicules de sécrétion au niveau du petit bourgeon et un défaut de sécrétion de Bgl2p à 13°C dans cette souche. De plus, nous avons également observé une accumulation de vésicules de sécrétion dans une souche exprimant Rvs167p mutée pour la proline 473 et un défaut de sécrétion de Bgl2p dans une souche exprimant Gyp5p et Gyl1p dépourvues de leurs séquences riches en proline. Ces résultats montrent que Rvs167p joue un rôle dans l’exocytose polarisée au stade du petit bourgeon et que cette fonction dépend de son recrutement par Gyp5p et Gyl1p au sommet du petit bourgeon. / In Saccharomyces cerevisiae, growth is oriented and requires the contribution of membranes and enzymes for the synthesis of the cell wall. Regulation of vesicles transport allowing this contribution is provided by the Ypt/Rab GTPases family. Sec4p, a Ypt/Rab GTPase, is involved in exocytosis by controlling the tethering of post-Golgi vesicles at sites of growth. Regulation of Sec4p GTPase activity by is essential for its function.We studied the proteins Gyp5p and Gyl1p, two members of the Ypt/Rab GTPases activiting proteins (RabGAP) family in S. cerevisiae. Gyp5p and Gyl1p interact with Sec4p and are involved in the control of exocytosis at the small-bud stage. Our study showed that Gyp5p and Gyl1p interact directly in vitro and are interdependent for their correct localization to the sites of polarized growth, e.g. the bud tip during apical growth and the bud neck during cytokinesis. We showed that the localization of Gyp5p and Gyl1p to the sites of polarized growth depends on the formins Bni1 and Bnr1, but also on polarisome components and actin cables. Moreover, we showed by immunofluorescence and electron microscopy (in collaboration with J.-M. Verbavatz), that Gyp5p and Gyl1p are transported onto secretory vesicles to access the sites of polarized growth.We studied the interaction of Gyp5p and Gyl1p with Rvs167p, a BAR domain (Bin1-Amphiphysin-Rvs167p) protein and showed that Gyp5p and Gyl1p are necessary for the recruitment of Rvs167p to the small-bud tip. Both the mutation of the proline 473 in the SH3 domain of Rvs167p and the deletion of the proline-rich regions of Gyp5p and Gyl1p disrupt the interaction of Rvs167p with Gyp5p and Gyl1p and impair the localization of Rvs167p to the tips of small buds. Electron microscopy experiments unraveled an accumulation of secretory vesicles in small buds of rvs167Δcells and β-1,3-endoglucanase Bgl2p secretion assays showed Bgl2p secretion defects in cultures enriched in small buds at 13°C. In addition, an accumulation of secretory vesicles was observed in Rvs167pP473L strain, and Bgl2p secretion defect were found in strains expressing Gyp5p and Gyl1p deleted of their proline-rich sequences. These results show that Rvs167p plays a role in polarized exocytosis at the small bud stage and that its function in exocytosis depends on its recruitment to the tip of small buds by the RabGAP proteins Gyp5p and Gyl1p.

Little is known about the outward trafficking of receptor dimers from the endoplasmic reticulum to the plasma membrane, or the role that trafficking plays in assembly, targeting and specificity of receptor signalling. Bimolecular fluorescence complementation was used to follow prescribed receptor homo/heterodimers in Jurkat cells and clarify the trafficking itineraries those receptors follow to reach the plasma membrane. Chemokine receptors CXCR4 and CCR5 were chosen due to their implication in numerous pathologies including, HIV and cancer, and their ability to form homo and hetero-oligomers. This study demonstrates that although the individual receptors composing heterodimeric complexes are the same as in homodimeric complexes, the heterodimer traffics and signals independently of its constituent homodimers. The presence of CD4 affects the trafficking of CCR5 containing dimers but not the CXCR4 homodimer. These observations demonstrate the importance of considering receptor heterodimers as distinct signalling entities that should be more carefully and individually characterized.

