In neurons the Ras signaling pathway is activated by a large number of various stimuli, including trophic factors, neurotransmitters and modulatory peptides. Guanine nucleotide exchange factors (GEFs) mediate the activation of Ras GTPases, by catalyzing the exchange of GDP for GTP, and facilitate signaling networks crosstalk. In this work, very-KIND (VKIND), a new brain specific RasGEF was structurally and functionally characterized. VKIND belongs to the KIND protein family along with the non-receptor tyrosine phosphatases type 13 and Spir actin nucleation factors. The kinase non-catalytic C-lobe domain (KIND) is similar to the C-terminal protein kinase catalytic fold (C-lobe) of the p21-activated kinase (PAK). The open reading frame (ORF) of the VKIND gene of 5229 base pairs was cloned. The VKIND ORF translates into a protein of 1742 amino acids residues with a size of 191 kD. The VKIND protein structure is highly conserved among species and at present the protein is found only in Vertebratae and Echinodermatae. The arrangement of two KIND domains at its amino-terminal region, KIND1 and KIND2, is depicted in its name. The KIND module functions as a molecular interaction structure that is deprived of any enzymatic activity. While the precise occupation of the KIND1 domain remains elusive, the KIND2 domain binds to the microtubules-associated protein 2 (MAP2). The protein central portion features two clusters of high conservation of yet unknown function as well as a coiled-coil motif with a putative multiple protein-protein interaction activity. At the carboxy-terminal region VKIND features a guanine nucleotide exchange factor for Ras-like small GTPases (RasGEF) with a structural RasGEFN motif attached at its N-terminal site. The VKIND RasGEF motif is structurally related to the yeast catalytic domain CDC25. The closest relation of the VKIND RasGEF domain with an average sequence identity of 23% is assigned to the RasGEF domains of exchange factors specific for Rap GTPases with two unique insertions: the first one of 24 amino acids in the N-terminal end of the domain (between helixes αA and αB of the SOS1 RasGEF module) and the second one of 11 amino acids in the C-terminal part (between, helixes αJ and αK of the Sos1 RasGEF module). The RasGEFN domain plays a critical role in sustaining the structural and catalytical integrity of the guanidine exchange factor. VKIND is specifically and highly expressed in the murine nervous system during embryonic development and adulthood. During embryogenesis VKIND expression is present in the murine neural tube, telencephalon, retinal ganglion cells, and rhombencephalon. In the adult murine brain VKIND expression is most prominent in the cerebellum, however exclusively restricted to the granular and Purkinje cell layers. Subcellular distribution studies and time-lapse analysis revealed the gradual accumulation of VKIND into highly motile circular particles which featured estimated maximum velocity of 12 μm/min. By merging the nascent structures progressively grew to estimated 2 μm in size suggesting a role for VKIND in the vesicular transport process. Furthermore, the KIND1/KIND2 region of the VKIND protein was found to be phosphorylated by the p38 mitogen-activated protein kinase (MAPK), recently discovered to induce neurite outgrowth in response to hyperosmotic shock. In the light of VKIND negatively controlling neurite outgrowth, further elucidation of the complex Ras pathways may provide rewarding insights in the neuronal physiology. / Der Ras-Signaltransduktionsweg wird in Neuronen durch eine große Anzahl verschiedener Signale stimuliert. Hierzu gehören trophische Faktoren, Neurotransmitter und modulatorische Neuropeptide. GDP/GTP-Austauschfaktoren (GEFs) vermitteln die Aktivierung der kleinen Ras-GTPasen, indem sie den Austausch von GDP gegen GTP katalysieren, und hierbei ein Signalnetzwerk ermöglichen. In dieser Arbeit wurde ein neuer gehirnspezifischer Ras-GDP/GTP-Austauschfaktor, very-KIND (VKIND), strukturell und funktionell charakterisiert. VKIND gehört, zusammen mit der Nicht-Rezeptor-Tyrosinphosphatase Typ 13 und dem Aktinnukleator Spir, zu der KIND-Proteinfamilie. Die Kinase Non-catalytic C-lobe Domain (KIND) ist strukturell verwandt mit der C-terminalen katalytischen Domäne (C-Lappen) der p21-aktivierten Proteinkinase (PAK). Der Offene Leserahmen aus 5229 Basenpaare des VKIND Gens wurde kloniert. Dieser kodiert für ein Protein aus 1742 Aminosäuren mit einem Molekulargewicht von 191 kD. Die Proteinstruktur des VKINDs ist hoch konserviert und kommt nur in Wirbeltieren und Stachelhäutern vor. Das Vorkommen von zwei KIND-Domänen in der aminotermianlen Region ist für dessen Namensgebung verantwortlich. Die KIND-Domäne fungiert als Protein-Interaktionsmodul ohne bisher bekannte katalytische Eigenschaften. Während die Funktion der KIND1-Domäne noch geklärt werden muss, bindet die KIND2-Domäne das Mikrotubuli-assoziertes Protein 2 (MAP2). Die zentrale Region des Proteins weist zwei hoch konservierte Cluster mit noch unbekannter Funktion auf, sowie ein Super-Helix-Motiv, coiled-coil, welches ein potentielles Protein-Interaktionsmodul darstellt. In der carboxyterminalen Region weist VKIND ein Guaninnukleotid-Austauschfaktor für die Protein-Superfamilie der kleinen Ras GTPasen (RasGEF) auf, welches sich in direkter Nachbarschaft des N-terminalen Strukturmotivs RasGEFN befindet. Das VKIND RasGEF-Modul ist strukturell mit der katalytischen Domäne CDC25 aus S. cerevisiae verwandt. Die Aminosäurensequenz der VKIND RasGEF-Domäne weist mit einer Homologie von 23% eine enge Verwandtschaft zur RasGEF-Domäne für RapGTPasen auf. Jedoch unterscheiden sich diese durch zwei zusätzliche Insertionen in der VKIND RasGEF-Domäne. Die Erste aus 24 Aminosäureresten bestehende Insertion ist im N-terminalen Bereich der RasGEF-Domäne zwischen den Helices αA und αB des SOS1 RasGEF Moduls lokalisiert, während die Zweite aus elf Aminosäureresten bestehende Insertion im C-terminalen Bereich zwischen den Helices αJ und αK des SOS1 RasGEF Moduls lokalisiert ist. Die RasGEFN-Domäne spielt eine wichtige Rolle für die strukturelle und katalytische Integrität der GEF-Domäne. Im Maus-Embryo und in der adulten Maus wird VKIND spezifisch im Nervensystem exprimiert. Während der Embryogenese findet eine starke VKIND-Expression in dem murinen Neuralrohr, dem Telencephalon, dem Retinal-Ganglion und dem Rhombencephalon statt. Für die adulte Maus ist dagegen eine starke Expression ausschließlich in der Purkinje- und der Körner-Zellschicht des Cerebellums charakteristisch. Studien der subzellulären Verteilung und Zeitraffer-Video-Analysen zeigten die graduelle Akkumulation des VKIND Proteins in freibeweglichen zytoplasmatischen Partikeln. Diese zirkulären Partikeln wuchsen hierbei bis zu einer Größe von 2 μm an und bewegten sich mit einer Geschwindigkeit von maximal 12 μm/min. Dies deutet auf eine mögliche Rolle des VKINDs bei dem vesikulären Transport hin. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die VKIND KIND1/KIND2-Region durch die p38 MAP-Kinase phosphoryliert wird. Vor kurzem wurde von anderen Gruppen ein p38-induziertes Neuritenwachstum als Antwort auf einen hyperomotischen Schock untersucht. Im Zusammenhang mit dem inhibitorischen Effekt des VKINDs auf das Neuritenwachstum könnte dies zur weiteren Aufklärung des komplexen Ras-Signalweges und der neuronalen Physiologie beitragen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:2442 |
| Date | January 2008 |
| Creators | Bedrossian, Anaid |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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