Mit fortschreitendem Durchschnittsalter der Bevölkerung gewinnen altersbedingte Krankheiten immer mehr an Signifikanz. Demenz und Einschränkungen der Beweglichkeit wirken sich auf Individuen sowie auf Familien aus, da die progressive Abnahme kognitiver und physischer Fähigkeiten ihren Tribut von der Lebensqualität Betroffener sowie den Pflegenden fordert. Morbus Parkinson (PD) ist eine neurodegenerative Erkrankung, welche sich durch Symptome des Bewegungsapparates äußert, bedingt durch degenerative Prozesse im Mittelhirn, und welche mit Veränderungen des Gemütszustandes, Verhaltens sowie Depression und Demenz fortschreiten können. PD betrifft in der Regel ältere Personen, jedoch wurden Gene verschiedener zellulärer Funktionen identifiziert, deren Mutation zu einer frühen oder gar juvenilen Ausprägung der Krankheit führen kann. Ein Hauptakteur in PD ist α-Synuclein (ASYN), ein kleines Protein welches in PD-typischen Proteinablagerungen gefunden wurde. Die zelluläre Funktion von ASYN ist immernoch unbekannt, Mutation oder Überexpression jedoch können zu einem hypermorphen Phänotyp führen und die Verbindung zu PD ist daher unumstritten. Studien haben gezeigt, dass ASYN mit Proteintransportwegen und der Aufstellung der Transportmaschinerie interferiert. Genetische Rasterstudien identifizierten Modulatoren von ASYN-Toxizität in Genclustern des Vesikeltransports. Ebenso konnten Studien in Hefe zeigen, dass Überexpression von ASYN diverse Transportwege stört, besonders zu beachten ist hier der ER-zu-Golgi Transportweg, welcher kritisch für Posttranslationale Modifikationen verschiedener Proteine ist. Des Weiteren greift ASYN-Pathologie störend in die Homöostase von Rab GTPasen ein, eine Proteinfamilie involviert in Vesikeltransport, manche deren Mitglieder ASYN-Toxizität reduzieren können. In dieser Studie zeigen wir in einer Rasteruntersuchung mit Rab GTPasen in einem Säugerzellmodell von ASYN-Proteinanreichungen, dass die ASYN-Pathologe zu einer weitreichenden Störung von Rab GTPase assoziierten Transportwegen führt. Wir identifizieren zwei unterschiedliche endosomale Stoffwechselwege welche beim Auftreten von ASYN-Proteinablagerungen fehlreguliert werden: der endosomale-lysosomale-Proteintransportweg welcher das frühe Endosom beinhaltet, sowie den trans-Golgi Netzwerk (TGN) Transportweg. Die kleinen Rab GTPasen Rab5A, Rab7 und Rab8A haben fundamentale Auswirkungen auf die Formation von ASYN-Proteinansammlungen, Sekretion und Toxizität. Wir zeigen dass Rab8A in der Lage ist ASYN-Proteinansammlungen zu modulieren und agiert protektiv in Bezug auf zelluläre Toxizitätslevel in unserem Modell. Rab5A, ein Protein des frühen Endosoms, fehllokalisiert mit Formation der Ablagerungen, während das lysosomale Rab7 die Anzahl der Ablagerungen erhöht, aber nicht ihnen kolokalisiert. Des Weiteren benutzen wir Größenexklusionschromatographie (SEC) und Enzyme Linked Immunosorbent Assay (ELISA) um zu zeigen, dass Rab5A und Rab7 in Abhängigkeit ihres Aktivitätszustandes die Partikelgröße von ASYN ändert und die Sekretion moduliert. Die abschließende Bewertung eines Tiermodells welches humanes ASYN pan-neuronal überexpremiert zeigte, dass lysosomales Rab7 und die Protease Cathepsin D (CatD) in Hirnregionen verantwortlich für Bewegung, Motivation und Gedächtnis herausreguliert sind. Unsere Arbeit sowohl in Säugerzellkultur sowie in transgenen Tieren deutet darauf hin, dass die ASYN-Pathologie Auswirkungen auf das endosomale Transportsystem hat, aber zeigt auch die Fähigkeit von Proteinen, welche mit diesem Transportsystem assoziiert sind, die Toxizität von ASYN zu modulieren. Daher schließen wir, dass Anomalien in der Transportmaschinerie von Endosomen, welche durch Fehlregulation ASYN verursacht wurden, zur Entstehung der PD Pathologie beitragen.

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Zugl.: Hamburg, Univ., Magisterarbeit, 1997

Thesis (Ph. D.)--University of Washington, 1996. / Vita. Includes bibliographical references (leaves [245]-266).

Techn. University, Diss., 2005--Dresden.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(医学) / 甲第23063号 / 医博第4690号 / 新制||医||1048(附属図書館) / 京都大学大学院医学研究科医学専攻 / (主査)教授 岩田 想, 教授 長尾 美紀, 教授 秋山 芳展 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Medical Science / Kyoto University / DFAM

Eukaryotic cells depend on cargo uptake into the endocytic membrane system, which comprises a functionally interconnected network of endosomal compartments. The establishment and maintenance of such diverse compartments in face of the high rates of exchange between them, poses a major challenge for obtaining a molecular understanding of the endocytic system. Rab-GTPases have emerged as architectural key element thereof: Individual family members localize selectively to endosomal compartments, where they recruit a multitude of cytoplasmic effector proteins and coordinate them into membrane sub-domains. Such "Rab-domains" constitute modules of molecular membrane identity, which pattern the endocytic membrane system into a mosaic of Rab-domains. The main objective of this thesis research was to link such "static" mosaic-view with the highly dynamic nature of the endosomal system. The following questions were addressed: How are neighbouring Rab-domains coordinated? Are Rab-domains stable or can they undergo assembly and disassembly? Are the dynamics of Rab-domains utilized in cargo transport? The first part of this thesis research focused on the organization of Rab-domains in the recycling pathway. Utilizing Total Internal Reflection (TIRF) microscopy, Rab11-, but neither Rab4- nor Rab5-positive vesicles were observed to fuse with the plasma membrane. Rab4-positive membranes, however, could be induced to fuse in presence of Brefeldin A. Thus, these experiments complete the view of the recycling pathway by the following steps: a) Rab11-carriers likely mediate the return of recycling cargo to the surface; b) such carriers are presumably generated in an Arf-dependent fission reaction from Rab4-positive compartments. Rab11-chromatography was subsequently carried out in the hope of identifying Rab11-effectors functioning at the Rab4-Rab11 domain interface. An as yet uncharacterized ubiquitin ligase was identified, which selectively interacts with both Rab4 and Rab11. Contrary to expectations, however, the protein (termed RUL for *R*ab interacting *U*biquitin *L*igase) does not function in recycling,but appears to mediate trafficking between Golgi/TGN and endosomes instead.In order to address the dynamics of Rab-domains, fluorescently tagged Rab-GTPases were imaged during cargo transport reactions in living cells. Herefore high-speed/long-term imaging procedures and novel computational image analysis tools were developed. The application of such methodology to the analysis of Rab5-positive early endosomes showed that a) The amount of Rab5 associated with individual endosomes fluctuates strongly over time; b) such fluctuations can lead to the "catastrophic" loss of the Rab5-machinery from membranes; c) Rab5 catastrophe is part of a functional cycle of early endosomes, involving net centripetal motility, continuous growth and increase in Rab5 density. Next, the relevance of Rab5 catastrophe with respect to cargo transfer into either the recycling- or degradative pathway was examined. Recycling cargo (transferrin) could be observed to exit Rab5-positive early endosomes via the frequent budding of tubular exit carriers. Exit of degradative cargo (LDL) from Rab5-positive endosomes did not involve budding, but the rapid loss of Rab5 from the limiting membrane.Rab5-loss was further coordinated with the concomitant acquisition of Rab7, suggesting "Rab conversion" as mechanism of transport between early- and late endosomes.Altogether, this thesis research has shown that first, Rab-machineries can be acquired and lost from membranes. Second, such dynamics provide a molecular mechanism for cargo exchange between endosomal compartments. Jointly, these findings lead to the concept of Rab-domain dynamics modulation in /trans/ between neighbouring domains as mechanistic principle behind the dynamic organization of membrane trafficking pathways.